芯片键合断裂失效分析

引言

芯片失效主要分为电应力失效、热应力失效和机械应力失效几种失效模式。芯片的断裂与分层属于隐形失效，往往在出厂前难以察觉。在生产、运输过程中受到的应力都可能使芯片内部发生断裂与分层。本文以芯片封装体开裂失效分析为例，详细介绍其分析方法与失效机理。

一、案例背景

内存芯片在PCBA上出现失效，表现为芯片不工作。现对失效PCBA（#1、#2）和正常PCBA（OK）进行失效分析，查找其失效原因。

二、分析过程

1. 外观检查

为确认失效PCBA上内存芯片是否存在异常，去除PCBA上的屏蔽盒，观察内存芯片的外观。

检查结果：

（1）#1失效样品内存芯片正面丝印清晰，内存芯片在解焊准备测试时发现引脚有脱落的现象，脱落的部位残留在PCBA上，内存芯片侧边也发现有明显破损的现象；

（2）#2失效样品、OK样品在拆除屏蔽盒后内存芯片正面外观丝印清晰，未发现明显破损及裂纹。

图1. #1失效内存芯片外观形貌

图2. #2内存芯片外观形貌 图3.OK内存芯片外观形貌

2. X-ray检查

为确认失效内存芯片内部结构是否存在明显异常，对#1、#2失效内存芯片进行X-ray检查；

检查结果显示：#1失效样品解焊下的内存芯片引脚有明显脱落现象，#2失效内存芯片在板X-ray检查未发现明显异常。

图4. #1失效内存芯片X-ray检查形貌

图5. #2失效内存芯片X-ray检查形貌

3. 超声扫描

前面分析可知：#1失效样品内存芯片有键合脱落的现象，推测失效样品内存芯片内部可能存在分层现象，因此为确认#2失效样品内存芯片键合是否存在明显分层现象，对失效内存芯片进行超声扫描。

扫描结果显示：#2失效样品内存芯片键合部位存在分层现象。

图6. #2失效样品超声扫描形貌

4. SEM形貌观察

为确认#1失效样品内存芯片键合脱落的原因，对#1失效样品进行SEM形貌观察。

形貌观察发现：#1失效样品键合脱落部位发现有键合断裂的现象，结合#1失效样品侧面封装有破损，推测#1失效样品键合脱落的原因为内部键合断裂，键合与内部芯片失去连接，而该位置封装也存在破损，因此对该键合失去约束，因此出现了脱落现象。

图7. #1失效样品键合脱落部位SEM形貌

5. 切片分析

前面分析可知：#1失效样品键合脱落的原因为内部键合断裂及封装破损引起的且#2失效样品内存芯片该位置也存在分层现象，为确认#2失效样品是否也存在该现象，对#2失效样品内存芯片进行切片分析，切片位置如图8所示。

图8. #2、#3失效样品切片位置

切片结果显示：#2失效样品内存芯片封装体发现明显裂纹，裂纹经过键合部位，裂纹势必引起键合受力最终导致断裂，这与#1失效样品键合断裂的现象一致；通过对引脚位置的对比发现，键合断裂的引脚都为pin1引脚，而该引脚为芯片选择输入脚，该引脚断裂，必导致芯片不能正常工作，这是芯片失效的原因，如图9所示。

切片结果说明：内存芯片失效原因为封装体有裂纹，裂纹经过键合部位使键合受力断裂，最终导致内存芯片不工作。

图9. #2失效样品内存芯片切片形貌

图10. 芯片引脚功能图

6. 验证分析

根据上文分析可知#1、#2失效样品都因封装开裂导致的内存芯片失效，为确认功能正常样品是否存在封装开裂的现象，对OK样品进行切片分析。

结果显示：OK样品封装有破损，破损位置与失效芯片一致，说明该位置封装出现破损或裂纹为普遍现象，而破损的位置形貌判断，该破损及裂纹为受外力导致的可能性较大。

图11. OK样品内存芯片切片形貌

三、总结分析

本案是关于内存芯片在PCBA上功能失效，通过外观检查、X-ray检查、超声扫描、SEM形貌观察、切片分析、验证分析等测试发现：

（1）外观检查发现#1失效PCBA上内存芯片脱落且侧面有破损的现象，#2失效样品正面丝印清晰，未发现其他异常；X-ray确认了#1失效样品内存芯片键合脱落的现象，#2失效样品在板X-ray检查未发现明显异常；超声扫描发现#2失效样品键合点有分层现象，结合#1失效样品键合脱落，推测内存芯片失效可能与键合不良有关；

（2）通过对#1失效样品键合脱落位置的SEM观察发现，#1失效样品键合丝有断裂现象；而通过对#2样品切片分析发现，键合丝断裂的原因为封装体有裂纹，裂纹经过键合部位使键合受力断裂，最终导致内存芯片不工作；

（3）通过对OK样品的切片发现内存芯片封装体有破损或裂纹为普遍现象，只是存在程度上的差异，从破损及裂纹的形貌上判断应为受应力导致的。

综上所述：内存芯片不工作的原因为内部键合断裂。

四、结论与建议

内存芯片不工作的原因为内部键合断裂，根本原因为内存芯片受应力导致封装体产生裂纹，裂纹经过键合丝部位，对键合丝产生了拉力，最终导致了芯片不工作；从封装体裂纹的位置上判断，产生裂纹或破损的位置为芯片Pin1脚位置，因此判断是该位置受力导致的。

建议：

排查芯片在运输、组装过程中pin1引脚是否承受较大的应力。

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