發佈日期：2022/6/28先進封裝焊點異常,
發佈單位：iST宜特
板階可靠度試驗結果Fail了，長官要你Debug，
如何使用簡單三步驟，快速找到異常位置呢?
板階可靠度(Board Level Reliability，簡稱BLR )是國際上常用來驗證焊點強度的實驗手法，透過將模擬元件組裝於PCB，重現出可能會發生的錫球焊接問題 (深入閱讀: 板階可靠度BLR對IC設計工程師有多重要?)。
BLR的第一步，需要先進行菊花鍊(Daisy Chain)設計，將您的待測樣品元件與電路板連結的各個焊點形成網絡，藉此即時監控每個焊點良率，可成功得知各個錫球焊點是否失效，更能準確擷取失效的時間點，及早進行改善。
先進封裝焊點異常
Daisy Chain線路設計可分成兩部分，一半的線路是設計在IC元件上，另一半則設計在PCB測試板上，當IC元件透過表面黏著(SMT)到PCB測試板時，即可形成一個完整的Daisy Chain。
圖一:Daisy Chain設計示意圖
但是，當進行完一系列的板階可靠度驗證後，結果居然Fail？！該透過哪些步驟進行故障分析，才能找到阻值變化的原因?
本期宜特小學堂，將帶來兩種案例：分別為一般封裝元件與先進封裝元件，我們將與您分享宜特驗證分析實驗室，如何藉由簡單三步驟，定位、顯像、切片(圖二)，協助您Debug，釐清真因，快速改版重新驗證，讓產品可以如期上市。
圖二: 使用定位、顯像、切片三步驟即可找到異常點。
一、一般封裝樣品，利用二分法進行走線電性測試
在完成板階可靠度試驗後，若實驗後仍保有電性(Leakage/Short)，第一步驟，宜特實驗室會先使用如Thermal EMMI(InSb)電性熱點(Hot Spot)測試機台，定位故障點XY座標位置。第二步驟，利用非破壞式的X-Ray/3D X-Ray顯像。第三步驟，可選擇使用較低應力的Plasma-FIB，或是使用研磨(Cross-section polish)搭配SEM的方式，將失效斷面切出並分析真因。 (延伸閱讀：如何釐清是否為封裝缺陷造成IC異常) 。
若異常現象為「開路(Open)現象」，因Open已無電流流過，無法使用熱點分析定位異常位置。必須在第一步驟「定位」前，先將樣品進行破壞性的水平研磨製備，從PCB測試板端水平研磨至Daisy Chain走線裸露後(圖三)，接著，透過「二分法」(圖四)，進行走線的電性測試，找到異常的相對位置(定位)。
圖三:從PCB板端研磨至Daisy Chain走線裸露。
圖四:透過二分法，進行走線電性測試，一步步找到異常相對位置:圖四(1)，先在IN與OUT點通電，發現Open(異常)。接著，圖四(2)在IN與A點通電，電性正常。接著，圖四(3)，在IN與B點通電，顯示Open(異常)。圖四(4)，在OUT與B點通電，電性正常。最後圖四(5)，在B與A點通電，顯示Open(異常)；藉由二分法，找到異常相對位置。
第二步驟，透過X-Ray收斂異常點，從圖五(左)中，我們可以清楚看見錫球與焊墊(Pad)連接的地方，出現異常(顯像)。第三步驟，切片進一步觀察，從圖五(右)中，則發現錫球裂開了，就此找到發生阻值異常的原因(切片)。
圖五(左)：錫球與焊墊(Pad)連接地方出現異常；圖五(右)：切片觀察到錫球裂開。
二、先進封裝樣品，透過EBAC，找到異常斷點
若是像2.5D或3D IC等先進封裝樣品，封裝形式屬多晶片， Daisy Chain的設計，將跳脫以往單一晶片搭配一個測試板，而是多晶片搭配在一個測試板的形式(圖六)，那麼板階可靠度試驗後出現故障後，該如何找異常點呢?
圖六：先進封裝Daisy Chain走線形式。
若異常型態為仍有電性(Short/Leakage)，可用同一般封裝樣品故障分析形式，先使用Thermal EMMI(InSb)進行熱點分析，定位異常位置，並透過X-Ray/3D X-ray顯像，最後使用Plasma FIB物性研磨，將失效斷面切出進行分析。
若異常型態為「Open」，一樣同一般封裝形式，必須在「定位」前，先進行樣品製備。不過，這邊要特別留意，一般封裝形式Daisy Chain走線是位在IC與PCB板間(參見圖七(左))，但先進封裝形式，Daisy Chain走線路徑則介於兩顆Die之間(參見圖七(右))，因此無法使用從PCB測試板端研磨的傳統方式(走線不在PCB端)，就必須從晶背端，利用乾式蝕刻方式(延伸閱讀:從晶背找先進封裝錫球異常點)，讓位於Die 1與Die 2間的Daisy Chain走線裸露。
圖七(左)：一般封裝形式，Daisy Chain走線位於PCB與IC間；圖七(右)：先進封裝形式，Daisy Chain走線位於Die 1與Die2間，透過乾式蝕刻，使Die 1的 Daisy Chain走線裸露。
Daisy Chain裸露後(圖八(左))，我們即可進行第一步驟「定位」，因此時異常情況為Open，無法通電，就無法使用Thermal EMMI(InSb)定位Hot Spot，必須透過EBAC，將電子束導入樣品內部，電荷會累積於正常走線處，而異常處電荷無法累積，畫面就會全暗，即可判別異常位置，找到異常斷點(圖八(右))。
圖八(左):透過OM，觀察到樣品製備後Daisy Chain裸露樣貌。圖八(右)：透過EBAC，觀察到A1-A2之後的影像全暗，藉此判別其就是異常斷點。
第二步驟「顯像」，安排X-ray/3D X-ray複檢，發現錫球接合異常(圖九(左))。第三步驟「切片」，安排Plasma FIB/物性研磨進行切片，找到異常現象為錫球斷裂(圖九(右))。
圖九(左):X-Ray顯像，找到異常點為錫球接合異常。圖九(右):切片後，更加確認異常現象為錫球斷裂。
本篇宜特小學堂，特別提供給長久以來支持我們的客戶，若您對此實驗手法有興趣或有任何需求， 或是對相關知識想要更進一步了解細節，歡迎洽詢 +886-3-579-9909 分機 6757 楊小姐 │ Email: web_ise@istgroup.com, marketing_tw@istgroup.com