文章來源：老千和他的朋友們

原文作者：孫千

新一代封裝技術(shù)中出現(xiàn)了嵌入多個芯片的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計。倒裝芯片和銅柱互連、多MEMS-IC系統(tǒng)以及新型傳感器設(shè)計等技術(shù)的出現(xiàn)，都體現(xiàn)了這一演變趨勢。這種技術(shù)進步雖然推動了設(shè)備性能的提升，但也使故障分析工作變得更加具有挑戰(zhàn)性。

現(xiàn)代電子設(shè)備正經(jīng)歷著日益復(fù)雜的三維微型化進程。當(dāng)今的電子產(chǎn)品需要在有限空間內(nèi)集成更多功能，導(dǎo)致新一代封裝技術(shù)中出現(xiàn)了嵌入多個芯片的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計。倒裝芯片和銅柱互連、多MEMS-IC系統(tǒng)以及新型傳感器設(shè)計等技術(shù)的出現(xiàn)，都體現(xiàn)了這一演變趨勢。

這種技術(shù)進步雖然推動了設(shè)備性能的提升，但也使故障分析工作變得更加具有挑戰(zhàn)性，尤其是在前端與后端工藝集成方面的潛在故障模式更加集中。

PFIB技術(shù)簡介

在這一背景下，等離子體聚焦離子束(Plasma FIB，PFIB)技術(shù)作為一種新解決方案應(yīng)運而生。結(jié)合掃描電鏡（SEM），PFIB能夠以最小化破壞性方式深入分析復(fù)雜設(shè)備，特別是在傳統(tǒng)技術(shù)受限的情況下。其核心優(yōu)勢在于能夠調(diào)查那些使用常規(guī)方法難以或無法接觸的興趣點，同時保持設(shè)備大部分結(jié)構(gòu)的完整性。

與傳統(tǒng)的鎵離子束相比，PFIB采用了功率更強大的氙離子束，在30 keV能量條件下可達到2.3 μA的最大電流，這使得其蝕刻速率提高了約50倍。這一技術(shù)突破意味著研究人員能夠一次性定義超過400 μm2的大型特征區(qū)域，而在晶圓對晶圓(W2W)鍵合結(jié)構(gòu)上，甚至已實驗性地達到超過500 μm的深度分析。

常規(guī)Ga+FIB無法勝任的應(yīng)用場景

大體積三維重構(gòu)：>100μm區(qū)域分析需要數(shù)天，常規(guī)FIB需要數(shù)周或無法完成

，芯片封裝完整截面(毫米級)只能用PFIB高效獲取

材料敏感應(yīng)用：半導(dǎo)體器件中Ga會改變電氣特性，造成假象。

時效性研究：批量產(chǎn)品失效分析時效性要求高，PFIB處理速度是關(guān)鍵，大型樣品庫需要高通量分析能力

特殊材料挑戰(zhàn)：高強度陶瓷、復(fù)合材料傳統(tǒng)FIB切割效率極低，多孔材料大視野分析需要PFIB高效率切割

深度分析需求：傳統(tǒng)FIB在>50μm深度切割時效率急劇下降，某些深層缺陷分析必須依賴PFIB。

PFIB技術(shù)的另一顯著優(yōu)勢是能夠避免Ga離子注入和損傷，這極大地提高了分析的成功率。此外，PFIB技術(shù)的強大銑削能力使研究人員能夠直接在封裝和復(fù)雜材料堆疊結(jié)構(gòu)上進行分析，同時也能進行精細的低電流銑削操作。從制備透射電鏡(TEM)薄片到PCB互連編輯，PFIB都展現(xiàn)出了卓越的多功能性。

PFIB技術(shù)在半導(dǎo)體分析中的時間效益評估

標(biāo)準(zhǔn)的失效分析工藝通常需要機械加工后進行離子銑削拋光，這種橫截面結(jié)構(gòu)無法有效表征不同的特定柱結(jié)構(gòu)。而PFIB技術(shù)則可在整個芯片上提供多個分析位點，使研究人員能夠檢查不同區(qū)域中承受不同應(yīng)力的特定銅柱的金屬間層，大大提高了分析效率和準(zhǔn)確性。

案例1：倒裝芯片的PFIB切割

該案例展示了倒裝芯片的PFIB切割過程。分析過程需在X射線圖像上進行預(yù)對準(zhǔn)，以便通過厚度為200 μm的頂部硅芯片在選定結(jié)構(gòu)上進行精確銑削。整個過程分為粗銑削和拋光兩個步驟，相關(guān)銑削時間數(shù)據(jù)已在表1中詳細記錄。與標(biāo)準(zhǔn)工藝相比，PFIB技術(shù)在此類應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著的時間優(yōu)勢。

圖1. 用BSE探測器在10 kV下觀察的銅柱截面。圖1a和b中顯示了倒裝芯片的PFIB切割。

案例2：鍵合線問題分析

在此案例中，研究人員并行調(diào)查了兩個類似的開路故障。初步X射線檢查均顯示焊點側(cè)的導(dǎo)線出現(xiàn)裂紋，這與連續(xù)性故障癥狀相符。

第一個樣本涉及銅線，采用了標(biāo)準(zhǔn)分析程序：首先機械研磨，隨后離子銑削。由于未能直接達到感興趣區(qū)域，還需進行額外的Ga+FIB銑削才能到達裂紋處。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)分析程序：首先機械研磨，隨后離子銑削，再額外的Ga+FIB銑削才能到達裂紋處。

第二個樣本為金線器件，分析過程采用了改進方法。首先對封裝背面涂覆5 nm厚的金層，然后通過兩步完成FIB切割：高電流粗銑削后使用300 nA電流進行最終拋光，有效消除了帷幕效應(yīng)。

圖3. a和b：PFIB銑削聚焦于失效的縫合線。

表1 每種流程的工作時間

通過對比兩種工藝的各步驟持續(xù)時間，可明確量化PFIB技術(shù)帶來的資源節(jié)省。傳統(tǒng)方法需要多個步驟和設(shè)備轉(zhuǎn)換，而PFIB技術(shù)提供了一站式解決方案，顯著減少了總體分析時間。這種效率提升不僅減少了故障分析周期，還能降低分析成本，對于半導(dǎo)體制造企業(yè)具有重要意義。

PFIB在 MEMS器件失效分析中的應(yīng)用

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)作為集微電子與微機械于一體的先進技術(shù)領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于慣性傳感器、微流體系統(tǒng)及眾多電子消費品中。隨著MEMS器件不斷微型化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，其故障分析和特性表征面臨諸多挑戰(zhàn)，需要開發(fā)更為精確和高效的分析方法。

慣性MEMS傳感器通常采用晶圓級鍵合腔體結(jié)構(gòu)，其密封性對器件性能至關(guān)重要。密封不足可導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)故障，嚴(yán)重影響傳感器功能。這些器件常采用金屬材料與傳感器鍵合，而鍵合層的完整性分析成為故障排查的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

MEMS腔體芯片的去封裝分析具有顯著挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)橫截面分析方法往往會產(chǎn)生嚴(yán)重偽影，甚至導(dǎo)致芯片部分完全損壞，成功率難以保證。某些情況下，非破壞性檢測手段（如紅外顯微鏡）無法充分表征缺陷性質(zhì)。而PFIB技術(shù)可實現(xiàn)多重橫截面分析，同時保持腔體內(nèi)機械結(jié)構(gòu)完好（圖4），為進一步分析提供可能。

圖4. 通過晶圓級鍵合腔體芯片鍵合層的多重橫截面（黑色箭頭）（每個切割深度為250μm）

以腔體內(nèi)聚合物薄膜缺陷為例，雖然紅外檢查能確認(rèn)缺陷存在，但化學(xué)表征需要進行MEMS去封裝。采用PFIB技術(shù)，可在缺陷上方的蓋板開設(shè)小窗口進行化學(xué)分析。結(jié)合氣體注入系統(tǒng)(GIS)與XeF2氣體的化學(xué)增強刻蝕，使用100 nA電流時，再沉積效應(yīng)得到有效抑制，蝕刻速率與使用2μA電流相當(dāng)。100×100μm2窗口的總刻蝕時間不足1小時，而傳統(tǒng)鎵離子FIB則需12小時以上，效率差異顯著。

圖5. a：通過硅蓋板的缺陷紅外圖像。b和c：通過100μm厚蓋板刻蝕以在缺陷上方開窗。XeF2增強刻蝕的效果在刻蝕腔周圍可見。

此外，在微流體應(yīng)用，特別是噴墨系統(tǒng)中，往往需要在大型芯片上進行局部橫截面以表征腔室中的微小缺陷。圖6中一個噴嘴出現(xiàn)故障，紅外檢查顯示相應(yīng)腔室中存在一些小缺陷。

傳統(tǒng)機械橫截面需經(jīng)過12小時樹脂填充和4小時拋光才能達到目標(biāo)位置，且成功率不確定。相比之下，PFIB能在45分鐘內(nèi)直接觀察到金屬層中的腐蝕缺陷，大幅提高分析效率。

圖6. a、b和c：在一個有缺陷的腔室內(nèi)可見金屬層的腐蝕（箭頭），使用10 keV的SE檢測器觀察。

MEMS技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，封裝類型多樣。某些MEMS芯片被嵌入或粘附于陶瓷封裝上，難以在不造成嚴(yán)重?fù)p壞的情況下分離。由于基板硬度高，機械橫截面幾乎不可行。此類情況下，PFIB成為觀察鍵合層的理想工具。實例表明，PFIB可達到650μm深度，有效觀察晶圓級鍵合層結(jié)構(gòu)。

因此，在MEMS應(yīng)用領(lǐng)域，投資回報更多地體現(xiàn)在分析能力而非產(chǎn)能上。

圖7. a和b：鍵合層表征，達到650μm深度。

復(fù)雜封裝分析和其他案例

小型系統(tǒng)封裝已成為故障分析領(lǐng)域的日常挑戰(zhàn)。以2×2 LGA封裝中的運動MEMS為例，這類封裝通常將多個芯片集成于同一應(yīng)用板上，導(dǎo)致故障隔離過程必須依賴"封裝編輯"技術(shù)。尤其是在處理串?dāng)_問題時，分析人員需要精確切斷特定導(dǎo)線，以將某些芯片與系統(tǒng)其他部分隔離，從而準(zhǔn)確定位故障源。

對于采用金線或厚銅線的較大封裝，若導(dǎo)線未靠近邊緣或其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)封裝去除技術(shù)通常能提供較高的成功率。實例分析表明，在保持芯片與電路板連接的情況下，可在封裝頂部精確定義操作窗口。如圖8所示，一個4×7 mm2的窗口通過激光消融與化學(xué)去除步驟結(jié)合的方式成功實現(xiàn)，隨后使用拉力測試設(shè)備精確切斷六根導(dǎo)線，完成故障隔離。

圖8. 手動去封裝后的目視檢查（步驟時間約30分鐘）

當(dāng)面對更小型、更傾向于3D配置的封裝時，傳統(tǒng)激光消融技術(shù)風(fēng)險顯著增加。在這種情況下，PFIB技術(shù)展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。通過精細預(yù)對準(zhǔn)與刻蝕步驟，PFIB能夠在封裝內(nèi)部創(chuàng)建精確腔體，實現(xiàn)單根導(dǎo)線的精確切斷。

技術(shù)細節(jié)方面，樹脂厚度約120μm的處理中，通常采用2.3μA的刻蝕電流，并通過實時成像技術(shù)精確控制終點。為改善刻蝕過程中的實時成像質(zhì)量，可在器件表面粘貼導(dǎo)電鋁帶，提高成像對比度。

圖9. a和b：應(yīng)用板上直接刻蝕后的SEM檢查（10 kV的SE檢測器）。c：X射線圖片，圓圈中標(biāo)示了被切斷的導(dǎo)線。

PCB安裝工藝與復(fù)雜封裝的集成有時會導(dǎo)致更具挑戰(zhàn)性的故障隔離步驟。在某些案例中，為測量仍安裝在PCB上的特定器件性能，需要編輯或切斷某些連接。實例研究顯示，可通過PFIB技術(shù)在不使用任何氣體增強的情況下，精確創(chuàng)建350×150×50μm3的溝槽，成功中斷銅線連接，從而將目標(biāo)器件與其他組件隔離，為應(yīng)力影響分析創(chuàng)造條件。

圖10. 刻蝕后的PCB圖像（箭頭所示），其中銅連接被切斷，使用10 kV的SE檢測器觀察。

PFIB技術(shù)不僅能簡化最終應(yīng)用調(diào)查過程，還能顯著加快因脫焊過程而變得復(fù)雜的應(yīng)用調(diào)試。通過精確的封裝編輯與導(dǎo)線切割，分析人員能在不破壞整體封裝結(jié)構(gòu)的前提下，實現(xiàn)特定電路節(jié)點的隔離與測量，為故障根因分析提供關(guān)鍵信息。

PFIB會成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)方法嗎

PFIB技術(shù)目前已成為MEMS失效分析中的關(guān)鍵工具，并迅速向其他器件類型擴展，包括標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體器件。其應(yīng)用范圍正從封裝分析拓展至TEM薄片制備等領(lǐng)域。

在失效分析領(lǐng)域，一個常被討論的問題是：PFIB能否在不久的將來取代傳統(tǒng)離子銑削或Ga+FIB設(shè)備？

通過深入比較可知：對于大面積橫截面分析，傳統(tǒng)離子銑削技術(shù)在速度方面仍具優(yōu)勢，且其質(zhì)量與PFIB相當(dāng)。但FIB技術(shù)提供的實時分析能力賦予其獨特價值，相比標(biāo)準(zhǔn)樣品制備流程，它提供了更高的操作靈活性。

與Ga+FIB相比，PFIB在高電流條件下的優(yōu)勢尤為顯著，不僅能顯著節(jié)省加工時間，在某些特定情況下甚至影響分析的可行性。在相似電流條件下，雖然兩種技術(shù)對大多數(shù)材料的蝕刻速率相近，但束流形狀存在顯著差異。這導(dǎo)致工藝缺陷如窗簾效應(yīng)和材料遮蔽等在表現(xiàn)形式及其對分析結(jié)果的影響方面具有明顯不同。

雖然在某些應(yīng)用場景下，傳統(tǒng)離子銑削和Ga+FIB依然具有各自優(yōu)勢，但PFIB技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Σ蝗莺鲆?。隨著設(shè)備成本的降低和操作便捷性的提升，PFIB將為微電子器件失效分析提供更加高效、精準(zhǔn)的解決方案，推動整個行業(yè)向前發(fā)展。