LDO 失效分析及改善

胡 敏

（乐山无线电股份有限公司，四川乐山 614000）

1 引言

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[1-7]介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 LDO 产品测试失效问题描述

2.1 LDO 静态电流失效

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。

图1 弹坑

2.2 LDO 静态电流测试原理

LDO 测试静态电流如图2 所示，在Vin施加电压，Vout悬空，测试Vin流入器件的电流为静态电流。

图2 LDO 静态电流测试示意图

3 失效分析

3.1 LDO 芯片结构

IC 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。

ILD 一般是SiO2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Vin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[2-3]均显示了铜线焊接导致ILD 层失效的现象。

图3 LDO 芯片剖面图

3.2 观察ILD 层裂纹

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）。

图4 焊盘ILD 层裂纹

4 分析与讨论

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。

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。

5 确定铜线焊接窗口

5.1 确定铜线焊接参数窗口的主要工具和方法

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。

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。

图5 轮廓仪测量芯片焊盘形貌

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。

3）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。

5.2 铜线焊接参数确定流程

焊线工程师确定铜线焊线参数，一般步骤如下。

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；

2）焊球大小及厚度至少测量3 批次各30 个数据；

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；

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；

5）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；

6）通过弹坑测试3 个批次各50 个数据；

7）通过IMC 检查3 个批次各10 个数据；

8）通过镊子拉线测试50 粒数据；

9）检查弹坑和ILD 层是否破裂。

5.3 观察ILD 层裂纹的方法和步骤

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。

1）用发烟硝酸和浓硫酸去掉塑封料；

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；

3）发烟硝酸在室温下去除铜球；

4）通过光电发射电子显微镜（PEM）或液晶热点检测技术[8]观察失效点；

5）用盐酸去掉铝层；

6）在500 倍以上光学显微镜下观察焊盘；

7）用王水（Aqua Regia，浓盐酸HCl 和浓硝酸HNO3按体积比为3∶1 组成的混合物）去掉金属层；

8）通过SEM 观察裂纹。

6 测试筛选废品

6.1 PAT 测试

PAT 是参数异常测试（Parameter Abnormality 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。

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。

图6 PAT 测试

PAT 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：

1）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。

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。

6.2 加速老化失效

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：

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 ℃。

2）塑封后进行温度循环，温度范围-55～150 ℃，循环50～100 个周期。

7 结论

LDO 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。

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。