PMCM器件的失效根因分析

李兴鸿，赵俊萍，赵春荣

（北京微电子技术研究所，北京 100076）

0 引言

常规的单芯片塑封器件工艺已非常成熟，可靠性指标也较高，已广泛地用于多种工业场合。与之相比，塑封多芯片组装（PMCM）器件内含多层布线高密度PCB板，PCB板上有很多芯片[1]。PMCM内的单芯片面积大，且有上千根内部键合丝键合到PCB板上，键合点多，外部管脚也多。各种材料之间的温度系数差异很大[2]。可见其内部节点故障不便观测，测试覆盖率有限，故障分析困难。本文是对某PMCM失效件的分析总结，对推断失效性质有帮助。

1 PMCM器件的质量控制过程

为了便于后续说明，我们先了解PMCM器件的质量控制过程。

在PMCM封装前，要对涉及到的芯片进行单芯片评价，保证单芯片封装器件的可靠性水平达到质量指标。对进行PMCM的芯片，一般还要保证其为已知良品芯片（KGD）[3]。

在PMCM器件封装后，对其功能和参数要进行常温、低温和高温下的三温测试。对内含可编程结构的PMCM，测试前还要先进行配置[4]。

筛选通常包括高温存储、温度循环、电测试、动态和静态老炼、终点电测试等[5]。温度范围一般按工业品范围设定。对内含可编程结构的PMCM，老炼前还要先进行配置。

2 失效模式及分析

2.1 温度变化范围较大就失效

某批PMCM样品，封装后三温测试合格，但在外管脚植球回流后全部失效。即使不植球，在回流炉内模拟回流过程也失效。

失效模式为连接失效（开路）。失效件超声扫描显微观察表现为器件内部有大面积空洞，即有塑封分层。断面观察结果是内部封装材料有大面积分层，键合点脱开，如图1所示。

图1 失效件局部照片（左为超声扫描照片，右为剖面显微照片）

所以器件失效的根本原因是由于塑封封装材料在温度梯度应力作用下发生了分层，分层使键合点拉脱，失效与塑封的材料和工艺有关。

2.2 配置失效

改进封装工艺后的某批PMCM样品，封装后三温测试合格，在经历了筛选中的温度存储和温度循环后，有8%的器件给器件写程序进行配置时无法写入程序。

因不能配置，也就无法在ATE上进行准确的测试。在小电压和小电流下，用探针进行管脚组合间的IV特性测试，发现在小电压下电源地之间已呈电阻特性。经超声显微扫描观察，发现器件内部靠芯片内键合点处有分层空洞，用X射线检查未见缺陷。将内部芯片逐个开封后，发现只有一个芯片的电源、地金属布线上有几处腐蚀得无金属了，其他芯片表面正常，但有的内压点脱落。暂定为失效原因是过电应力烧毁，这将在第3章再进行详细的讨论。

由于芯片是好芯片，器件封装后三温测试合格，配置过程无误，众芯片中只有一个芯片烧毁，失效比例较大，排除误操作的可能性。而内部有分层空洞，就有可能使内部键合点脱焊。脱焊意味着芯片的某些输入会悬空。在管脚悬空状态下，由于芯片设计时采用的是电特性对称设计，加电时，此管脚的电位通过寄生结构（如ESD保护网络）的漏电流进行充电，很快会达到CMOS的转折电压，从而使相关结构产生较大的导通电流，进而激发闩锁效应而使芯片烧毁，至芯片的电源地烧断（或呈高阻）为止。因此，器件失效的根本原因仍然是塑封分层，也就是封装问题，封装材料在温度循环应力下发生了分层，使键合点拉脱。

2.3 器件温度性能不稳

再进一步地改进PMCM工艺后，器件三温测试合格，存储和温循后三温测试也合格，但在老炼后三温测试共出现了14%的失效。具体的情况为：常温测试合格，低温测试都失效，高温测试失效少，再回到常温仍然都合格。有的样品在报错前功能已测完，都是正确的，在测第1个参数时出错，有的样品是在测第1个功能时就报错。

由于芯片在封装后的三温测试中都是正常的，并且每个芯片都是KGD芯片，如果是芯片问题，则这么多器件回到常温后还合格的可能性不大。从我们分析过的很多陶封器件来看，高低温有问题回到常温还正常的很少。从测试情况来看，即使芯片有问题，但也是光学非可见缺陷。因此，重点仍然放在与封装相关的分析上。

对样品进行超声显微扫描分析，发现器件内部一个芯片靠内键合点处有明显的分层空洞。塑封开封后发现一些键合点已脱开。根据芯片表面其他金属及键合点上未键合的金属还算完整，以及超声扫描的结果进行综合的判断，键合点脱离不是塑封开封钻蚀引起，而是原先就有，也将在第3章讨论此问题。

塑封封装时，塑封材料覆盖后芯片、键合丝、基板就成为了整体[6]，即使虚接也固定了，若无分层，就不会影响三温性能。

因此，只要存在键合点分开的现象，器件失效的根本原因仍然是塑封分层，也就是封装问题。在温度应力作用下，如果虚接的部位接触上了，则测试结果正常；如果虚接的部位脱开，则测试报错。从材料的热障冷缩来考虑，各部分冷缩时趋于向各部位的中心聚拢，导致在低温下容易脱离接触，所以容易出现低温下失效多，常温下恢复，高温下失效少的现象。

对于这类温度变化敏感的器件，能恢复是暂时的。我们再进行少量的高低温温度循环后则在常温下也永久失效。再次证明失效是由于塑封材料和工艺造成。

3 塑封开封效果辨析

用酸法开封来判断键合点的拉脱情况容易出现误判。原因是强氧化性酸对铝虽有较好的钝化作用，但仍对铝有一定的腐蚀作用，对铜有较强的腐蚀作用，实际操作时很难精准地控制，判断是钻蚀脱落还是分层脱落很困难。我们从以下几方面来辅助判断。

首先，要保证酸的浓度和开封工艺条件正常。实践中可以根据开封其他塑封电路的效果来判断。在塑封开封后只要其他芯片表面正常，内键合点表面的金属有金属光泽，几乎无钻蚀现象，键合拉力试验合格，则说明试剂浓度和其他参数正常。

其次，在用同样的试剂和程序情况下，如果样品在塑封酸开封时局部位置出现腐蚀，大部分位置保持完好，则说明此芯片的局部暴露在强酸下的时间长而遭腐蚀。过长时间暴露的原因有：

a）芯片比其他芯片略厚。导致在同样的包封条件下，其上的塑封材料比其他芯片薄。在同样的开封条件下，芯片表面暴露在强酸下的时间就会长些，容易导致钻蚀。这种钻蚀主要发生在键合点上。

b）有些位置先有损伤。过电应力会使芯片表面出现熔融材料堆积，使钝化层及其上的塑封材料产生裂纹。塑封分层会使局部产生拉脱空洞。开封时这些位置容易先进入酸，故金属暴露在强酸下的时间相对长，金属容易腐蚀掉。暴露的铜金属布线更容易被腐蚀。

键合点极易腐蚀的芯片还可能是铜布线或掺铜较多的布线。PCB板上的键合点镀金层下的铜会侧向腐蚀，未被镀金层覆盖的铜布线更易被腐蚀，结果会使金丝连带焊盘镀金层翘起，导致很难区分是否由分层造成，如图2所示。如果腐蚀时间控制得好，只有少量的键合点翘起，则可判断是先有分层拉脱。

键合点周围或无键合点的空键合点表面有金属光泽，则也可以排除过腐蚀因素；若有内键合点脱落，则应是先用分层拉脱，如图3所示。

图2 铜布线上的键合点翘起

图3 内键合点拉脱翘起

是否先有损伤要根据ATE的测试结果、其他电性测试结果，以及超声扫描观察结果来判断，用塑封开封结果来佐证。对于PMCM塑封分层，X射线检查几乎无效。也就是塑封开封后不能保证能看到原始形态，要结合其他试验来适当地推断原始形态。

在对PMCM失效分析样品进行开封判断是否有键合点脱落时，如要直观地判断，则最好采用对金属无腐蚀的方法，比如要尽量地用新鲜的强氧化剂，及时，合理地清洗干燥；但最好用激光或等离子干法开封，能最大限度地保持原貌。断面制作当然也是较为直观的判断分层的方法，但反复定位研磨观察和寻找脱焊点也是很麻烦的，特别是对常温测试合格的器件。

普通的塑封器件做破坏性物理分析（DPA）时，由于器件是好的，很适合用酸法开封。

4 结论

从以上分析可以看出，器件的开路、烧毁和温度性能不稳等失效模式，初看与封装工艺没有关系，但经分析后发现最根本的原因只有一个，就是塑封分层。塑封分层使其包裹的键合丝出现了开路或似连非连的状态，这样在后续的加电试验中就有可能出现上述失效模式。

产生PMCM温度性能不稳定问题的原因比较复杂。即使封装厂采用与普通塑封相同的材料和工艺，但是，由于PMCM的芯片多，芯片面积大，内部高密度多层PCB板的面积大，整个器件的面积大，温度梯度造成的应力也就很大。这些因素是客观存在的，用塑封方式很难彻底地解决此问题，只能逐步地优化材料、结构和工艺，以达到规定的可靠性水平。

另外的替代方法是可以用陶封（CMCM）代替塑封。但陶封成本高、重量大和体积大，机械应力的耐受力有限，要综合地评价。

在失效分析中，酸法开封不一定能看到原始形态。对于塑封分层，可用超声扫描仪进行显微的观察，也可以用剖面制作的方法来观察，还可以用干法开封来观察。

[1]（美）QUIRK M，SERDA J.半导体制造技术 [M].韩郑生，译.北京：电子工业出版社，2004.

[2]李兴鸿，赵俊萍，赵春荣.集成电路三温测试数据在失效分析中的应用 [J].电子产品可靠性与环境试验，2013，31（5）： 1-5.

[3]（美）LICARI J J，（美）ENLOW L R.混合微电路技术手册：材料、工艺、设计、试验和生产 [M].第二版.朱瑞廉，译.北京：电子工业出版社，2004.

[4] 《现代集成电路测试技术》编写组.现代集成电路测试技术 [M].北京：化学工业出版社，2005.

[5]GJB 2438A-2002，混合集成电路通用规范 [S].

[6]盖红星，王静，王宝友.多芯片组件（MCM）技术 [J].信息技术与标准化，2008（5）：26-29.