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本帖最后由 Heaven_1 于 2022-10-25 17:31 编辑 , }% Q5 W, T- b( j# D
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低压差线性稳压器( Low Dropout Regulator , LDO ) 新品导入中,过强的铜线焊接会使焊球下芯片层间电介质层 ( Interlayer Dielectric , ILD ) 产生裂纹,从而导致器件测试漏电流失效或可靠性失效。通过对芯片结构的分析,指出 LDO漏电流失效的原因,同时详细讨论了如何确定合理的铜线焊接参数、如何检测失效以及失效分析步骤。+ X# ^* _/ C# H: ?, `
1 引言
& K) l- K- H/ ]0 B5 i快速增长的移动消费电子市场对电源管理类 IC需求巨大,以手机为例,摄像头、屏下指纹等均需要各种低压差线性稳压器 (Low Dropout Regulator,LDO)。在 IC 封测流程中,焊线是质量控制的重要工序之一,其目的是连接 IC 芯片和引线框架,实现 IC 电路逻辑功能。区别于分立器件,IC 芯片需要的光刻板层数多,导致其引线焊接区域下面多有电路,不恰当的铜线焊接会导致虚焊或焊接区下电路损伤,引起测试失效或潜在的可靠性问题。文献绍了铜线焊接及层间电介质层(Interlayer Dielectric,ILD)裂纹,但对如何检测 ILD 裂纹、如何系统性避免这类问题没有说明。本文的目的是针对实际 ILD 失效分析,系统性探讨 LDO焊接出现的低良率和可靠性问题,以及如何避免、检测、筛选这类不合格产品。
2 [$ I( P$ t g$ _0 _" c* r* M6 I2 LDO 产品测试失效问题描述3 s7 X# Y4 U+ D1 q1 {, l2 Z1 C
2.1 LDO 静态电流失效
, F6 Z# n) k5 X" m5 \4 }0 PLDO 广泛应用于手机及穿戴电子产品,测试LDO 的静态电流,通过静态电流判断 LDO 是否失效,失效品读数 400 μA,良品读数小于 4.8 μA。对失效品开盖,去铜球、金属焊盘,没有发现弹坑。弹坑是焊线过程中对芯片硅造成了物理损伤形成的坑,弹坑结构如图 1 所示。
& e$ @/ g2 x+ g2.2 LDO 静态电流测试原理
2 ^" z% T: {+ oLDO 测试静态电流如图 2 所示,在 V in 施加电压,V out 悬空,测试 V in 流入器件的电流为静态电流。9 q6 V! x* b; b- v: o" m; I
3 失效分析
% ]6 B* ]# d6 V c" t' C% X. b3.1 LDO 芯片结构" n5 t8 l2 n9 @; j- i
IC 芯片的特点是光刻层数多,普通小型号三极管如 40 V、0.2 A NPN 为 5 层,普通 MOSFET 如 60 V、0.1 A、1.8 Ω 为 8 层,典型的 LDO IC 一般为 20 层左右。IC 在狭小的空间内聚集了众多光刻层,故区别于三极管、MOSFET,IC 在焊盘下面一般有电路层。图 3是 LDO 芯片剖面图,图中 PAD 是焊线的焊盘,材质是厚度 2.7 μm 的 AlCu,与其连接的金属下面是ILD 层。
: ^! F3 b' C7 P# {ILD 一般是 SiO 2 或者 SiN,目的是隔离不同层的金属,起绝缘作用,同时阻挡水气,保护芯片内部结构。如果 V in 焊盘或 GND 焊盘下面的 ILD 由于焊接的机械应力产生裂纹,图 3 中的 Metal1 和 Metal 2 两层金属将不能很好地绝缘,裂纹越大,绝缘性越差,就会导致 2.1 节中提到的静态电流失效。文献均显示了铜线焊接导致 ILD 层失效的现象。+ M. ?' Q: U- x) w# G/ ~
3.2 观察 ILD 层裂纹; s/ j/ |3 `& ?5 }7 x* X
液晶检查发现热点在焊球附近,根据以往MOSFET ILD 层观察经验,总结后给失效分析工程师试验,开盖去掉铜球后,再去掉焊盘金属,成功地发现了失效品焊盘下 ILD 层的裂纹(见图 4)。
' R P# K" O$ V0 M7 L* y+ E: d, {4 分析与讨论
7 {9 ~5 f& @' O7 F确定焊接参数,需确认初始球、焊球大小和厚度、拉力及弹坑。建议重新确认焊接参数,优化焊接窗口,解决 ILD 层裂纹问题。过大的焊接参数(特别是超声波能量)会导致芯片焊盘下面的 ILD 层产生裂纹,进而影响产品的电特性及可靠性。2020 年金线与铜线的价格差 20 倍以上,消费类 IC 多用铜线焊接。铜线焊接需要含氢气的保护气体以避免氧化,铜线的硬度(FAB Hardness)高于金线,焊接时对芯片焊盘的冲击力大,这导致铜线的焊接参数窗口比金线窄。对于确定铜线焊接窗口的研究很多,大多做 3~4 个步骤,受设备、环境限制,很多关键的步骤被忽略了,导致测试低良率时才显现出铜线的焊接问题。. l: l9 G$ f; V; o, {
总结确定铜线焊接窗口的合理步骤,依靠该步骤完成新产品焊线参数窗口的确认,避免产品出现 ILD裂纹的质量风险,提高产品可靠性,在产品最终电参数测试及可靠性筛选方面也总结出相应的建议。$ m; g" j1 H5 c; T6 q* p8 R! w4 W- z
5 确定铜线焊接窗口
( A( l8 X5 ]5 Y% K; V) u$ o5.1 确定铜线焊接参数窗口的主要工具和方法
6 Z) j; u) r# K/ ~6 N: ~受设备、环境的限制,很多焊线工程师在确定铜线焊接窗口会省略某些步骤,这里介绍几个主要工具和方法。* O' e# E l7 M. N7 k% K
1)通过表面轮廓仪测量去掉铜球后焊盘的轮廓,以三维形式描述铜线焊接力度,图5是测量焊盘的形貌。9 G; u# B0 I8 \. [& K
2)普通光学显微镜很难看到细微裂纹,通过扫描电子显微镜(SEM)可以很好地观察。+ J. K: i3 ?; I& I" c
3)采用金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)检查方法,包括化学配方、温度控制等。
) T2 V/ P# o" D5 N' C5.2 铜线焊接参数确定流程
5 z% M* _& g4 A h+ A6 D$ j焊线工程师确定铜线焊线参数,一般步骤如下。8 V, @( M' S% Z/ w: Q( D; T: J
1)验证初始球(Fab)大小、形状、颜色,至少 3 批次各 10 个数据,以匹配焊盘大小及预计的焊球大小;
, B; k% ~. _4 _! x( V2)焊球大小及厚度至少测量 3 批次各 30 个数据;
/ s, d1 v. ?) a, A3)测量线的拉力及断开模式、焊球的推力及推后模式以及线弧高度,至少测量 3 批次各 30 个数据;+ Q' K3 {+ a) @8 O4 R8 d% S2 F! f9 z
4)测量焊盘金属移位(Pad Metal Displacement),针对所有焊盘测 3 批次各 2 个产品,测量设备为表面轮廓仪;7 s, t7 I* d# A+ @) I
5)通过 SEM 观察焊接颈部及脚部,焊球切面和脚部切面,得到 2 个数据,各 3 个批次;0 c1 B: w& K6 X' \( Y8 U
6)通过弹坑测试 3 个批次各 50 个数据; I! m5 G/ x& E$ c
7)通过 IMC 检查 3 个批次各 10 个数据;1 j8 y2 R+ H9 M) F# z
8)通过镊子拉线测试 50 粒数据;
6 L, h, \+ z3 e/ ~, @* h$ ~9)检查弹坑和 ILD 层是否破裂。
/ C* A. T) V7 P5.3 观察 ILD 层裂纹的方法和步骤
& B0 |! k$ c+ ?; I$ @7 G; ?IDL 层用于 IC、MOSFET 等器件,由于芯片种类繁多,制造工艺和所选材料各异,一个方法很难适用于所有的芯片 ILD 层。以下方法 / 步骤被证实可以观察 IDL 层裂纹。: {' s: V/ n( m- x g/ N
1)用发烟硝酸和浓硫酸去掉塑封料;
6 f. U/ s- @* k2 e4 B# h2)用缓冲氧化物刻蚀液 (氢氟酸与水混合,Buffered Oxide Etch, BOE)去除芯片表面钝化层;
. M1 V1 j, G6 t2 c: b9 J3)发烟硝酸在室温下去除铜球;5 t, x9 ~0 U& N, n. M$ }+ w
4)通过光电发射电子显微镜(PEM)或液晶热点检测技术观察失效点;- ]1 ?" x. W9 |- w7 t! }
5)用盐酸去掉铝层;
$ Q) b. R) V# H/ G# ]' O6)在 500 倍以上光学显微镜下观察焊盘;9 W: w0 q' |. U6 B t8 C3 L
7)用王水(Aqua Regia,浓盐酸 HCl 和浓硝酸HNO 3 按体积比为 3∶1 组成的混合物)去掉金属层;$ D4 p& q+ e6 E
8)通过 SEM 观察裂纹。
; h1 h/ _: [( ~- q1 F6 测试筛选废品
6 l5 V- L6 K/ f' G) R6 _; `6.1 PAT 测试- z$ O2 [: }/ C: L5 Z
PAT 是参数异常测试(Parameter Abnormalityn Test)或者参数平均测试(Parameter Averaging Test),目的是从正常分布中筛选掉异常器件,无论其是否满足规范,以达到高质量要求,减少客户投诉。. }1 A" `0 G E* u/ K1 C2 H+ h2 D
图 6 黄色区域是不满足规范(SPEC)筛选掉的不合格品,蓝色区域是满足规范但不满足 PAT 被筛选掉的产品。分布在PAT范围内的产品失效概率被大大降低。5 x1 {5 \' a" r3 x9 Q) z1 s
PAT 的范围设定通过收集历史样本数据,计算其均值和标准偏差得出。PAT 上下范围设定为均值加减几个标准差,即均值±A×标准偏差,其中 A 为倍数,根据不同要求,做不同设定:3 I9 m& _ @2 @( j, j9 {
1)通常一开始 A 设定为 6,PAT 范围是均值±6 个标准偏差,如果样本分布为正态分布,那落在 PAT 范围之外的 PAT 废品的比例是总样本比例的 2×10 -9 ,即十亿分之二,完全不会影响其正常合格率。4 Q+ L# U7 e4 s! ^& z5 s
2)当一个产品成熟后,如生产 2 年,需要收集1000 个以上封装批次、50 个以上芯片批次来计算PAT 范围。将 A 设定为 4,那落在 PAT 范围之外的PAT 废品比例是总样本比例的 0.0064%,也几乎不影响正常合格率。均值±4 个标准偏差是美国汽车电子委员会的要求。- z% B/ Z2 D& ^
6.2 加速老化失效: t0 k) ^: W, w7 v3 u% `
铜焊线导致焊盘下电路 ILD 层产生裂纹,可考虑加速老化让裂纹生长,到达一定程度可在产品终测时被筛选出来,加速老化方法各异,这里列举 2 种,原理是通过热胀冷缩让裂纹快速生长:
/ F7 I& K' O% e* ^% _( d* \1)测试前进行红外线回流焊(IR Reflow),模拟客户上板,温度高达 260 ℃。' z, ^' [$ L/ x h, H. M4 O
2)塑封后进行温度循环,温度范围-55~150 ℃,循环 50~100 个周期。
4 m0 W6 C3 h# c1 X: t( h0 B7 结论
* R% L6 X% H; i- C. y5 ^9 NLDO 铜线焊接导致的器件失效不仅影响产品良率,更影响产品质量可靠性。对于铜线焊接窗口的确定,需要严格按照科学的流程和方法,省略部分流程,不正确的焊接会导致质量风险。
# |/ B4 e! D! I. |焊线对 ILD 层的损伤要考虑在工艺设定中,本文详细列出了对 ILD 的观察方法和步骤,供焊线工程师和失效分析工程师参考。: z8 X! D' |5 _( I
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“来自电巢APP”
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