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X射线透射检测:芯片失效分析好帮手
发布:kittyll   时间:2016/5/10 11:16:59   阅读:770 
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图片来源:网络

X射线透射检测是一种无需拆解芯片封装,就能探测到内部结构的无损检测方法。

X射线的透射率取决于材料的质量和厚度。一般情况下,铝、硅等材料的原子质量较小,透射率高,较难分辨;金、铜、铁、焊料(银、铅、铋、锡)等的原子质量较大,透射率低,比较易于分辨。同时,X射线透过材料后的强度随材料的吸收系数和厚度呈指数衰减。
 
X射线可以用于确定引线键合的状态(布线状态,是否开路、短路)、焊片状态以及是否产生空洞,如图1、图2所示。此外,聚焦的X射线(1微米-10微米)还能用于微区分析,作为CSP(芯片尺寸封装)和TCP(载带封装)的强有力的失效分析手段。
 

图1 引线布线的X射线透视图
 

图2 CSP封装中的金凸点意外连接引起的短路
 
相较于二维X射线检测,三维X射线检测更具优势,因为它具有分层功能。
 
计算机扫描层析技术可以提供传统成像技术无法实现的二维切面或三维立体表现图,且避免了影响重叠、混淆真实缺陷的现象,可以更准确地辨识物体内部的缺陷位置。

让我们来看一个奔腾4处理器的失效案例。

图3展示的是一幅二维透射成像图。硅焊片表面有九层铜金属化层。这张图片是在相称模式下拍摄得到的画面(X射线能量8keV)。为了增加X射线的透射率,硅焊片的厚度由背面减薄至70微米左右。我们发现在该模式下,各层的图像相互堆叠,很难辨别清楚不同层之间铜线的分布。
 
图3 二维投影图像。硅的厚度为70微米,在其上面分布着九层相互垂直的铜金属化层。
 
但是,通过层析技术我们可以获得三维图像,这样各层之间的结构就会分立开来,我们能够清楚地判断每一层上铜线的情况。本案例中,我们可以拍摄到140度范围内的三维透射图像(受样品架旋转角度的限制),如图4所示。
 

图4 硅衬底芯片的三维图像
 
进一步通过计算机对图像进行处理和合成,我们可以将图4的三维图像中的每一层都剥离开来,得到每一层上的铜线分布情况,即二维切面图,如图5所示。这是真正意义上的层析手法。
 

图5 由上至下分别表示九个铜金属化层。明线表示铜线,暗点表示硅或空洞。第七张图中可观察到铜线中夹杂着100nm左右的空洞。该处X射线成像的分辨率达到50nm,清晰地展现了缺陷位置。
 
在失效分析过程中,故障隔离和失效定位可以通过多种手段实现,如电子探针、I/V曲线量测仪、显微红外热成像分析、液晶热点检测、光发射显微分析、磁电流映射、激光扫描、电子束等。定位完成后,使用扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)进一步分析失效区域,这一步骤需要和抛光打磨或聚焦离子束(FIB)切割配合使用,如此一来,难免对样品造成物理破坏,甚至可能造成失效区的消失,或伪失效区的产生。
 
基于纳米层析技术的X射线透射检测能够很好地解决物理破坏的问题。
 
因为利用X射线透射技术无需剥层就能直接观察到失效区域的形貌,是一种可靠的无损检测方法。在图6和图7所示的案例中,分析人员通过层析扫描定位出因为电迁移测试而消失的空洞所在的金属化层。


图6 二维X射线成像图。该区域中有可能出现消失的空洞或者其他缺陷。
 

图7 层析扫描图。清晰定位出消失的空洞所在的金属化层。


译自:Panasonic, LSI Testing Symposium
来源:材料与测试
译者:Kate0609

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