19、陶瓷封装湿度检测与激光微化学技术在芯片调试分析中的应用

陶瓷封装湿度检测与激光微化学技术在芯片调试分析中的应用

在电子设备的制造和检测领域，陶瓷封装中的湿度检测以及芯片调试与失效分析是至关重要的环节。本文将介绍两种先进的技术方法，一种是通过微电流测量来检测陶瓷封装内湿度的方法，另一种是激光微化学技术在倒装芯片调试与失效分析中的应用。

陶瓷封装湿度检测的 KNH 方法

随着大规模集成电路（LSI）终端数量的增加，陶瓷封装（PKG）内的金属间距变窄，使用聚酰亚胺等有机物的情况增多。这导致在材料处理异常或使用含湿材料时，PKG 腔内可能产生水分，进而引发金属腐蚀或离子迁移问题。以往，确认腔内水分存在的方法是使用质谱仪（MS）进行破坏性测试。而现在，一种非破坏性的微电流测量方法（KNH 方法）被开发出来。

测量原理

在陶瓷 PKG 中，若腔内存在水分，可能会导致内金属迁移。当腔内水分较少时，室温下内金属表面不易结露，几乎检测不到轻微的泄漏电流；而当腔内水分过多，超过饱和蒸汽量时，室温下内金属表面会结露，可检测到轻微泄漏电流。但在高温下，即使室温能检测到泄漏电流的样品，也可能因腔内不再结露而无电流。此外，当温度接近冰点时，由于饱和蒸汽量减少，内金属表面更湿润，检测灵敏度会提高。通过测量内金属间的轻微泄漏电流，可区分陶瓷 PKG 腔内的相对水分含量。

测量方法

1. 预处理 ：测量前，将样品在 100°C 下烘烤 30 分钟，以防止 PKG 端子表面的污垢和水分等影响测量结果。
2. 室温测量 ：在室温下，测量相邻端子间在 10V 电压下的轻微泄漏电流。为确保数据稳定，可在两个端子间施加 5 - 10V 电压并确认数据稳定性。
3. 变温测量 ：在恒温箱中以恒定步长升高温度，测量每个温度下相邻端子间的轻微泄漏电流，测量范围为室温至 100°C。
4. 数据对比 ：将测量数据绘制在对数刻度上，并与标准样品（STD）进行比较。

系统组成

测量系统直接将测量线连接到与相邻内金属相连的两个端子（至少有一个是未使用的 N.C 端子）。使用 HP 4145B 作为电流测量设备，可测量皮安（pA）级的轻微泄漏电流。同时，将恒温箱内壁和测量系统线路周围接地，以尽量减少噪声。

测量结果

使用 PGA - 441 引脚型陶瓷 PKG 进行实验，制作了有意在腔内放入水分的样品，并以正常产品作为 STD。结果表明，STD 中腔内几乎无水分，其端子间的轻微泄漏电流随温度升高而增加；而实验样品在室温下泄漏电流值较大，随着温度升高，泄漏电流先减小，达到特定温度后又增加，与 STD 相似。这表明当腔内水分因温度升高而完全蒸发消失时，缺陷样品的电流特性与 STD 相同。腔内水分越多，使泄漏电流停止减小并开始增加的温度越高，且室温下的泄漏电流值也越大。通过 MS 测试也证实，室温下泄漏电流大且达到饱和蒸汽量对应温度高的样品，腔内水分含量大。此外，无论是腔内水分多还是少的样品，温度升高和降低时的泄漏电流特性相同，说明重现性良好。

实际应用

对于没有 N.C 端子的样品，可使用信号端子进行测量。在这种情况下，电流特性类似二极管。在端子间施加 0 - 0.7V 电压，发现约 0.2V 时，STD 中几乎无电流通过，而腔内水分多的样品有轻微泄漏电流。这表明 0.2V 是可切断 P - N 结的电压，该电压下 STD 和实验样品的电流差异可认为是腔内水分导致的内金属间电流。因此，即使没有 N.C 端子，使用约 0.2V 电压也能得到类似结果，该评估方法可用于所有陶瓷 PKG 的判断。不过，由于 KNH 方法测量的是皮安级电流，插座的泄漏电流会成为问题。研究发现，公司使用的插座在室温下可使用。

案例分析

在一个案例中，PKG 腔内的水分导致铜枝晶析出，造成相邻内金属短路。MS 测试显示该缺陷样品腔内水分异常多且有大量 O₂。推测聚酰亚胺是原因之一，因为水分和 CO₂ 存在相关性。通过傅里叶变换红外显微镜（FT - IR）分析聚酰亚胺结构，发现缺陷 PKG 中的聚酰亚胺有 1670 - 1650cm⁻¹ 的吸收峰，对应酰胺耦合吸收。这表明聚酰亚胺固化不完全，处于酰胺耦合状态，在 PKG 密封过程的热应力作用下发生脱水反应，导致腔内水分异常增加，在偏压作用下产生铜枝晶。

激光微化学技术在倒装芯片调试与失效分析中的应用

激光微化学（LMC）技术为故障分析（FIA）和调试工具集提供了重要支持，解决了以往工具难以处理的关键问题。该技术可用于倒装芯片的局部减薄，以便使用传统 FIA 工具；还可显著增强聚焦离子束（FIB）的返工能力，用于 3 - D 微加工、原型制作、原位修整和微机电系统（MEMS）的制造。

正面调试与失效分析

电路迭代通常需要直接修改集成电路（IC）来改变互连或访问内部电路节点进行测试。对于正面可访问的 IC，常用聚焦离子束（FIB）工具进行微手术。使用 FIB 时，通过高能离子（通常是镓）溅射去除介电钝化层，以类似方式切断金属线并通过离子辅助金属沉积进行新连接。化学辅助 FIB 工艺可显著提高溅射去除速率，但对于大面积或长互连的编辑仍需数小时，且长互连的金属线由于沉积过程中通常含有 40% 的碳，电阻率较高。FIB 工具的优势在于高分辨率，可访问多层互连堆栈中的最细线，但在尺寸远大于几十微米时，吞吐量会变得很低，连接节点到外部焊盘的过程时间过长，编辑多个设备制作工程样品的成本过高。

倒装芯片调试与失效分析

倒装芯片给从正面调试 IC 的工具带来了额外挑战。倒装芯片中的 IC 正面有凸点键合焊盘，芯片翻转并连接到载体上，使得器件的顶面是硅衬底的背面。焊盘不限于器件周边，可能需要访问芯片中心区域。为了通过块状硅访问有源器件，需要在靠近正面有源区域处开孔，且要避免因工艺应力或直接注入而损坏有源区域。LMC 技术非常适合这项任务，其去除速率高（200,000μm³/s），无工艺应力或污染，平均表面粗糙度为几百埃。

LMC 蚀刻与沉积

LMC 工具通过将激光聚焦通过工艺室盖子上的窗口，扫描激光激活的微化学区域到样品上。激光焦点在三个维度上受精密伺服控制，加热高度局部化的区域至几百摄氏度，激活非烧蚀性界面反应，可进行材料沉积或蚀刻。激光在微化学加工方面优于离子束，因为激光不受离子发射源真空要求的限制，可优化化学（通常是蒸汽）环境。激光诱导的低能（热或光化学）化学反应更适合激发特定化学通道，使得激光沉积的互连材料质量接近 VLSI 金属化标准，无明显的碳或镓夹杂。与离子束的溅射反应不同，激光蚀刻不会在底层材料中注入物质。

以下是 LMC 技术与化学辅助 FIB 技术的性能比较表格：
| 工艺 | FIB | LMC |
| — | — | — |
| 金属沉积（t - mm 长线条时间） | >1 小时 | 10 秒 |
| 电阻（微欧姆 - 厘米） | 200 - 500（Pt） | 15 - 20（Pt），3（Au） |
| 纯度（通过俄歇分析） | 50% 碳 | 100% 金属，50% 金属 |
| 电导率（@ 0.2μm 厚） | >4 欧姆 | 0.4 欧姆 |
| （@ 4μm 厚） | （不可能） | 0.02 欧姆 |
| 诱导延迟 * | 10 到 100 倍 | 无 |
| 氧化物/聚酰亚胺蚀刻（100 x 100μm，3μm 厚） | >10 小时 | 35 秒 |
| 硅蚀刻（100 x 100μm，20μm 深） | >10 小时 | <5 秒 |

注： 采用 Revise Inc. 的 SiliconEditor™/SiliconEtcherTM 仪器实现； * 相对于光刻互连。

LMC 技术有多种高度发达的沉积冶金工艺，通过改变维持在部件上方蒸汽环境中的有机金属前驱体，可实现不同的冶金效果。常用的沉积反应基于有机金属热解，在几托的蒸汽压力下进行，表面化学与有机金属化学气相沉积（OMCVD）用于生产高纯度外延层的化学相似。同时，也有高性能的激光激活蚀刻化学工艺，例如硅的蚀刻速率可达 50,000μm³/s，蚀刻反应无碎片，热影响区外延再生长为近乎完美的单晶。

以下是 LMC 技术的高分辨率激光互连沉积和蚀刻工艺表格：
| 高分辨率激光互连沉积 | | |
| — | — | — |
| 材料 | 电阻率 | 宽度* | 扫描速率 |
| 多晶硅 | 1 毫欧姆 - 厘米 | 0.2 到 20μm | 1000μm/s |
| 铝 | 4 微欧姆 - 厘米 | 0.5 到 10μm | 200μm/s |
| 铂 | 15 微欧姆 - 厘米 | 0.5 到 20μm | 200μm/s |
| 金 | 3 微欧姆 - 厘米 | 0.5 到 20μm | 10μm/s |
| 钨 | 15 微欧姆 - 厘米 | 2 到 30μm | 200μm/s |

注：* 通过选择光学元件确定线条尺寸。

高分辨率 LMC 激光蚀刻
蚀刻材料	分辨率	速率
硅	0.2μm	500,000 立方微米/秒
聚酰亚胺	2μm	100,000 立方微米/秒
氮化硅	0.5μm	100,000 立方微米/秒
二氧化硅	0.5μm	50,000 立方微米/秒

在实际应用中，使用 LMC 技术对倒装芯片进行蚀刻，可在不到 5 分钟的时间内蚀刻出用于 FIA 分析的阶梯状通孔，为传统工具（如 FIB 和电子束测试仪）提供访问途径。

综上所述，KNH 方法为陶瓷 PKG 腔内水分的非破坏性检测提供了有效手段，而 LMC 技术则为芯片调试和失效分析提供了更高效、高质量的解决方案，这两种技术都在电子设备的制造和检测领域具有重要的应用价值，有望在未来得到更广泛的应用和发展。

陶瓷封装湿度检测与激光微化学技术在芯片调试分析中的应用

两种技术的优势总结与对比

KNH 方法和激光微化学（LMC）技术在电子设备的制造和检测领域各有独特优势。

KNH 方法的优势在于非破坏性检测，能够在不破坏陶瓷封装样品的前提下，通过测量相邻端子间的轻微泄漏电流，轻松确认腔内的相对水分含量。该方法操作相对简单，即使对于没有未使用（N.C）端子的样品，也能通过使用信号端子并施加特定电压（约 0.2V）来进行测量。此外，KNH 方法的测量结果重现性良好，对于判断陶瓷 PKG 腔内水分情况具有较高的可靠性。

LMC 技术的优势则体现在其高效性和高质量上。在倒装芯片调试与失效分析中，LMC 技术的蚀刻速率比最快的聚焦离子束（FIB）方法快 1000 倍，且不会引入工艺应力或污染，能保持几百埃的平均表面粗糙度。在金属沉积方面，LMC 技术的沉积速度快，所形成的激光互连质量高，单位写入时间的电导是 FIB 的 1000 到 10000 倍。同时，LMC 技术有多种高度发达的沉积和蚀刻工艺，可满足不同的应用需求。

以下是两种技术优势的对比表格：
| 技术 | 优势 |
| — | — |
| KNH 方法 | 非破坏性检测、操作简单、可用于无 N.C 端子样品、重现性好 |
| LMC 技术 | 蚀刻速率快、无工艺应力和污染、金属沉积质量高、工艺多样 |

技术应用流程分析

为了更清晰地了解这两种技术的应用过程，下面分别给出它们的应用流程。

KNH 方法应用流程

graph LR
    A[样品预处理] --> B[室温测量泄漏电流]
    B --> C[变温测量泄漏电流]
    C --> D[数据绘制与对比]
    E[判断腔内水分情况]
    D --> E

1. 样品预处理 ：将样品在 100°C 下烘烤 30 分钟，去除端子表面的污垢和水分等影响因素。
2. 室温测量泄漏电流 ：在室温下，在相邻端子间施加 5 - 10V 电压，测量轻微泄漏电流，并确认数据稳定性。
3. 变温测量泄漏电流 ：在恒温箱中以恒定步长升高温度，从室温到 100°C，测量每个温度下相邻端子间的轻微泄漏电流。
4. 数据绘制与对比 ：将测量数据绘制在对数刻度上，并与标准样品（STD）进行比较。
5. 判断腔内水分情况 ：根据数据对比结果，判断样品腔内的相对水分含量。

LMC 技术应用流程

graph LR
    A[确定应用场景] --> B{倒装芯片调试或其他应用}
    B -->|倒装芯片调试| C[激光蚀刻开孔]
    B -->|其他应用| D[选择合适工艺]
    C --> E[使用传统工具进一步分析]
    D --> F[进行沉积或蚀刻操作]

1. 确定应用场景 ：明确是用于倒装芯片调试、3 - D 微加工、原型制作等具体应用。
2. 倒装芯片调试 ：如果是倒装芯片调试，使用 LMC 技术在靠近正面有源区域的块状硅上进行激光蚀刻开孔，为传统工具（如 FIB 和电子束测试仪）提供访问途径。
3. 其他应用 ：对于其他应用，选择合适的沉积或蚀刻工艺，如根据需要改变有机金属前驱体实现不同的冶金效果。
4. 进一步操作 ：在倒装芯片调试中，开孔后使用传统工具进行进一步分析；在其他应用中，进行相应的沉积或蚀刻操作。

技术发展趋势与展望

随着电子设备不断向小型化、高性能化发展，陶瓷封装和芯片调试分析技术也将面临更高的要求。

KNH 方法在未来可能会进一步提高测量精度，能够更准确地量化陶瓷 PKG 腔内的水分含量。同时，该方法可能会与其他检测技术相结合，形成更全面的检测体系。例如，与无损检测技术结合，不仅能检测水分，还能检测封装内部的其他缺陷。

LMC 技术有望在更多领域得到应用。在微机电系统（MEMS）方面，激光蚀刻技术可用于硅 MEMS 和毫米波器件的立体光刻，实现更复杂的结构制造。此外，LMC 技术可能会与人工智能、自动化技术相结合，实现更智能、高效的芯片调试和失效分析过程。例如，通过人工智能算法自动识别芯片缺陷，并控制 LMC 设备进行相应的修复操作。

总之，KNH 方法和 LMC 技术在电子设备制造和检测领域具有广阔的发展前景，它们的不断进步将为电子产业的发展提供有力支持。

实际应用案例拓展

除了前面提到的案例，这两种技术在其他实际场景中也有重要应用。

在航空航天领域，陶瓷封装的电子设备需要在复杂的环境下稳定工作，湿度对其性能影响较大。KNH 方法可用于对航空航天用陶瓷 PKG 进行定期检测，及时发现腔内水分异常情况，确保设备的可靠性。例如，在卫星的电子系统中，使用 KNH 方法检测陶瓷封装的湿度，避免因水分导致的金属腐蚀和离子迁移问题，保障卫星的正常运行。

在半导体制造领域，LMC 技术在芯片制造过程中的调试和失效分析中发挥着重要作用。例如，在先进的集成电路制造中，当芯片出现故障时，LMC 技术可快速对倒装芯片进行蚀刻和金属沉积，帮助工程师定位故障点并进行修复。同时，LMC 技术的高效性和高质量可提高芯片制造的良品率和生产效率。

以下是两个实际应用案例的总结表格：
| 领域 | 应用技术 | 应用场景 | 效果 |
| — | — | — | — |
| 航空航天 | KNH 方法 | 检测航空航天用陶瓷 PKG 湿度 | 确保设备可靠性，避免故障 |
| 半导体制造 | LMC 技术 | 芯片调试和失效分析 | 快速定位故障点、提高良品率和生产效率 |

结论

KNH 方法和 LMC 技术在电子设备的制造和检测领域具有不可替代的作用。KNH 方法为陶瓷封装腔内水分的检测提供了非破坏性、可靠的解决方案，而 LMC 技术则为芯片调试和失效分析带来了高效、高质量的手段。随着技术的不断发展，这两种技术有望在更多领域得到应用，并不断提升其性能和应用范围，为电子产业的发展做出更大贡献。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的技术，充分发挥它们的优势，以提高电子设备的质量和可靠性。