29-05
2019

Применение метода декорпусирования безгалогенной, индуцированной микроволновым излучением плазмой для сохранения доказательств отказа ИС

Для точного определения первопричины отказов устройств, содержащих интегральные схемы, необходимо сохранить доказательства отказа, полученные во время анализа. Выявление причины системных дефектов требует сбора материальных доказательств, представленных единичными случаями возврата изделий заказчиками. Любые материальные доказательства очень важны из-за крайне малого количества возвратов (в большинстве случаев возвращают менее 1 изделия из миллиона). В связи с малым количеством собранных материальных доказательств, во время процесса декорпусирования неисправного изделия, необходимо обеспечить максимально высокую вероятность сохранения причинно-следственных показателей, вызвавших дефект. Метод анализа, сохраняющий критически важные доказательства, является самым быстрым способом обнаружения дефекта, вызванного системной ошибкой устройства. Данный метод позволяет собрать доказательства гораздо быстрее.

Доказано, что декорпусирование безгалогенной, индуцированной микроволновым излучением плазмой (ориг. «microwave induced plasma», аббр. MIP) позволяет довольно быстро выполнить процесс пробоподготовки и при этом сохранить доказательства наличия дефекта, которые были бы уничтожены при использовании классических методов декорпусирования.

В настоящей статье представлены два практических примера применения декорпусирования микроволновой плазмой (MIP) в целях изучения первопричин отказа устройств. Этот относительно новый метод декорпусирования позволяет сохранить доказательства отказа, включая изменения структуры поверхности металла и кристалла, а также наличие загрязнений контактной площадки или побочных продуктов механизмов отказа.

Существует множество методов пробоподготовки и технологий анализа отказов, которые хорошо зарекомендовали себя в области определения отказов корпусированных устройств. Методы неразрушающего анализа, включая 2D и 3D рентгеновский контроль, сканирующую акустическую микроскопию и динамическую рефлектометрию, помогают определить место отказа, однако для определения первопричины отказа часто необходимо выполнить дальнейшую пробоподготовку, очистив место отказа. Механическое поперечное разделение, разделение сфокусированным ионным лучом, удаление материала посредством трансмиссивной электронной микроскопии, многоступенчатая шлифовка, кислотное декорпусирование и декорпусирование плазмой – несколько простых методов пробоподготовки использующихся для выявления области отказа устройства для его дальнейшего анализа.

В случаях, когда одной из первопричин отказа является наличие мельчайших следов загрязнения на поверхности внутри корпуса, многие из вышеперечисленных методов пробоподготовки не подойдут для определения причины отказа. Например, полученных при использовании методов механического разделения образцов может быть недостаточно для проведения химического анализа. Другим ограничением метода механического разделения является то, что частицы загрязняющего вещества и остатки проводников очень маленького размера могут отсутствовать в плоскости поперечного сечения.

Классические методы декорпусирования часто слишком агрессивны и не позволяют сохранить доказательства отказа устройства. Метод кислотного декорпусирования может привести к появлению коррозии медных и серебряных проволочных проводников, а также медных структур устройства. Кроме того, при использовании данного метода удаляются первоначальные загрязнения и другие доказательства отказа, такие как продукты коррозии или металлические волокна. При декорпусировании галогеннированной плазмой в качестве исходных реагентов используются тетрафторид углерода (CF4) и кислород (O2). Несмотря на то, что атомы фтора, участвующие в данном процессе, позволяют удалить кремниевую составляющую из формовочного (герметизирующего) компаунда, они также вступают в реакцию со слоями защитного покрытия микрочипа, что ведет к нежелательному повреждению поверхности кристалла. К другим нежелательным эффектам можно отнести попадание галогенных загрязнений в структуру образца и вытравливание изначальных областей отказа, которые находятся в защитном слое на поверхности металла.

В опубликованных ранее материалах было доказано, что декорпусирование безгалогенной индуцированной микроволновым излучением плазмой (MIP) имеет большое преимущество над классическими методами декорпусирования упомянутыми ранее. В этой статье мы рассмотрим два примера использования системы MIP для определения позиции области отказа и проведения точного анализа для определения первопричины отказа.

Процесс декорпусирования безгалогенной индуцированной микроволновым излучением плазмой (MIP) 

Для декорпусирования использовалась полностью автоматическая система декорпусирования индуцированной микроволновым излучением плазмой (MIP) работающая при атмосферном давлении, производимая фирмой JIACO-Instruments. На рисунке 1 (Ris1.tif) показана схема системы MIP

Декорпусирование проводится при атмосферном давлении с применением индуцированной микроволновым излучением плазмы и газов Ar/O2, при этом Ar выступает в качестве газа-носителя плазмы, а O2 – активного газа. На рисунке 2 (Ris2.tif) показана последовательность процессов декорпусирования с применением системы MIP. Радикалы кислорода высокой плотности, содержащиеся в выходящем луче индуцированной микроволновым излучением плазмы (MIP), перемещаются по поверхности устройства, частично удаляя эпоксидные смолы из компаунда. После кислородного травления MIP частицы SiO2, содержащиеся в компаунде, выводятся на поверхность в виде белого агломератного слоя. Затем, чтобы можно было продолжить травление открывшегося слоя компаунда, устройство проходит ультразвуковую очистку в деионизированной воде, во время которой выборочно удаляется слой SiO2. Путем повторения процессов кислородного травления MIP и ультразвуковой очистки эпоксидные смолы выборочно слой за слоем удаляют компаунд до тех пор, пока функциональные компоненты и места первичного отказа в корпусе не будут полностью открыты.

Данное оценочное исследование было проведено для сравнения производительности двух комплектов материалов для выбранного устройства. Данное BOAC устройство (устройство, в котором монтаж проводников выполнен на активных областях кристалла) на боковых стенках имеет металлические структуры, экспонированные медью (Cu). Коррозионные компоненты в некоторых материалах могут вступать в реакцию с экспонированными медью стенками. Для того чтобы узнать, окажет ли изменение в комплекте материалов влияние на коррозию медных боковых стенок, в данное исследование были включены испытания в автоклаве.

После выдержки в автоклаве в течение 96 и 168 часов все устройства прошли электрические испытания. Для проверки периферии устройства необходимо провести инспекцию проб из каждой группы на предмет коррозии медных стенок BOAC устройств.

Лучшим методом для проверки всех структур BOAC устройств и для доказательства наличия коррозии на медных боковых стенках признано декорпусирование. Стандартный метод кислотного декорпусирования в данном случае не подходит, так как кислота обязательно приведет к коррозии медных боковых стенок и уничтожит любые следы, доказывающие миграцию частиц меди вследствие коррозии. Поэтому в качестве методики анализа отказов было выбрано декорпусирование безгалогенной, индуцированной микроволновым излучением плазмой (MIP).

Часть образцов из каждой группы материалов (А и В) выдерживалась в автоклаве 96 часов, а другая часть образцов выдерживалась в течение 168 часов. Для декорпусирования было выбрано по 4 образца из каждой группы для каждого времени выдержки в автоклаве (всего 16 образцов). Один из 16 образцов (группа В, выдержка 96 часов) имел признаки коррозии. На рисунке 3 (Ris3.tif) показано оптическое изображение (вид сверху) структуры BOAC с обесцвечиванием линии монтажа на активных областях кристалла и некоторым приростом материала на этой линии, вдоль кристалла между этой линией монтажа BOAC и примыкающей к ней линией. На рисунке 4 (Ris4.tif) показано изображение той же области, сделанное под наклоном при помощи сканирующей электронной микроскопии, на этом изображении ясно видно полость в медной стенке прилегающей линии монтажа. Это ясно показывает, что произошла коррозия медной боковой стенки и миграция частиц меди, которые затем осели с одной линии BOAC на другую линию.

Кислотное декорпусирование устройств, в которых монтаж медных проводников выполнен на никель-паладиевых контактных площадках с напыленным покрытием, не позволяет сохранить важные детали, необходимые для понимания причины отказа. Азотная кислота вытравит все металлы, упомянутые выше. Растворенные металлы оставят обширные места коррозии на сохранившихся никель-паладиевых площадках. Такая коррозия и вытравливание контактной площадки делают невозможным определить, подвергалась ли контактная площадка коррозии во время использования или финального тестирования. На рисунке 5 (Ris5.tif) показан пример кислотного декорпусирования устройства, прошедшего финальное тестирование, в данном случае декорпусирование было выполнено для определения возможности влияния коррозии на изменение характеристик транзистора аналоговой схемы. Учитывая коррозию, видимую на рисунке 5, было бы разумно сделать вывод, что коррозия контактных площадок увеличивает сопротивление схемы и приводит к существенному смещению в устройстве. Дальнейший анализ отказов, включая сканирующую электронную микроскопию и энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию, подтвердит наличие оксида меди на контактных площадках. Оксид меди является побочным продуктом коррозии меди, поэтому этот результат поведет исследование по неправильному пути, что повлечет за собой трату ценного времени и ресурсов. Затраченное время невозможно будет компенсировать, и «быстрый» метод кислотного декорпусирования приведет к потере цели исследования и времени.

При выборе более селективного метода декорпусирования можно получить более точные доказательства наличия коррозии поверхности, получаемой во время финального тестирования, в случае, показанном на рисунке 6 (Ris6.tif), коррозия не обнаружена, и команда может успешно опровергнуть возникновение отказа по причине коррозии и продвинутся в поиске реальной причины отказа. Эффективность данного метода заключается в получении окончательных результатов без искажения с первой попытки.

Автоматическая система декорпусирования индуцированной микроволновым излучением плазмой (MIP) позволяет производить декорпусирование выборочно и с минимальными дефектами. Данный процесс декорпусирования реализует возможность открывать и сохранять все металлические структуры, кристаллы и пассивные компоненты/топологию также хорошо, как искомое место отказа и свидетельства наличия его причин. Такой эффективный способ получения доказательств и результатов значительно сокращает время поиска первопричины отказа устройства. Кроме вышеуказанных примеров, данная технология применима для большого спектра изделий и задач (многокристальные сборки, 3D корпусирование, компоненты на уровне пластины, многослойные структуры, Flip Chip компоненты, GaAs и GaN, печатные платы, системы в корпусе), а также подходит для лабораторий и отделов, занимающихся подобной проблематикой и решением задач поиска и анализа отказов интегральных устройств.

[1] J. Tang, K. D. Staller, and C. I. M. Beenakker, «Decapsulation of Multi-Chip BOAC Devices with Exposed Copper Metallization Using Atmospheric Pressure Microwave Induced Plasma», in Proceedings of 41th International Symposium for Testing and Failure Analysis, 2015, pp. 485–495.

[2] J. Tang, J. Wang, G. B. Anderson, J. Bruckmeier, C. Keller, G. V. Dela Cruz, and C. I. M. Beenakker, «CF4-free Microwave Induced Plasma Decapsulation of Automotive Semiconductor Devices», in Proceedings of 42nd International Symposium for Testing and Failure Analysis, 2016.

[3] J. Tang, B. Wang, C. Liu, J. Wang, and C. I. M. Beenakker, «Unique Failure Analysis Capabilities Enabled by the MIP Decapsulation Technique», in Proceedings 24th International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits, 2017.