【正文】 的影響。 隨著集成電路工藝進入深亞微米時代，以金屬銅代替金屬鋁作為晶圓上互連材料的迫切性越來越大。制備完成的樣品可以在光學顯微鏡、電子顯微鏡等下面進行進一步的觀察和分析，以獲取更多的信息。為了使剖面分析能真正反映失效的部位及失效模式，切割的位置和剖面制備的方法都很重要。另外，一些表面分析儀器如 SIMS、 TOF－ SIMS、 AES、 XPS、 FTIR 等在封裝失效分析中也常常用到，由于在前面各章中已作了專門介紹，在這里就不再重復了。透射電子顯微鏡（ TEM）在封裝失效分析中也有使用，但并不普遍。掃描電子顯微鏡（ SEM）也是十分有用的失效分 析工具，它可以用于觀察光學顯微鏡無法清楚反映的問題，并可以把缺陷放大。光學顯微鏡的放大倍數(shù)從低倍、中倍到高倍都很有用，可以用于觀測開封后的封裝模塊芯片表面缺陷，如球焊的浮起，鈍化層開裂等。 顯微鏡：顯微鏡在封裝失效分析中十分有用，許多電路中的特征和缺陷度是通過顯微鏡確定的。 C－ SAM 的初級聲波脈沖頻率在 15到 100兆赫茲，現(xiàn)在，一些用于探測倒扣芯片封裝缺陷的 C－ SAM 的頻率更高達 250兆赫茲以上 。在該種模式中，聚集聲波脈沖穿過封裝模塊，返回的聲波（回聲）用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，這種技術(shù)就是通常所說的 C－ SAM，因為它將七十年代在斯坦福大學發(fā)展起來的掃描聲顯微術(shù)與五十年代起就用于非破壞性測試的 C－掃描檢測深度分布結(jié)合起來，充分發(fā)揮了精確分析和顯示能力。聲波顯微鏡很快被集成電路封裝研究和失效分析實驗室接受是因為它可提供封裝電路內(nèi)部損壞的非破壞性圖像，例如封裝開裂、空洞、分層等。檢測芯片焊盤位移更好的方法是用剖面法，這已是破壞性分析了。在 XY方向，平臺要足夠大，以方便對整條框架帶進行檢測而不用將模塊切割下來，因為引線扭曲是朝著與轉(zhuǎn)移罐同方向或遠離轉(zhuǎn)移罐方向發(fā)展，常常暗示著在封裝材料選擇、封裝設(shè)計、模具設(shè)計和工藝參數(shù)確定中的不足，所以，需要在一次檢測中同時完成一條框架帶上的模塊，而不是 將模塊從框架代上切割下來檢測。 X 射線分析儀都有一個可以三維移動的平臺，并且還可以在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在電路測試中，引線斷裂的結(jié)果是開路，而引線交叉或引線壓在芯片焊盤的邊緣上或芯片的金屬布線上，則表現(xiàn)為短路。 器件失效的分析方法有許多，包括各種價格昂貴的專門設(shè)備，下面，將介紹一些常用的分析設(shè)備。在許多情況下，需要打開包封體以檢測封裝內(nèi)部的缺陷。是否要打開包封體是在進行失效分析時要作的第一個重要的決定，一些非破壞性的分析技術(shù)，如光學顯微鏡、 X射線顯微術(shù)和掃描聲顯微鏡在失效分析中已被廣泛應(yīng)用，因為它們可以觀察器件的外部形貌或可以 穿透 包封體而 看到 封裝內(nèi)部的一些失效情況。無損檢測就是借助于光、電、聲等方法，在不破壞器件結(jié)構(gòu)的條件下，尋找器件失效的原因。所以，要了解器件失效的真正原因，必須有相應(yīng)的分析手段。發(fā)現(xiàn)器件失效后，要找到真正引起失效的原因或機理，并不太容易。 失效機理分析對于理解和改進塑料封裝工藝方面的價值是無法估量的，對失效的器件進行徹底的、正規(guī)的分析，并采取適當?shù)母倪M措施，可以大大提高生產(chǎn)力、成品率和封裝質(zhì)量。另外，特殊的機械失效也會影響器件性能，如雙極型器件中的小信號電流增益和 MOS 器件中的互導主要受較大機械應(yīng)力的影響。引起器件失效的機理有多種，但常與金屬部件的銹蝕聯(lián)系在一起， 造成銹蝕的原因包括機械、熱、電學、輻射、化學（ mechanical、thermal、 electrical、 radiation、 chemical）等誘導因素。 器件失效常常有二種情況，一種是所謂的過載（ overstress），另一種是破損（ wearout）。 在加速試驗進行過程中，通常會在不同的時間里對試驗樣品進行電學性能測試，測試通過的樣品繼續(xù)進行試驗，測試沒有通過的樣品，則要進行失效分析。加速力選擇要與器件可靠性要求緊密關(guān)聯(lián)，否則可能對改進設(shè)計、材料選擇、工藝參數(shù)確定等方面產(chǎn)生誤導作用。加速試驗包括以下步驟：選擇加速力；確定加速力的強度；設(shè)計測試程序，確定單重加速還是多重加速；將測試數(shù)據(jù)外推到實際操作條件。對于使用壽命很長、可靠性很高的產(chǎn)品來講，在 60％的置信度（ confidence level）條件下，以每千小時 ％的失效速率（即 103FIT， failure unit）測試產(chǎn)品，則無失效時間長達 915,000小時，即若器件樣本數(shù)為 915，則要測試 1,000小時才會有一個器件失效；若器件的樣本數(shù)為 92，則要測試 10,000小時才會有一個器件失效，這樣的測試即不經(jīng)濟又費時，因此，必須在加速使用條件下進行測試。加速試驗（ accelerated test）是可靠性測試中的一種，一般選擇一個或幾個可能引起器件失效的加速因子，如潮氣、溫度、溶劑、潤滑劑、沾污、一般的環(huán)境應(yīng)力和剩余應(yīng)力等，模擬器件在實際使用過程中可能遇到的使用環(huán)境。但比較通用的條件是在 125℃ 到 150 ℃ 溫度下，通電電壓在 （一般高出器件工作電壓 20％到 40％）通電測試 24到 48小時。在老化試驗中，電路插在電路板上，加上偏壓，并放置在高溫爐中。老化試驗是對封裝好的電路進行可靠性測試（ reliability test），它的主要 目的是為了檢出早期失效的器件，稱為 infant mortality。 在完成封裝模塊的打碼（ marking）工序后，所有的器件都要 100％進行測試，在完成模塊在 PCB 板上的裝配之后，還要進行整塊板的功能測試。封裝的質(zhì)量低劣是 由于從價格上考慮比從達到高封裝質(zhì)量更多而造成的。 封裝質(zhì)量必須是封裝設(shè)計和制造中壓倒一切的考慮因素?；亓鞴に嚳此坪唵?，其實包含了多個工藝階段：將焊膏（ solder paste）中的溶劑蒸發(fā)掉；激活助焊劑（ flux），并使助焊作用得以發(fā)揮；小心地將要裝配的元器件和 PCB 板進行預熱；讓焊料熔化并潤濕所有的焊接點；以可控的降溫速率將整個裝配系統(tǒng)冷卻到一定的溫度。目前，元器件裝配最普遍的方法是回流焊工藝（ reflow soldering），因為它適合表面貼裝的元器件，同時，也可以用于插孔式器件與表面貼裝器件混合電路的裝配。波峰焊的工藝過程包括上助 焊劑、預熱及將 PCB 板在一個焊料峰（ solder wave）上通過，依靠表面張力和毛細管現(xiàn)象的共同作用將焊料帶到 PCB 板和器件引腳上，形成焊接點。波峰焊主要用在插孔式 PTH 封裝類型器件的裝配，而表面貼裝式 SMT 及混合型器件裝配則大多使用回流焊?？偟膩碇v，在目前的封裝工藝中，越來越多的制造商選擇使用激光打碼技術(shù)，尤其是在高性能產(chǎn)品中。激光印碼的缺點是它的字跡較淡，即，與沒有打碼的背底之間襯度差別不如油墨打碼那樣明顯。激光源常常是 CO2或 Nd:YAG。粗糙表面有助于加強油墨的粘結(jié)性。有時，為了節(jié)省生產(chǎn)時間和操作步驟，在模塊成型之后首先進行打碼，然后將模塊進行后固化，這樣，塑封料和油墨可以同時固化。使用油墨打碼，主要是對模塊表面要求比較高，若模塊表面有沾污現(xiàn)象，油墨 就不易印上去。使用油墨來打碼，工藝過程有點象敲橡皮圖章，因為一般確實是用橡膠來刻制打碼所用的標識。打碼的方法有多種，其中最常用的是印碼（ print）方法。所以，針對封裝模塊越來越薄、框架引腳越來越細的趨勢，需要對框架帶重新設(shè)計，包括材料的選擇、框架帶長度及框架形狀等，以克服這一困難。造成非共面性的原因主要有二個：一是在工藝過程中的不恰當處理，但隨著生產(chǎn)自動化程度的提高，人為因素大大減少，使得這方面的問題幾乎不復存在；另一個原因是由于成型過程中產(chǎn)生的熱收縮應(yīng)力。對于 PTH 裝配要求來講，由于引腳數(shù)較少，引腳又比較粗，基本上沒有問題。所謂的切筋工藝，是指切除框架外引腳之間的堤壩（ dam bar）以及在框架帶上連在一起的地方；所謂的打彎工藝則是將引腳彎成一定的形狀，以適合裝配（ assembly）的需要。并且，鈀層對于芯片粘結(jié)和引線鍵合都適用，可以避免在芯片粘結(jié)和引線鍵合之前必須對芯片焊盤和框架內(nèi)引腳進行選擇性鍍銀（以增加其粘結(jié)性），因為鍍銀時所用的電鍍液中含有氰化物，給安全 生產(chǎn)和廢棄物處理帶來麻煩。鈀層的厚度僅為 76微米（ 3密爾）。而鍍鈀工藝，則可以避免鉛的環(huán)境污染問題。也有用成分為 85Sn/15Pb、 90Sn/10Pb、 95Sn/5Pb 的，有 的日本公司甚至用 98Sn/2Pb 的焊料。焊錫的成分一般是 63Sn/37Pb。電鍍目前都是在流水線式的電鍍槽中進行，包括首先進行清洗，然后在不同濃度的電鍍槽中進行電鍍，最后沖淋、吹干，然后放入烘箱中烘干。溶劑包括N－甲基吡咯烷酮（ NMP）或雙甲基呋喃（ DMF）。用水去飛邊毛刺工藝是利用高壓的水流來沖擊模塊，有時也會將研磨料和高壓水流一起使用。在去飛邊毛刺過程中，介質(zhì)會將框架引腳的表面輕微擦毛，這將有助于焊料和金屬框架的粘連。其中，介質(zhì)和水去飛邊毛刺的方 法用得最多。去飛邊毛刺工序工藝主要有：介質(zhì)去飛邊毛刺 (media deflash)、溶劑去飛邊毛刺 (solvent deflash)、水去飛邊毛刺 (water deflash)。因此，在切筋打彎工序之前，要進行去飛邊毛刺工序（ deflash）。造成溢料或毛刺的原因很復雜，一般認為是與模具設(shè)計、注模條件及塑封料本身有關(guān)。若是塑封料只在模塊外的框架上形成薄薄的一層，面積也很小，通常稱為樹脂溢出（ resin bleed）。目前，也發(fā)展了一些快速固化（ fast cure molding pound）的塑封料，在使用這些材料時，就可以省去后固化工序，提高生產(chǎn)效率。 對于大多數(shù)塑封料來說，在模具中保壓幾分鐘后，模塊的硬度足可以達到允許頂出，但是，聚合物的固化（聚合）并未全部完成。它的技術(shù)和設(shè)備都比較成熟，工藝周期短，成本低，幾乎沒有后整理（ finish）方面的問題，適合于大批量生產(chǎn)。塑封料在模具中快速固化，經(jīng)過一段時間的保壓，使得模塊達到一定的硬度，然后用頂桿頂出模塊，成型過程就完成了。在塑料封裝中使用的典型成型技術(shù)的工藝過程如下：將已貼裝好芯片并完成引線鍵合的框架帶置于模具中，將塑封料的預成型塊在預熱爐中加熱（預熱溫度在 90℃ 到 95℃ 之間），然后放進轉(zhuǎn)移成型機 的轉(zhuǎn)移罐中。所謂的熱固性聚合物是指在低溫時，聚合物是塑性的或流動的，但當將其加熱到一定溫度時，即發(fā)生所謂的交聯(lián)反應(yīng) (crosslinking)，形成剛性固體。 塑料封裝的成型技術(shù)也有許多種，包括轉(zhuǎn)移成型技術(shù)、噴射成型技術(shù)（ inject molding）、預成型技術(shù)（ premolding）等，但最主要的 成型技術(shù)是轉(zhuǎn)移成型技術(shù) (transfer molding) 。所以，引線環(huán)（ loop）從一般的 8至 12密爾（ 200到 300微米）減小到 4至 5密爾（ 100到 125微米），這樣，引線的張力就很大，引線繃得很緊。與熱壓焊相比，熱超聲焊最大的優(yōu)點是將鍵合溫度從 350℃ 降到 250℃ 左右（也有人認為可以用 100℃ 到 150℃ 的條件），這可以大大降低在鋁焊盤上形成 AuAl金屬間化合物的可能性，延長器件壽命，同時降低了電路參數(shù)的漂移。它的優(yōu)點是焊接面積與引線面積相差不大，可以用于微細間距 (fine pitch)的鍵合。超聲焊是所謂的楔焊（ wedge bonding）而不是球焊（ ball bonding），在引線與焊盤連接后，再用夾具或利刃切斷引線（ clamp tear or table tear）。C，時間一般為 40毫秒（通常，加上尋找鍵合位置等程序，鍵合速度是每秒二線）。熱壓焊的溫度在 300176。熱壓焊的條件是二種金屬表面緊緊接觸，控制時間、溫度、壓力，使得二種 金屬發(fā)生連接。這些技術(shù)的優(yōu)點是容易形成球形（所謂的球焊技術(shù)， ball bonding），并且可以防止金線氧化。引線的長度常在 到 3mm (60mil 到 120mil) 之間，而弧圈的高度可比芯片所在平面到 (30mil)。 在塑料封裝中，引線鍵合是主要的互連技術(shù)，盡管現(xiàn)在已發(fā)展了 TAB(tape automated bonding)、 FC(flip chip)等其它互連技術(shù)，但占主導地位的技術(shù)仍然是引線鍵合技術(shù)。聚酰亞胺的固化溫度要更高一些，時間也更長。C， 1小時（也有用 186176。芯片放置不當，會產(chǎn)生一系列問題：如空洞造成高應(yīng)力；環(huán)氧粘結(jié)劑在引腳上造成搭橋現(xiàn)象，引起內(nèi)連接問題；在引線鍵合時造成框架翹曲，使得一邊引線應(yīng)力大，一邊引線應(yīng)力小，而且為了找準芯片位置，還會使引線鍵合的生產(chǎn)力降低，成品率下降。對于大芯片，誤差 25微米（ 1 mil），角誤差 176。常用的聚合物是環(huán)氧 (epoxy)或聚酰亞胺（ polyimide），以 Ag（顆?；虮∑┗?Al2O3 作為填充料（ filler），填充量一般在 75％到 80％之間，其目的是改善粘結(jié)劑的導熱性，因為在塑料封裝中，電路運行過程中產(chǎn)生的絕大部分熱量將通過芯片粘結(jié)劑 ——框架散發(fā)出去。焊盤的尺寸要和芯片大小相匹配，若焊盤尺寸太大，則會導致引線跨度太大，在轉(zhuǎn)移成型過程中會由于流動產(chǎn)生的應(yīng)力而造成引線彎曲及芯片位移現(xiàn)象。硅芯片常常稱為 die，也是由于這個裝配工序（ die 的原意是骰子，即小塊的方形物，劃開后的芯片一般是很小的方形體，很象散落一地的骰子）。劃片機同時配備脈沖激光束、鉆石尖的劃片工具或是包金剛 石的鋸刀。 晶圓減薄后，可以進行劃片 (saw ing or dicing)。如 6英寸晶圓，厚度是 675微米左右，減薄后一般為 150微米。由 于晶圓的尺寸越來越大（從 4英寸、 5英寸、 6英寸，發(fā)展到 8英寸、甚至 12英寸），為了