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LDO失效分析及改善

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发表于 2022-10-25 13:46 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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本帖最后由 Heaven_1 于 2022-10-25 17:31 编辑
4 M0 U; R  Y& {, d3 Z9 D5 V$ _
7 D# \4 C. E1 I  a; O) F0 [, a9 R1 o) L) r5 O
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。
5 Z$ s& L6 Q/ k% j# k1 引言! N; Y5 V: e2 Z  J7 `" ~
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 J, Y" w1 i6 v# R$ \2 Y& B2 LDO 产品测试失效问题描述
; b4 C2 C+ i- w" E, {2.1 LDO 静态电流失效, r$ r; ]" e; ~4 A$ q
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。8 F, S) L- W; N" \. v
2.2 LDO 静态电流测试原理/ L% `2 e( i- [% Q; J9 b
LDO 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 {( u7 R, x' H  Y- g0 V3 失效分析7 x" n  z8 K/ Q5 n$ G0 {8 K6 q# L5 O
3.1 LDO 芯片结构
" c; o) g- }' h" {/ `9 G+ pIC 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。; D- t4 X7 {$ X7 H. k
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。' }7 `4 S. R0 P) _
3.2 观察 ILD 层裂纹. ?  z! s  A  H6 h0 ~1 k# l
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)。; R5 S( I% _) k% w3 S: r
4 分析与讨论+ p& h% i( B. `; j6 d/ h" G& V. i
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。% f1 b2 U1 Y! Z, i! N
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。# \: M8 @( {1 `. x8 v& J
5 确定铜线焊接窗口& _) C" Q7 e. A6 b, P
5.1 确定铜线焊接参数窗口的主要工具和方法
" y# ~/ b$ G& _9 r! B9 j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。5 I! ~' x$ E4 h9 k5 q+ {
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。4 {$ n& H- p5 I) g2 P2 `3 P7 m
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。
* w( J2 M2 _; l" Z, b& P3)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。: R! }2 u# O& M, V+ v- s6 B
5.2 铜线焊接参数确定流程5 \- V" l& I! i! S
焊线工程师确定铜线焊线参数,一般步骤如下。2 y0 p' A5 X$ T, n; B
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;
  Q7 H. F3 ^# ^; X4 ^2)焊球大小及厚度至少测量 3 批次各 30 个数据;# ?# O& S( m2 ?; V0 k% H
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;
" H; J* S& ^/ r; C9 u8 Q( ]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;
/ ]8 S# I' J/ O  ^% m5)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;& d4 m; v! K) p2 ?& H
6)通过弹坑测试 3 个批次各 50 个数据;
2 u7 W- r1 A9 O; t% z7)通过 IMC 检查 3 个批次各 10 个数据;
( o# j# ~5 i$ w( _( Y  ?& n8)通过镊子拉线测试 50 粒数据;
) k% C4 h9 K: a0 q2 T, @/ q, V8 S/ Z9)检查弹坑和 ILD 层是否破裂。
; r2 [1 T/ N; H# J2 o5.3 观察 ILD 层裂纹的方法和步骤( B0 @7 X) `. E
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。
; E3 }' h# L5 k- I1)用发烟硝酸和浓硫酸去掉塑封料;) X8 V1 L  T' y
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;( n; A0 n: V. `6 k) l  w
3)发烟硝酸在室温下去除铜球;# Y' E3 f; K" E4 M5 B8 v. b
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;
, A. U  h& b/ ^- o0 q& z5)用盐酸去掉铝层;5 ~1 W: l* H. K
6)在 500 倍以上光学显微镜下观察焊盘;( `2 ^5 J5 U+ B3 q" z: j
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;
7 o3 t# f2 g5 U! p* t' N2 a8)通过 SEM 观察裂纹。! ?7 }. \1 t, y' C
6 测试筛选废品5 {. w4 `  s% f3 Z# C
6.1 PAT 测试7 v2 J% w& M6 O# }6 I& W: T
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。
/ E% K" v- U  i4 a  ]. k; L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。
1 z6 y5 w& s+ A8 K, L$ d% jPAT 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:
' y  L9 r' G% R9 A1)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。
1 h" E9 ]0 p/ H3 T1 B5 _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。3 v' w5 R7 o! J6 _' {0 D* p# e  X- e
6.2 加速老化失效* j4 r0 C: N( q# Q/ g. l+ j& L3 t
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:+ {3 I3 ~* W! m  \5 M
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 ℃。
4 j/ \% Q" w5 c, z2)塑封后进行温度循环,温度范围-55~150 ℃,循环 50~100 个周期。3 q) _/ [9 i( m& D
7 结论
1 {4 y+ i/ K+ [/ e$ T/ M  j+ rLDO 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。  E9 U4 u: `* D, |) w
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。8 X1 {. \( ^, ]2 e+ H* j% a

0 g/ j) W9 c/ Q' ?( }  N& W

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2#
发表于 2022-10-25 17:57 | 只看该作者
好像缺少对应的图片+ {& p1 t. ?; d
  • TA的每日心情
    开心
    2025-7-9 15:15
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    [LV.10]以坛为家III

    3#
    发表于 2022-10-27 12:15 | 只看该作者
    不错不错,很是一绝,有料,尝鲜尝鲜
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