FCBAG封装集成电路在失效分析中常用的检测设备与技术

摘 要

FCBGA 封装集成电路在实际应用中会出现多种多样的失效模式和失效机理。介绍了在 FCBGA 封装 集成电路失效分析中常用的检测设备与技术， 包括 X 射线检测系统、 声学扫描显微镜、 OBIRCH 背面定位技术 和扫描电子显微镜等， 并结合实际应用中的失效案例， 对芯片开裂、 凸点重熔、 凸点开裂和过电应力 4 种失效 机理展开了分析， 为后续 FCBGA 封装集成电路的失效分析提供了参考方向。

0 引言

随着电子行业的飞速发展， 电子器件的集成度 越来越高， 人们对集成电路的需求逐渐地向高集成 度、 低功耗和小体积的方向发展。倒装芯片球栅格 阵列 （FCBGA：Flip Chip Ball Grid Array） 封装器件以其高密度、多I/O 端口封装和散热好等优点成 为多种集成电路的封装首选， 尤其是 FPGA、 CPU 和 DSP 等集成度高、结构复杂的电路 。 

FCBGA 封装集成电路的剖面简化模型如图 1 所示， 芯片倒装通过表面的凸点与基板实现电气连 接 ， 在芯片与基板之间的空隙充斥着填充胶（underfill）， 一般为环氧树脂， 通过基板内部线路 与外焊球相连。

FCBGA 封装集成电路在生产、 制造、 调试和 实际使用的过程中会经历多次高温、 焊接和加电等 阶段， 在任一过程中操作不当均有可能导致器件失 效。因此， 对 FCBGA 封装集成电路在实际应用中 常见失效模式和失效机理的研究有着重大的意义。 

1 常用的设备与技术

在对 FCBGA 封装集成电路失效机理研究的过 程中， 基于其内部结构的高集成度和高密度性， 通 常需要多种检测设备对其展开分析， 本着先无损、 后破坏的原则， 逐步地探求其根本的失效原因。常 用的检测设备与技术包括 X 射线检测系统、 声学 扫 描 显 微 镜 （SAM）、 基于光束感生的电阻变化 （OBIRCH：Optical Beam Induced Resistance Change） 背面定位技术和扫描电子显微镜 （SEM） 等。 

1.1 X 射线检测系统 

X 射线检测系统包括 2D 和 3D 两种模式， 均 使用透射成像原理， 由于不同的材料对 X 射线的 衰减能力也不同， 其反应出的衬度存在差异 。2D X-ray 展示的是二维平面结构， 可以用来初步 判断 FCBGA 封装集成电路的内部凸点是否正常、 基板电容焊接是否存在移位等问题， 3D X-ray 则 可以选取任意的截面， 从多个角度对器件内部进行 观察， 还可以从特定的截面对器件的内部凸点、 基 板走线等方面展开分析。 

1.2 声学扫描显微镜 

（SAM） SAM 利用超声波在不同的介质之间传播的声 阻也不同， 在内部缺陷或材料变化的地方发生反射 和透射， 从而形成声学扫描图像。其原理示意图如 图 2 所示。

因此， 声学扫描检查包括 2 种模式：C-SAM 和 T-SAM。C-SAM 模式的精度较高， 适用于判断 超声波遇到的第一个检测界面是否分层 ；而TSAM 模式可以检测所有的界面是否存在分层， 但是无法准确地判断分层出现在哪一个界面处。通常两种模式互为补充， 从而能够精准、 无损地判断分 层界面 。 

SAM 可以无损地检查 FCBGA 封装集成电路中 的 underfill 与芯片和基板之间是否分层、 热界面材 料 （TIM：Thermal Interface Material） 胶 粘 接 是 否 存在空洞、 芯片是否存在裂纹、 凸点是否存在异常 等， 是 FCBGA 封装集成电路失效分析中必不可少 的分析手段。

1.3 OBIRCH 背面定位技术 

OBIRCH 的热激光激发定位技术是集成电路失 效分析中必不可少的分析手段， 对于端口之间短路 的失效能够迅速精准地定位到真正的失效点。FCBGA 封装集成电路的芯片均采用倒装的形 式， 因此 OBIRCH 对于该种器件的分析需要采用 背面定位技术。背面定位通常需要对芯片背面进行 抛 光 减 薄 ， 可以采用精密研磨机来实现 。对 于 FCBGA 封装集成电路通常采用机械方法来去除表 面的金属盖和 TIM 胶， 然后抛光减薄即可。利用 OBIRCH 背面定位技术， 对于FCBGA 封 装集成电路芯片内部的晶体管击穿烧毁的失效便可精准地定位。 

1.4 扫描电子显微镜 （SEM） 

当定位到芯片内部的准确失效位置后， 需要将 具体的物理失效形貌展现出来， 由于集成电路的高 集成度， 此时体视显微镜和金相显微镜的放大倍数 已经无法将微观失效形貌完全地展现出来 ， 而 SEM 则可以满足这个需求。 

SEM 的工作原理是利用高能电子束对失效样品被观察区域进行扫描轰击， 从而激发出二次电 子、 背散射电子等信息， 通过对收集到的信息进行 处理、 成像， 则可以获得具体的微观失效形貌 。对 于 FCBGA 封装集成电路中芯片晶体管 烧 毁、 凸点异常等失效形貌， 利用 SEM 可以将其微 观形貌完全地展现出来。 

2 案例分析

FCBGA 封装集成电路在实际的应用中会出现 不同类型的失效模式和失效机理， 接下来通过 4 个 典型案例来分享如何对 FCBGA 器件展开分析， 以 了解其失效机理。

2.1 芯片开裂 

某 型 号FPGA 在 装 机 前、 模块调试阶段失效 了， 外观检查时发现其侧面基板存在明显的翘曲， 如图 3 所示。

电特性测试发现样品多个电源端口对地短路， 开盖前 T-SAM 发现样品芯片区域存在异常的条纹 阴影， 如图 4 所示。采用机械方法去除表面金属盖 和 TIM 胶后， 发现样品芯片背面可见明显的机械 损伤， 存在多处裂纹， 如图 5 所示， 与图 4 声扫结 果中的异常条纹阴影一致。 

再次对芯片区域进行 C -SAM 发 现 芯 片 与 underfill、 underfill 与基板界面均存在条状异常阴 影， 与芯片裂纹的形貌一致， 如图 6 所示。

结合外观和声扫的结果可知， 该案例中的失效 样品由于基板翘曲导致芯片出现机械裂纹损伤， 当 芯片开裂时， 芯片的裂缝和错位会造成电源、 地和 I/O 端口发生短路、 开路等问题， 从而导致器件失效。 

2.2 凸点重熔

对某型号FPGA 回流焊后进行飞针测试， 发现 多个电源对地短路。X 射线检查发现芯片凸点大面 积地熔融， 如图 7 所示。开盖后 T-SAM 可见芯片 中间存在异常的分层形貌， C-SAM 发 现 underfill与基板界面存在分层形貌， 如图 8 所示。采用机械 研磨方法将样品逐层地平面研磨至凸点层， 可见样 品的凸点焊料重熔形貌， 如图 9 所示。

结合 X 射线检查、 SAM 和切片结果可知， 该 案例中失效样品的失效机理为：样品由于 underfill 与基板界面分层， 焊料熔融并填充分层界面导致凸 点桥连， 造成电源端口对地短路失效。 

2.3 凸点开裂

某型号FPGA 装机后进行常温测试时发现电源 电流偏低， 串口无输出， 确认其功能异常。电特性 测试发现多个端口对地开路， 声学扫描检查发现芯 片与 underfill、 underfill 与基板界面均可见明显的 分层， 且分层集中在芯片上侧， SAM 结果如图 10 所示。 

为了检查分层区域的凸点有无异常， 采用固封 和研磨的方法对芯片上侧第一排凸点进行金相切片 观察， 结果发现：第一排凸点横截面可见芯片与 underfill 界 面 的 明 显 分 层， 多个凸点从分层处断 开， 部分凸点的断开界面平滑呈圆弧形， 为热熔形 貌；部分凸点的断开界面不规则， 呈现撕裂形貌，如图 11 所示。

结合电测、 SAM 和切片的结果可知， 该案例 中失效样品的失效机理为：在热应力和机械应力的 作用下， 样品芯片与 underfill 界面分层， 内部凸点 断裂导致端口开路而失效。

2.4 过电应力 

某型号 FPGA 随整机进行振动试验后失效， 具 体表现为 1.8 V 电源对地阻值偏小。外观检查未见 样品存在机械损伤， X 射线检查和 SAM 未见样品 凸点存在明显的异常 ， 电特性测试发现样品 VCCAUX、 VCCINT 对 VSS 的 I-V 特性曲线呈现低 阻 特 性， 如 图 12 所 示， 其他电源端口和 I/O 端 口 对 VSS 的 I-V 特性曲线未见明显的开路或并阻 特性。

为了进行失效定位， 运 用 OBIRCH 背 面 定 位 技 术 ， 利用激光扫描显微镜对样品进行背面观 察 分析。对 VCCAUX 与 VSS 之间施加电压， 可见 电阻异常变化的热点位于芯片有源区， 如图 13a 所 示 。对 VCCINT 与 VSS 之 间 施 加 电 压 （80 mV， 2.21 mA） ， 可见电阻异常变化的热点位于有源 区， 且热点区域附近可见异常的黑色阴影， 如图 13b 所示。芯片表面未见明显的过热、 过电烧毁形 貌， 化学去层后可见有源区晶体管击穿烧毁形貌，烧毁区域与 OBIRCH 定位热点区域一致， 如图 14 所示。

结合电测、 OBIRCH 定位和去层后的 SEM 观 察可知， 样品由于电源端口引入异常电压导致芯片 内部晶体管击穿烧毁而失效。 

3 结束语

本文介绍了 FCBAG 封装集成电路在失效分析 中常用的检测设备与技术， 包括 X 射线检测系统、 SAM、 OBIRCH 背面定位技术和 SEM 等， 并通过 4 个典型案例介绍了如何对 FCBGA 器件展开失效分 析， 具体的失效定位方案总结如表 1 所示。本文为 后续 FCBGA 封装集成电路的失效分析提供了一定 的参考和方向。

编辑：黄飞