一种用于三维BGA倒封焊IC焊点失效的分析方法

摘要

本发明公开了一种用于三维BGA倒封焊IC焊点失效的分析方法，该方法针对大规模集成电路，提供了通用性强的焊点失效分析方法，该方法依次对外焊点、内焊点、电路进行检查，寻找缺陷，进而通过内部焊点的能谱分析得到内部焊点的成分，最终得到内部焊点发生缺陷的原因，本发明的可靠性较高、稳定性较强，对于大规模集成电路的失效分析具有明确的指导意义，采用该步骤进行分析的大规模集成电路，可以严格排除因为焊点问题造成的失效。极大提升大规模集成电路的定位准确性。同时，可以增加到大规模集成电路失效分析的分析流程中，具有极高的研究价值。

说明书

【技术领域】

本发明属于半导体器件可靠性领域，具体涉及一种用于三维BGA倒封焊IC焊点失效的分析方法。

【背景技术】

随着数字化发展，大规模集成电路逐渐成为失效分析的主流标的，其中一半以上大规模IC均采用BGA倒封焊封装结构。由于结构复杂的原因，该类电路因为焊点问题所产生的异常开路、短路、功能失效等失效模式难以测试和分析。

长期以来，对于大规模集成电路的开封都是采用化学开封，开封后其焊点往往溶于酸液，导致无法分析焊点与印制板之间的接触问题，以及焊点本身存在的工艺等问题。进而使部分因焊点原因而失效的问题被归结于芯片缺陷问题，造成误判，由于芯片缺陷问题本身无法精确定位，这种误判更加难以发现，从而在后期的应用中屡次发生，这都是由于定位不准确引起。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于三维BGA倒封焊IC焊点失效的分析方法，该方法通过多个步骤分析，解决了难以判断出因内部焊点失效，导致芯片失效的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

1.一种用于三维BGA倒封焊IC焊点失效的分析方法，包括以下步骤：

步骤1，对集成电路的外焊点进行外观检查，判断外焊点是否存在缺陷，若存在缺陷，对缺陷进行处理后进行步骤2，若不存在缺陷，直接进行步骤2；所述集成电路通过BGA倒封焊进行封装；

步骤2，对集成电路的内焊点进行X光检查，判断内焊点是否存在缺陷，若内焊点存在缺陷，记录存在缺陷的位置后进行步骤3，若不存在缺陷，直接进行步骤3；

步骤3，对集成电路的电路进行超声扫描及透射检查，判断电路是否存在缺陷；

步骤4，对集成电路的外焊点进行I-V特性测试，判断端口是否存在异常开路、短路或漏电；若存在上述缺陷，进行步骤5，若不存在上述缺陷，进行功能测试后进行步骤5；

步骤5，对集成电路的电路进行制样，得到制样后的集成电路；

步骤6，对制样后的集成电路进行研磨，研磨后露出内部焊点；

步骤7，观察集成电路中所有的内部焊点，找到存在缺陷的内部焊点；

步骤8，通过能谱分析，确定缺陷的内部焊点的组成成分；

步骤9，根据成分分析结果，确定有缺陷的内部焊点的熔融温度，进而确定内部焊点发生缺陷的类型及原因；

所述集成电路通过BGA倒封焊进行封装。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，所述外焊点的缺陷包括裂纹、沾污、焊点缺失和焊点间粘连。

优选的，步骤1中，当外焊点被沾污时，去掉沾污；当外焊点的焊点间粘连时，去除粘连。

优选的，步骤2中，内焊点的缺陷包括内焊点间的粘连、内焊点的缺失，以及某一个内焊点的颜色浅于其他内焊点。

优选的，步骤3中，电路存在的缺陷包括开裂和分层。

优选的，步骤4中，I-V特性测试为判断端口对地端和端口对电源端的I-V特性。

优选的，步骤4中，若端口未存在异常开路、短路或漏电，则继续对电路进行电参数和功能测试。

优选的，步骤5中，制样过程为通过树脂包裹芯片，制样时，外部焊点向下。

优选的，步骤9中，所述内部焊点的缺陷类型包括缺失和熔融，发生缺陷的原因包括焊接温度高以及组分配比错误。

优选的，步骤9结束后，还包括以下步骤：

步骤10，对试验结果进行机理分析；

步骤11，检查芯片表面。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种用于三维BGA倒封焊IC焊点失效的分析方法，该方法针对大规模集成电路，提供了通用性强的焊点失效分析方法，该方法依次对外焊点、内焊点、电路进行检查，寻找缺陷，进而通过内部焊点的能谱分析得到内部焊点的成分，最终得到内部焊点发生缺陷的原因，本发明的可靠性较高、稳定性较强，对于大规模集成电路的失效分析具有明确的指导意义，采用该步骤进行分析的大规模集成电路，可以严格排除因为焊点问题造成的失效。极大提升大规模集成电路的定位准确性。同时，可以增加到大规模集成电路失效分析的分析流程中，具有极高的研究价值。

进一步的，当外焊点存在缺陷时，需要对外焊点进行处理，便于进行下面的步骤，防止当在后续的I-V特性测试时，因为外焊点存在缺陷对I-V特性测试造成影响。

进一步的，初步判断内焊点的缺陷，为步骤7中找出内部焊点的缺陷提供初步的支持。

进一步的，对电路进行缺陷分析，以排除外部缺陷导致的短路影响到对内焊点的判断，进而发生错判

进一步的，对端口进行I-V特性分析，以定位哪些内焊点之间存在异常短路现象，如果短路的端口之间没有外焊点粘连等缺陷，则可以判定为内焊点短路。

进一步的，若端口未存在异常及缺陷，对电路进行功能测试，更为精准的为电路进行测试，找出潜在的缺陷。

进一步的，制样过程中外部焊点向下，便于后续的研磨步骤。

进一步的，在确定导致缺陷的原因后，进行机理分析，为后续制作过程中避免此类缺陷的出现做准备。

【附图说明】

图1为实施例的BGA封装外部焊点形貌图；

图2为实施例的电路整体X光形貌图；

图3是实施例的内焊点X光形貌图；

图4是实施例的电路超声扫描形貌图；

图5是图4放大后的扫描形貌图；

图6是实施例的内焊点全貌图；

图7是实施例的内焊点局部放大形貌图；

图8是实施例的内部粘连形貌图；

图9是实施例的内部异常粘连形貌图；

图10是实施例有缺陷的内焊点成份部位扫描电镜图；

图11是本发明的流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种用于三维BGA倒封焊IC焊点失效的分析方法，本发明所适用的电路为三维BGA倒封焊型集成电路，外在失效模式表现为开路短路或者功能失效的电路。

本发明提供的适用于采用三维BGA封装的大规模集成电路的焊点失效分析方法，参见图11，包括如下过程：

1.进行严格的外焊点外观检查，包括如下细节：

(1).外焊点间管壳是否存在微小裂纹以及沾污等因素，如有沾污，去掉沾污；如存在裂纹，但电路I-V特性不存在开路现象，则不予处理，进行下一步。如果有开路现象，则也进行下一步，如果后期未发现内部焊点空缺，则判定裂纹是导致开路的原因。

(2).外焊点是否存在缺失或焊点间粘连；若有粘连，去除粘连。

2.对内部BGA焊点(以下简称内焊点)进行X光检查，主要检查项目如下：

(1).内焊点间是否存在淌锡所致的粘连现象。

(2).内焊点是否存在缺失。

(3).内焊点是否存在颜色明显较其余焊点偏浅的现象(焊点尺寸不够)。

该步骤为初步确定内焊点缺陷的步骤，为辅助步骤。

3.对电路进行超声扫描及透射检查，主要检查项目如下：

(1).电路是否存在外部观察不到的开裂现象；

(2).电路是否存在明显的分层现象。

该步骤的开裂和分层对应的下面I-V特性测试的开路现象，如果有开裂或分层现象，且下一步特性测试中测试出存在开路情况，则开路情况有可能是电路的开裂或分层造成的，但依旧不能排除是后续的内焊点造成的，如果下步特性测试中存在开路情况，但本步骤中不存在开裂和分层现象，说明芯片中存在内焊点。

4.对外焊点进行I-V特性测试，具体测试方法为：

(1).所有端口对地端(GND)的I-V特性，是否存在异常开路，短路或漏电现象。

(2).所有端口对电源端(VCC)的I-V特性，是否存在异常开路，短路或漏电现象。

若端口不存在上述缺陷，且当端口外焊点未遭到明显破坏时，对电路进行电参数与功能测试，进行辅助分析，进一步核实是否存在上述缺陷；若端口存在上述缺陷，则进行下述步骤5，不再进行功能测试。

5.对电路进行制样，通过树脂把芯片包裹起来，用于下一步的淹没制样时外部焊点朝下，便于研磨。

6.对电路进行研磨，研磨时逐步将外焊点，PCB板研磨掉，露出内部焊点。

7.对内部焊点通过立体和金像显微镜进行观察，重点观察X光或声扫过程中出现异常的部位，是否存在焊点的缺失，焊点之间的粘连，焊点形态是否正常等因素。

8.对存在缺陷的内焊点进行能谱成份分析，分析存在缺陷的内焊点成份。

9.根据成份分析结果，推算出内焊点熔融温度。进而判断焊点发生缺失或熔融，是由于外部焊接温度过高造成，还是由于内焊点工艺不精确(内焊点制造的工艺组分配比精度不够)，造成比例不当，进而耐高温不合格所致。

10.根据试验结果进行机理分析。

11.如有必要，继续进行芯片表面检查。

实施例

电路采用典型BGA倒封焊加印制板封装。其外观形貌见图1所示。

1.外观检查

参见图1，对BGA进行外观检查，外部焊点分布均匀，形态正常，未见外部焊点存在粘连及沾污等异常现象。

2.X光检查

对其焊点进行X光检查，发现印制板部分不存在异常，内部焊点存在大小不均等变形现象。见图2和图3所示。

3.超声扫描

对该电路进行超声透射扫描，未见内部基板存在分层现象。电路未见存在微小裂纹，具体形貌见图4和图5所示。

4.I-V特性测试

在370A型晶体管特性曲线图示仪上对这只电路各个引出端进行I-V特性测试，发现电源-地之间接近短路，电阻为0.7欧姆。

由于电路电源与地之间已经短路，功能测试已经失去意义，因此不再进行功能测试。

6.电路制样

使用环氧树脂对电路进行制样，外焊点向下。

7.电路研磨

对电路进行研磨，边研磨边在显微镜下观察，直到内焊点露出。

8.内部焊点检查

焊点露出时，未见存在异常，在逐步深入研磨的过程中，发现内焊点出现明显粘连现象。初步判断为内焊点熔融造成，如图6、图7、图8和图9所示。

9.能谱成份

对焊点进行能谱成份分析，分析内焊点成份，发现焊球为铅锡焊料，见图10及表1所示。其中，焊料成份中铅：锡约为3：1。

表1内焊点成份表

10.成份分析计算

根据焊料成份比例，可以推算出内焊点熔融温度为220摄氏度。使用者在使用该电路时，采用回流焊，峰值温度达到了240摄氏度，因此可以初步判断，由于焊接温度过高，造成了电路失效。

11.失效机理分析。

该电路为短路失效。

该电路底部印制板上的焊球未见连锡、沾污等异常、通过X光对印制板部分进行检查，结果未见异常。故初步排除短路部位位于印制板内部的可能；通过X光对芯片下方焊点进行检查，发现部分焊点有变形现象。

对芯片表面进行超声扫描检查，未发现存在分层现象。对电路制样研磨后，对芯片表面焊球进行检查，发现芯片下方有若干处存在连锡现象。

芯片下方焊点为柱状焊料，装配时倒扣在基板上，经过高温过程，键合点焊料融化，使芯片和基板形成软钎焊连接结构，然后通过工艺填充形成焊接键合区、键合点的保护和加强结构；

经成份分析，其焊料为铅锡焊料，该种焊料熔点为200摄氏度以上，如果焊接温度高于该度时，焊料熔化在空腔或分层内溢出，造成键合点之间短路和焊料溢出后键合区焊料不足开路，以及焊料不足再凝固后填充料空洞等现象；

根据研磨后发现的内焊点连锡现象，结合电路在焊接后出现内部电源短路的原始失效现象情况分析，该只BGA封装型电路的失效是由于电路焊接时温度超过内部铅锡焊料温度，内部焊料熔融，造成电路失效。

结合该只电路原始失效情况(焊接后失效)，该电路为外部焊接温度过高，导致芯片内部焊料熔融，进而使电源-地之间短路而失效。

本发明属于半导体器件可靠性领域，涉及复杂半导体集成电路的失效分析问题，特别是适用于采用三维BGA封装的大规模集成电路的焊点失效分析问题，可用于对该类电子器件进行精准分析定位，从而对其生产工艺或应用提供重要参考。该方法可行性较高，解决了部分三维BGA封装电路难以进行失效分析的问题，且兼顾了实施的简便性及准确性，是失效分析方法的一种突破性进展。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。