摘 要

FCBGA 封裝集成電路在實際應用中會出現多種多樣的失效模式和失效機理。介紹了在 FCBGA 封裝 集成電路失效分析中常用的檢測設備與技術， 包括 X 射線檢測系統、 聲學掃描顯微鏡、 OBIRCH 背面定位技術 和掃描電子顯微鏡等， 并結合實際應用中的失效案例， 對芯片開裂、 凸點重熔、 凸點開裂和過電應力 4 種失效 機理展開了分析， 為后續 FCBGA 封裝集成電路的失效分析提供了參考方向。

0 引言

隨著電子行業的飛速發展， 電子器件的集成度 越來越高， 人們對集成電路的需求逐漸地向高集成 度、 低功耗和小體積的方向發展。倒裝芯片球柵格 陣列 （FCBGA：Flip Chip Ball Grid Array） 封裝器件以其高密度、多I/O 端口封裝和散熱好等優點成 為多種集成電路的封裝首選， 尤其是 FPGA、 CPU 和 DSP 等集成度高、結構復雜的電路 。?

FCBGA 封裝集成電路的剖面簡化模型如圖 1 所示， 芯片倒裝通過表面的凸點與基板實現電氣連 接 ， 在芯片與基板之間的空隙充斥著填充膠（underfill）， 一般為環氧樹脂， 通過基板內部線路 與外焊球相連。

FCBGA 封裝集成電路在生產、 制造、 調試和 實際使用的過程中會經歷多次高溫、 焊接和加電等 階段， 在任一過程中操作不當均有可能導致器件失 效。因此， 對 FCBGA 封裝集成電路在實際應用中 常見失效模式和失效機理的研究有著重大的意義。?

1?常用的設備與技術

在對 FCBGA 封裝集成電路失效機理研究的過 程中， 基于其內部結構的高集成度和高密度性， 通 常需要多種檢測設備對其展開分析， 本著先無損、 后破壞的原則， 逐步地探求其根本的失效原因。常 用的檢測設備與技術包括 X 射線檢測系統、 聲學 掃 描 顯 微 鏡 （SAM）、 基于光束感生的電阻變化 （OBIRCH：Optical Beam Induced Resistance Change） 背面定位技術和掃描電子顯微鏡 （SEM） 等。?

1.1 X 射線檢測系統?

X 射線檢測系統包括 2D 和 3D 兩種模式， 均 使用透射成像原理， 由于不同的材料對 X 射線的 衰減能力也不同， 其反應出的襯度存在差異 。2D X-ray 展示的是二維平面結構， 可以用來初步 判斷 FCBGA 封裝集成電路的內部凸點是否正常、 基板電容焊接是否存在移位等問題， 3D X-ray 則 可以選取任意的截面， 從多個角度對器件內部進行 觀察， 還可以從特定的截面對器件的內部凸點、 基 板走線等方面展開分析。?

1.2 聲學掃描顯微鏡?

（SAM） SAM 利用超聲波在不同的介質之間傳播的聲 阻也不同， 在內部缺陷或材料變化的地方發生反射 和透射， 從而形成聲學掃描圖像。其原理示意圖如 圖 2 所示。

因此， 聲學掃描檢查包括 2 種模式：C-SAM 和 T-SAM。C-SAM 模式的精度較高， 適用于判斷 超聲波遇到的第一個檢測界面是否分層 ；而TSAM 模式可以檢測所有的界面是否存在分層， 但是無法準確地判斷分層出現在哪一個界面處。通常兩種模式互為補充， 從而能夠精準、 無損地判斷分 層界面 。?

SAM 可以無損地檢查 FCBGA 封裝集成電路中 的 underfill 與芯片和基板之間是否分層、 熱界面材 料 （TIM：Thermal Interface Material） 膠 粘 接 是 否 存在空洞、 芯片是否存在裂紋、 凸點是否存在異常 等， 是 FCBGA 封裝集成電路失效分析中必不可少 的分析手段。

1.3 OBIRCH 背面定位技術?

OBIRCH 的熱激光激發定位技術是集成電路失 效分析中必不可少的分析手段， 對于端口之間短路 的失效能夠迅速精準地定位到真正的失效點。FCBGA 封裝集成電路的芯片均采用倒裝的形 式， 因此 OBIRCH 對于該種器件的分析需要采用 背面定位技術。背面定位通常需要對芯片背面進行 拋 光 減 薄 ， 可以采用精密研磨機來實現 。對 于 FCBGA 封裝集成電路通常采用機械方法來去除表 面的金屬蓋和 TIM 膠， 然后拋光減薄即可。利用 OBIRCH 背面定位技術， 對于FCBGA 封 裝集成電路芯片內部的晶體管擊穿燒毀的失效便可精準地定位。?

1.4 掃描電子顯微鏡 （SEM）?

當定位到芯片內部的準確失效位置后， 需要將 具體的物理失效形貌展現出來， 由于集成電路的高 集成度， 此時體視顯微鏡和金相顯微鏡的放大倍數 已經無法將微觀失效形貌完全地展現出來 ， 而 SEM 則可以滿足這個需求。?

SEM 的工作原理是利用高能電子束對失效樣品被觀察區域進行掃描轟擊， 從而激發出二次電 子、 背散射電子等信息， 通過對收集到的信息進行 處理、 成像， 則可以獲得具體的微觀失效形貌 。對 于 FCBGA 封裝集成電路中芯片晶體管 燒 毀、 凸點異常等失效形貌， 利用 SEM 可以將其微 觀形貌完全地展現出來。?

2 案例分析

FCBGA 封裝集成電路在實際的應用中會出現 不同類型的失效模式和失效機理， 接下來通過 4 個 典型案例來分享如何對 FCBGA 器件展開分析， 以 了解其失效機理。

2.1 芯片開裂?

某 型 號FPGA 在 裝 機 前、 模塊調試階段失效 了， 外觀檢查時發現其側面基板存在明顯的翹曲， 如圖 3 所示。

電特性測試發現樣品多個電源端口對地短路， 開蓋前 T-SAM 發現樣品芯片區域存在異常的條紋 陰影， 如圖 4 所示。采用機械方法去除表面金屬蓋 和 TIM 膠后， 發現樣品芯片背面可見明顯的機械 損傷， 存在多處裂紋， 如圖 5 所示， 與圖 4 聲掃結 果中的異常條紋陰影一致。?

再次對芯片區域進行 C -SAM 發 現 芯 片 與 underfill、 underfill 與基板界面均存在條狀異常陰 影， 與芯片裂紋的形貌一致， 如圖 6 所示。

結合外觀和聲掃的結果可知， 該案例中的失效 樣品由于基板翹曲導致芯片出現機械裂紋損傷， 當 芯片開裂時， 芯片的裂縫和錯位會造成電源、 地和 I/O 端口發生短路、 開路等問題， 從而導致器件失效。?

2.2 凸點重熔

對某型號FPGA 回流焊后進行飛針測試， 發現 多個電源對地短路。X 射線檢查發現芯片凸點大面 積地熔融， 如圖 7 所示。開蓋后 T-SAM 可見芯片 中間存在異常的分層形貌， C-SAM 發 現 underfill與基板界面存在分層形貌， 如圖 8 所示。采用機械 研磨方法將樣品逐層地平面研磨至凸點層， 可見樣 品的凸點焊料重熔形貌， 如圖 9 所示。

結合 X 射線檢查、 SAM 和切片結果可知， 該 案例中失效樣品的失效機理為：樣品由于 underfill 與基板界面分層， 焊料熔融并填充分層界面導致凸 點橋連， 造成電源端口對地短路失效。?

2.3 凸點開裂

某型號FPGA 裝機后進行常溫測試時發現電源 電流偏低， 串口無輸出， 確認其功能異常。電特性 測試發現多個端口對地開路， 聲學掃描檢查發現芯 片與 underfill、 underfill 與基板界面均可見明顯的 分層， 且分層集中在芯片上側， SAM 結果如圖 10 所示。?

為了檢查分層區域的凸點有無異常， 采用固封 和研磨的方法對芯片上側第一排凸點進行金相切片 觀察， 結果發現：第一排凸點橫截面可見芯片與 underfill 界 面 的 明 顯 分 層， 多個凸點從分層處斷 開， 部分凸點的斷開界面平滑呈圓弧形， 為熱熔形 貌；部分凸點的斷開界面不規則， 呈現撕裂形貌，如圖 11 所示。

結合電測、 SAM 和切片的結果可知， 該案例 中失效樣品的失效機理為：在熱應力和機械應力的 作用下， 樣品芯片與 underfill 界面分層， 內部凸點 斷裂導致端口開路而失效。

2.4 過電應力?

某型號 FPGA 隨整機進行振動試驗后失效， 具 體表現為 1.8 V 電源對地阻值偏小。外觀檢查未見 樣品存在機械損傷， X 射線檢查和 SAM 未見樣品 凸點存在明顯的異常 ， 電特性測試發現樣品 VCCAUX、 VCCINT 對 VSS 的 I-V 特性曲線呈現低 阻 特 性， 如 圖 12 所 示， 其他電源端口和 I/O 端 口 對 VSS 的 I-V 特性曲線未見明顯的開路或并阻 特性。

為了進行失效定位， 運 用 OBIRCH 背 面 定 位 技 術 ， 利用激光掃描顯微鏡對樣品進行背面觀 察 分析。對 VCCAUX 與 VSS 之間施加電壓， 可見 電阻異常變化的熱點位于芯片有源區， 如圖 13a 所 示 。對 VCCINT 與 VSS 之 間 施 加 電 壓 （80 mV， 2.21 mA） ， 可見電阻異常變化的熱點位于有源 區， 且熱點區域附近可見異常的黑色陰影， 如圖 13b 所示。芯片表面未見明顯的過熱、 過電燒毀形 貌， 化學去層后可見有源區晶體管擊穿燒毀形貌，燒毀區域與 OBIRCH 定位熱點區域一致， 如圖 14 所示。

結合電測、 OBIRCH 定位和去層后的 SEM 觀 察可知， 樣品由于電源端口引入異常電壓導致芯片 內部晶體管擊穿燒毀而失效。?

3 結束語

本文介紹了 FCBAG 封裝集成電路在失效分析 中常用的檢測設備與技術， 包括 X 射線檢測系統、 SAM、 OBIRCH 背面定位技術和 SEM 等， 并通過 4 個典型案例介紹了如何對 FCBGA 器件展開失效分 析， 具體的失效定位方案總結如表 1 所示。本文為 后續 FCBGA 封裝集成電路的失效分析提供了一定 的參考和方向。

編輯：黃飛

?