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芯片键合断裂失效分析

2022-07-21  浏览量:105

 

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。

 

失效内存芯片外观形貌

图1. #1失效内存芯片外观形貌

 

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。

 

失效内存芯片X-ray检查形貌

图4. #1失效内存芯片X-ray检查形貌

 

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。

 

失效样品超声扫描形貌

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。

 

失效样品键合脱落部位SEM形貌

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。

失效样品切片位置

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。

 

失效样品内存芯片切片形貌

图9. #2失效样品内存芯片切片形貌

 

芯片引脚功能图

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。

 

样品内存芯片切片形貌

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。

 

*** 以上内容均为原创,如需转载,请注明出处 ***

 

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