LDO失效分析及改善

半导体实验室

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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。
3 W& t2 |  V: G8 I% R1 引言
( Z5 U9 N) J9 L7 M) L5 l2 B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 LDO 产品测试失效问题描述
2.1 LDO 静态电流失效
LDO 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。
2.2 LDO 静态电流测试原理
+ Z& U0 L/ a, c1 f  l! x1 b/ CLDO 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。
3 失效分析
0 X" x' z% k4 t: w! Z3.1 LDO 芯片结构
) r: q7 z$ N# U* S% x' s( y# G  Y7 A" kIC 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。
4 B- Q- c, M) `5 S! k, kILD 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。
3.2 观察 ILD 层裂纹
' J5 D/ o$ H* i) A# f1 `. j6 f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）。
, w5 J% v. P1 y2 P4 分析与讨论
3 @9 L( x& D$ t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。
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。
5 确定铜线焊接窗口
5.1 确定铜线焊接参数窗口的主要工具和方法
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。
0 N, U8 ?: Q8 I, v; ^7 h1）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 O: ~3 u  _- \0 l2）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。
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。
5.2 铜线焊接参数确定流程
$ ~( g7 D# L! N6 w焊线工程师确定铜线焊线参数，一般步骤如下。
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；
5 q8 d3 @+ Z! T; D/ s2）焊球大小及厚度至少测量 3 批次各 30 个数据；
3）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；
" D5 Z4 ~& P) Z" @/ p1 p% H8 v4）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；
  P# A" m! x4 p7 z4 B+ a5）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；
6）通过弹坑测试 3 个批次各 50 个数据；
. u9 f4 t. C4 n( `# n7）通过 IMC 检查 3 个批次各 10 个数据；
: \3 l' x; a% A% X7 f8）通过镊子拉线测试 50 粒数据；
0 H5 n  o6 P+ ]/ H5 H7 s9）检查弹坑和 ILD 层是否破裂。
5.3 观察 ILD 层裂纹的方法和步骤
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。
1）用发烟硝酸和浓硫酸去掉塑封料；
2）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；
3）发烟硝酸在室温下去除铜球；
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；
% e4 O; k% |, X( _' S& }" ^/ y5）用盐酸去掉铝层；
6）在 500 倍以上光学显微镜下观察焊盘；
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；
8）通过 SEM 观察裂纹。
6 测试筛选废品
6.1 PAT 测试
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。
& d4 U- W) ?# b; }9 `; M5 P5 K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。
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：
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。
, r* Y6 t# y: D- f% `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。
6.2 加速老化失效
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：
4 m* q! B& z: [5 p: S/ b7 @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 ℃。
2）塑封后进行温度循环，温度范围-55~150 ℃，循环 50~100 个周期。
7 结论
LDO 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。
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。
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