1. O/S故障从哪里开始一次普通的开路测试不过说说我最近处理的一个案例。一款电源管理芯片在封装完之后的成品测试阶段良率突然掉了两个百分点失效模式清一色是O/S测试不过——具体是某个引脚对相邻引脚的开路测试判FAIL。O/S测试行业里也叫Open/Short Test是所有芯片出厂前都要闯的第一道关它本质上是拿测试机往引脚上灌电流、测电压通过比较引脚与引脚之间、引脚与地之间的保护二极管特性来判断这颗芯片有没有断线、有没有桥接短路。这类故障大多很直白键合线断了的、焊球桥了的、引脚变形碰在一起的打开X-ray一看就水落石出。但这一批不一样我先把常规检查做了一遍结果全是白做。先说说O/S测试的数据。测试机报出来的是Pin 5 OPEN或Pin 5 to Pin 6 SHORT这类结果但真正懂失效分析的人不会拿着这行字就跑去开封。你得先把失效模式钉死。我当时先去了实验室把失效样品上测试台用曲线追踪仪重新测了一遍I-V特性。曲线追踪仪这个东西是FA的基本功它能直接画出两个引脚之间的电压-电流曲线比测试机报个PASS/FAIL直观得多。我测了Pin 5相对地、相对相邻引脚的曲线发现一个很有意思的现象Pin 5跟GND之间的曲线在0.7V附近有一个明显的开启台阶这说明保护二极管还在没有完全断开但Pin 5跟另一个相邻引脚Pin 6之间的曲线却是一条接近断路的水平线——电流几乎为零。这一个细节很关键。如果Pin 5的键合线从焊盘上脱开了那么Pin 5到所有其他引脚的曲线都会是全开路包括到GND的方向也不会有二极管特性。但实测到GND还有二极管曲线说明芯片内部的电路和键合线大概率是好的问题可能出在引线框架的某个拐弯、基岛附近或者更深层的地方。经验告诉我当I-V曲线呈现出这种部分引脚正常、部分引脚异常的组合特别是异常正好落在相邻引脚之间时就要往芯片内部裂的方向去想了——这不是普通的键合线脱落而是Die层面出了问题。那为什么Die Crack会表现为O/S故障这就要说清楚Die Crack和电性能之间的因果关系。芯片的Die表面覆盖着好几层金属布线这些布线靠着二氧化硅之类的介质层绝缘。当Die从内部裂开时裂纹会穿过这些金属层和介质层。如果裂纹把一根金属走线完全扯断表现出来就是开路对应I-V曲线上的断路如果裂纹把两层本该隔离的金属层之间的介质层碾碎、让金属直接搭在一起表现出来就是短路或漏电对应I-V曲线上的软短路或者电阻性漏电。所以O/S这个看起来最基础的测试项恰恰能暴露出Die层面的严重物理损伤。在正式拆解之前我还做了一个小动作把失效样品和良品放在同一片测试板上对照着测了全部引脚的I-V曲线。这一步别嫌麻烦它能帮你排除测试板、插座接触不良这些外部干扰。我见过不止一次工厂那边报过来引脚OPEN结果到了实验室一测芯片根本没问题是测试座里进了异物。所以做FA第一步永远是重现故障。如果故障在实验室里稳定重现、曲线跟测试机报告一致那才真正进入找根因的阶段。2. 无损检测先行的道理为什么X-ray看不出芯片裂没裂确定故障真实存在之后接下来不是拿酸开封而是先做一轮无损检测。很多刚入行的同学急着想看芯片内部长什么样上来就加热硝酸把塑封料腐蚀掉结果往往把裂纹形貌破坏了或者腐蚀液顺着裂纹渗进去把断口污染得没法看。所以我的流程是无损手段能解决的问题绝不上破坏性手段。先做2D X-ray透视。X-ray在失效分析里主要是看金属结构比如键合线有没有塌陷、焊料有没有空洞、引线框架有没有异常。这台设备拍出来的是二维投影图像对于引线框架的断裂、键合线被冲偏这类问题非常有效。但这批样品拍完X-ray我盯着屏幕看了半天键合线排列整齐焊球形状正常基岛没有明显移位引线框架的每个引脚也都该在哪儿在哪儿。换句话说X-ray层面完全看不出问题。这也在意料之中因为Die本身上下表面的金属层很薄在X-ray的二维投影里基本是均匀的灰影一条裂纹如果没有伴随大块材料的错位很难在X-ray图像上形成足够对比度的暗线。更关键的是X-ray能拍出的是密度差异而Die裂纹和周围硅材料都是硅本身密度几乎一样所以从X-ray图像上看裂了和没裂根本分不出来。真正让裂纹现出原形的是超声扫描显微镜也就是CSAM行业里常叫SAT或C-SAM。这个设备的原理是用超声波扫描样品内部在两种材料的分界面上反射回来的声波会因为界面的声阻抗差异而产生不同强度的回波。芯片封装里塑封料和芯片表面、塑封料和引线框架之间的界面正常情况下是紧密贴合的两个不同材料层反射回来的声波有一个固定强度但如果某处发生了裂纹、分层或者空洞那个位置就会出现一个个空气间隙而空气和固体材料之间的声阻抗差异巨大超声反射信号的强度会明显变化在图像上形成一块亮区或暗区。我用的CSAM是反射模式的探头频率选在230MHz附近。频率选多高取决于你要看的目标深度和精度。高频的波长更短分辨率更高但在材料里衰减也更快穿透深度有限低频的穿透力强但分辨率差。像我们当前要看的是芯片表面和第一层金属不是看基岛背面所以230MHz这个档位比较合适。把样品浸在去离子水里做耦合探头在样品表面逐点扫描屏幕上慢慢拼出一幅芯片内部的声学图像。当扫描图像完整显示出来的时候我心里基本有了底。在芯片边角的位置出现了一条清晰的弧形亮带从芯片边缘向内弯进去一直延伸到靠近芯片中心的地方。这条亮带在良品样品同一个位置完全不存在。按CSAM的成像逻辑这代表那个位置超声波回波强度异常几乎可以断定那里存在一个贯通性的界面裂缝——也就是Die Crack。顺便说一句CSAM在判读的时候经常会把芯片表面的钝化层刮伤、甚至残留的沾污误判成裂纹所以一定要拿良品做对照而且最好对失效样品重复扫描两三遍确认这条亮带不是偶然的声学伪像。到这里失效位置已经从某两个引脚之间的O/S异常缩小到了芯片边角存在裂纹。但CSAM给出的还是一个平面图像它只能告诉你裂了不能告诉你裂纹内部到底断了几层金属、有没有把两根走线桥接到一起。要回答这些得进入下一步把芯片从环氧塑封料里解放出来。3. 开封的技术细节既要打开又不能二次损伤开封也就是Decapsulation是失效分析里最考验手上功夫的一步。做得好裂纹原封不动做得毛糙裂纹被腐蚀液扩大或者断口被异物覆盖后面SEM、EDX全都会收到错误信息。我实验室里开封用的是发烟硝酸加温到大概70摄氏度把样品放到酸液里用滴管一点点往芯片表面滴酸。为什么用发烟硝酸而不是硫酸、不是王水因为发烟硝酸对环氧塑封料有快速腐蚀能力同时对铝金属层和二氧化硅介质的腐蚀速度相对较慢能在蚀掉塑封料和保住金属层之间找到一个操作窗口。实际操作时我会先滴一小滴酸在样品表面观察起泡速度如果起泡剧烈说明反应温度对这批塑封料偏高要适当降温如果几乎不起泡说明温度不够要稍微提温。等到表面塑封料变得透明、能看到Die的边缘轮廓时我改用丙酮超声清洗把软化掉的塑封料和残留的酸冲掉如此反复多次直到Die表面完全暴露出来。这里有几个坑提醒大家注意。第一开封过程中绝对不能用强超声清洗尤其在裂纹区域。超声能量会把已经很脆的裂纹边缘震掉让裂纹宽度变大、形貌失真。我通常会用低档超声或直接改成用丙酮喷淋。第二开封之前如果CSAM发现裂纹离表面很近可以考虑先把样品背面磨薄让裂纹区域更靠近表面从而缩短酸蚀时间减少酸液对裂纹的侵入。第三开封后的样品要尽快做电学复测确认开封本身没有改变失效模式。这一步看着多余实际上非常必要因为如果开封把本来短路的两个引脚洗开了说明裂纹处的金属桥接本来就处于临界状态这种信息对后续定量分析很有价值。光镜下的Die表面让我看到了第一处实锤。芯片边缘的钝化层上有一条大约几十微米长的细线跟芯片边缘呈一个很小的夹角延伸进去。这还不是最骇人的——最骇人的是如果稍微调整显微镜的焦距可以隐约看到这条线两侧的金属布线有微小的错位感。这就是Die Crack在硅片表面的出口。平时我们在光镜下看一颗正常芯片表面应该是均匀的钝化层颜色金属走线边缘锐利不可能存在一条横跨数条走线的细缝。出现这种细缝就等于坐实了芯片结构已经被机械应力撕开了。不过光镜只是第一步它能看到裂了但看不到裂断了哪一层。我用光镜大概标记了裂纹的位置和走向然后就把样品送去做SEM和EDX了。4. 扫描电镜与FIB切面把裂纹的每一层都看明白扫描电子显微镜的优势在于高分辨率和超大景深能清楚地看到裂纹在微米尺度上到底长什么样。样品在开封后已经露出发脆的Die表面我先把整个芯片的SEM全貌扫了几张低倍照片确认裂纹的整体走向——它从芯片的某条边出发沿大概35度的角度斜向延伸穿过了至少四五根平行的金属总线。随后转到高倍聚焦在裂纹与某根金属走线相交的位置画面让我又确认了一层信息裂纹不只是一条缝它旁边还有一小片金属层的碎片翘起来显然是被裂纹顶掉的。在SEM模式下我把工作距离调小用背散射电子像又看了一遍因为背散射像的衬度跟原子序数有关能区分铝、二氧化硅、硅本身。图像里金属铝层看起来是亮的氧化层是暗的就在铝层亮线的中间位置能看到一条黑色的不连续带——这说明铝线确实被从中间扯断了。这一段的EDX能谱也验证了这一点断裂处的成分主要是铝和少量氧没有发现氯、硫之类的外部污染元素所以可以初步排除腐蚀或沾污引起的断线应该就是纯机械断裂。但到这里我还缺一个关键证据裂纹到底切穿了哪几层是只在表层金属断开还是连更深层次的金属层里的短路通道都被它接通了这就要靠FIB来切截面了。FIB全称聚焦离子束设备把镓离子束聚焦到纳米级像一把极其锋利的小刀在目标位置一点点挖出一个竖剖面。我瞄准了裂纹和另一条疑似被桥接的走线的交叉点在它旁边沉积了一层铂保护层然后切出一个大约十微米宽的截面。当FIB截面在SEM下放大看的时候整个失效机理就完全清楚了。裂纹从芯片表面的钝化层进入以大约25度的角度向下延伸穿过了第一层金属M1和它底下的层间介质最后停在第二层金属M2的上表面附近。关键的在第三层介质的位置——那里本来是M1和M2之间的一道绝缘墙但裂纹碾过这道墙的时候把二氧化硅介质层压碎了一小块M1的金属碎片直接被压进了M2层里两者之间产生了物理搭接。看到这一幕O/S测试为什么报短路、为什么I-V曲线会出现那条软漏电曲线全部对上了。我还顺便让FIB做了另一个位置的截面切在裂纹延伸到芯片边缘的起点。那个截面显示裂纹在硅片边缘起裂时并没有先穿过任何焊盘或密封环而是从边缘的钝化层直接往下扎。这个起裂点的形貌对后面做根因判断很有帮助。5. 根因推演Die Crack不是芯片自己碎的证据链走到这一步已经完全可以下结论该芯片的O/S故障根因是Die Crack裂纹切断M1金属线并在M1与M2之间形成桥接短路。但作为失效分析报告真正让客户和产线关心的是另一个问题裂纹是怎么来的我对着FIB切面和开封前的照片反复比对最后把焦点落在三个方向上。第一个方向是切割工艺。Die在晶圆上做完之后要沿着划片道切割成单颗切割过程中如果刀片进给速度太快、或者刀片磨损严重会在芯片边缘留下微小的崩边和内部微裂纹。这种切割损伤往往很小小到光刻机复查都看不出来但在封装后续工艺的热应力作用下会不断扩展。我看这颗芯片裂纹的起点就正好在芯片边缘一个不起眼的崩角附近这是一个非常典型的切割损伤起裂特征。第二个方向是封装应力。芯片封装要经过贴片、引线键合、塑封、固化、切筋成型等多道工序每一步都在给芯片施加机械和热应力。塑封料固化和冷却过程有体积收缩如果芯片本身的韧性差或者跟塑封料的热膨胀系数差异太大芯片边缘就会持续受到拉应力。CSAM图上那颗芯片边角的弧形亮带很容易让人联想到塑封料固化收缩应力留下的张裂痕迹。第三个方向是系统级热循环。如果这颗芯片用在电源类产品上工作环境温度会反复变化芯片内部不同材料的热膨胀系数差异会产生周期性应力。一次两次没事次数多了微裂纹就会慢慢疲劳扩张。这种失效模式有个特点就是失效样品的裂纹不会只在某一颗上出现而是会在相同批次、相同位置的芯片上重复出现。综合这些线索我在报告里给出的结论是裂纹大概率起源自晶圆切割工序的边缘微损伤在封装应力和后续温度循环的叠加作用下扩展最终切断M1并在M1/M2之间形成桥接短路导致O/S测试短路。这中间X-ray完全无法看到裂纹CSAM能够定位但无法确定是否桥接开封后光镜加SEM加FIB才最终把机理钉死。整个链条缺一环都不行。顺带说一句在失效分析的实际操作中我强烈建议分析的时候尽量多地准备几颗失效样品至少三颗以上。因为开封、FIB这种破坏性操作每做一步都会有损耗万一第一步操作失误起码还有备份样品可以补救。我这次就是先报废了第一颗样品当时硝酸开封时间没控制好把裂纹处的金属层直接腐蚀没了整颗样品能看但不能用于机理判断最后是拿第二颗样品才把FIB截面做出来。这个教训写在这里给后来人提个醒。从O/S故障的最初报警到最终在FIB下看到M1金属碎片砸进M2层的那一瞬间整个案例其实就讲完了一个道理失效分析不是拿着设备一顿乱扫而是用逻辑把被测现象一层一层剥开每一步都要问自己这个数据说明什么、这个手段能不能回答我当前的问题。Die Crack这个失效模式看起来隐蔽但只要按照O/S异常确认、I-V曲线判断、CSAM定位、开封观察、SEM和FIB确认这个顺序一步步来就没有查不清的裂纹。希望这个案例能给你在做类似分析的时候提供一个可以直接参照的路线图。