封裝缺陷的案例
一文搞懂封裝缺陷和失效的形式
簡介：電子器件是一個非常復雜的系統，其封裝過程的缺陷和失效也是非常復雜的。因此，研究封裝缺陷和失效需要對封裝過程有一個系統性的了解，這樣才能從多個角度去分析缺陷產生的原因。
1. 封裝缺陷與失效的研究方法論
封裝的失效機理可以分為兩類：過應力和磨損。過應力失效往往是瞬時的、災難性的；磨損失效是長期的累積損壞，往往首先表示為性能退化，接著才是器件失效。失效的負載類型又可以分為機械、熱、電氣、輻射和化學負載等。
影響封裝缺陷和失效的因素是多種多樣的， 材料成分和屬性、封裝設計、環境條件和工藝參數等都會有所影響。確定影響因素和預防封裝缺陷和失效的基本前提。影響因素可以通過試驗或者模擬仿真的方法來確定，一般多采用物理模型法和數值參數法。對于更復雜的缺陷和失效機理，常常采用試差法確定關鍵的影響因素，但是這個方法需要較長的試驗時間和設備修正，效率低、花費高。
在分析失效機理的過程中， 采用魚骨圖（因果圖）展示影響因素是行業通用的方法。魚骨圖可以說明復雜的原因及影響因素和封裝缺陷之間的關系，也可以區分多種原因并將其分門別類。生產應用中，有一類魚骨圖被稱為6Ms：從機器、方法、材料、量度、人力和自然力等六個維度分析影響因素。
這一張圖所示的是展示塑封芯片分層原因的魚骨圖，從設計、工藝、環境和材料四個方面進行了分析。通過魚骨圖，清晰地展現了所有的影響因素，為失效分析奠定了良好基礎。
2.
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這一特點常被應用于以缺陷部件篩選和易失效封裝器件鑒別為目的的加速試驗設計。
本文小結
本文主要討論了封裝缺陷和失效，包括引線變形、底座偏移、翹曲、芯片破裂、分層、空洞、不均勻封裝、毛邊、外來顆粒、不完全固化、爆米花和開裂等等。加速因子以及缺陷和失效的評估方法是確保塑封產品高質量和高可靠性的關鍵。
Moldex3D模流分析之個別指定金線材料預測晶片封裝缺陷
常見的金線材料則包含金、銅、鋁等等，由于金線的管徑細小，因此金線缺陷往往是芯片封裝制程最重要的挑戰之一，而金線缺陷包括金線偏移、斷裂以及交叉。而為了確保良率及提升性能，封裝制程廣泛使用多種類的線料。以下將說明如何透過Moldex3D IC封裝模塊，進行多種金線材料定義的偏移分析。
金線材料設定
步驟1：在Moldex3D網格前處理，用戶可產生芯片組件實體網格并設定金線，接著檢查圖層：SRMI$為芯片封裝實體網格圖層，WL$PF1為金線圖層。
步驟2：點選 Wire Material Setting，并按照提示欄顯示的訊息操作。
選擇曲線后，按下Enter。使用者可命名并指定金線材料群組的顏色。
步驟3：輸出項目分析用網格檔，并開啟Moldex3D Studio 建立新的項目。
步驟4：新增分析組別并指定不同群組的金線材料，并開啟下拉選單并點選材料精靈，開啟Moldex3D 材料精靈 。
挑選材料并以右鍵點選加入項目，點選所需材料后，關閉材料精靈。
用戶可下拉選取窗口個別指定金線的材料。
步驟5：確認顯示窗口中的材料信息。
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常見的金線材料則包含金、銅、鋁等等，由于金線的管徑細小，因此金線缺陷往往是芯片封裝制程最重要的挑戰之一，而金線缺陷包括金線偏移、斷裂以及交叉。而為了確保良率及提升性能，封裝制程廣泛使用多種類的線料。以下將說明如何透過Moldex3D IC封裝模塊，進行多種金線材料定義的偏移分析。
金線材料設定
步驟1：在Moldex3D網格前處理，用戶可產生芯片組件實體網格并設定金線，接著檢查圖層：SRMI$為芯片封裝實體網格圖層，WL$PF1為金線圖層。
步驟2：點選 Wire Material Setting，并按照提示欄顯示的訊息操作。
選擇曲線后，按下Enter。使用者可命名并指定金線材料群組的顏色。
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步驟4：新增分析組別并指定不同群組的金線材料，并開啟下拉選單并點選材料精靈，開啟Moldex3D 材料精靈 。
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用戶可下拉選取窗口個別指定金線的材料。
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展開 
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T3Ster提供的瞬態熱學測試技術不僅能夠準確測試器件的結溫、熱阻值，還能分析器件內部的封裝結構。
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當啟動測量時間為1μs時，ΔT=58.84°C
當啟動測量時間為1ms時，ΔT=49.97°C，誤差=16%
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客戶證言
我們將繼續使用T3Ster測試芯片熱阻，并進一步利用T3Ster先進的結構函數功能進行器件的可靠性研究和封裝缺陷分析，為研發更新型、更高端的產品提供測試驗證支持 。
吳志高 技術總監
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應力過大
2、彎折的受力分析
外彎：器件膜層斷裂
內彎：膜層之間剝離，再受壓斷裂
3、TFT器件退化——彎折次數和彎折半徑
4、TFT器件退化——微結構改變：μ/μ0=1+me
5、TFT器件失效——金屬線斷裂
6、薄膜封裝（TFE）的失效
AMOLED 彎曲存儲測試
原發型封裝缺陷，彎折后表現，
多次彎折使微裂紋產生或新缺陷生長。
7、模組失效
膜層脫粘
膜層凸起
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二、如何利用仿真來提高柔性顯示屏可靠性？
1、金屬導線
線寬和形狀的影響
2、Thin Film Transistor (TFT)
①TFT的仿真和失效分析
②中性層調控
在TFT器件表面進行有機涂覆，中性層靠近器件處，電學性能顯著提升。
中性層調控：調控各膜層厚度來降低頂層無機層應變。
展開 【技巧分析】元器件失效分析方法
失效分析的一般程序
1、收集現場場數據
2、電測并確定失效模式
3、非破壞檢查
4、打開封裝
5、鏡驗
6、通電并進行失效定位
7、對失效部位進行物理、化學分析，確定失效機理。
8、綜合分析，確定失效原因，提出糾正措施。
1、收集現場數據：
2、電測并確定失效模式
電測失效可分為連接性失效、電參數失效和功能失效。
連接性失效包括開路、短路以及電阻值變化。這類失效容易測試，現場失效多數由靜電放電（ESD）和過電應力（EOS）引起。
電參數失效，需進行較復雜的測量，主要表現形式有參數值超出規定范圍（超差）和參數不穩定。
確認功能失效，需對元器件輸入一個已知的激勵信號，測量輸出結果。如測得輸出狀態與預計狀態相同，則元器件功能正常，否則為失效,功能測試主要用于集成電路。
三種失效有一定的相關性,即一種失效可能引起其它種類的失效。功能失效和電參數失效的根源時常可歸結于連接性失效。在缺乏復雜功能測試設備和測試程序的情況下，有可能用簡單的連接性測試和參數測試方法進行電測，結合物理失效分析技術的應用仍然可獲得令人滿意的失效分析結果。
3、非破壞檢查
X-Ray檢測，即為在不破壞芯片情況下，利用X射線透視元器件（多方向及角度可選），檢測元器件的封裝情況，如氣泡、邦定線異常，晶粒尺寸，支架方向等。
適用情境：檢查邦定有無異常、封裝有無缺陷、確認晶粒尺寸及layout
優勢：工期短，直觀易分析
劣勢：獲得信息有限
局限性：
1、相同批次的器件，不同封裝生產線的器件內部形狀略微不同；
2、內部線路損傷或缺陷很難檢查出來，必須通過功能測試及其他試驗獲得。
展開 分析 | 元器件失效分析方法
適用情境：檢查邦定有無異常、封裝有無缺陷、確認晶粒尺寸及layout
優勢：工期短，直觀易分析
劣勢：獲得信息有限
局限性：
1、相同批次的器件，不同封裝生產線的器件內部形狀略微不同；
2、內部線路損傷或缺陷很難檢查出來，必須通過功能測試及其他試驗獲得。
案例分析：
X-Ray 探傷----氣泡、邦定線
X-Ray 真偽鑒別----空包彈（圖中可見，未有晶粒）
“徒有其表”
下面這個才是貨真價實的
X-Ray用于產地分析（下圖中同品牌同型號的芯片）
X-Ray 用于失效分析（PCB探傷、分析）
（下面這個密密麻麻的圓點就是BGA的錫珠。下圖我們可以看出，這個芯片實際上是BGA二次封裝的）
4、打開封裝
開封方法有機械方法和化學方法兩種,按封裝材料來分類，微電子器件的封裝種類包括玻璃封裝(二極管)、金屬殼封裝、陶瓷封裝、塑料封裝等。
展開 Moldex3D模流分析之IC封裝制程靈活運用
3C產品不斷朝輕量化及多功能發展，IC封裝的制程技術研發也隨之趨向小而精致。面對使用壽命及可靠度的需求，如何采用最佳的配置進行封裝以減少缺陷發生，并提供產品最好的保護，是產業最重視的課題之一。由于影響封裝質量的變因項目會隨著制程復雜度增長，也使得研發階段尋求優化方案的難度提升；此外，IC封裝材料以及所使用的相關組件均價格不斐，因此在封裝研發的階段若能以透過CAE分析取代實驗試誤、及早找到最佳方案，便能大幅減少材料及運送等成本。
Moldex3D Studio的IC封裝解決方案提供以轉注成型(Transfer Molding)、成型底部填膠(Molded Underfill)、毛細底部填膠(Capillary Underfill)、灌膠(Potting)、壓縮成型(Compression Molding)等方式模擬封裝填料過程，并可輔以排氣分析 (Venting Analysis)、金線偏移分析 (Wire Sweep Analysis)、導線架偏移分析 (Paddle Shift Analysis)、后熟化分析 (Post Mold Curing Analysis)等功能，完成更真實的模擬。以下簡單說明Studio封裝仿真流程。
1. 制作模型
在制程類型(Molding Type)選擇芯片封裝(Encapsulation)(圖一)，接下來可直接匯入已制作完成的網格，或是使用Studio的工具建立自己的模型。使用封裝組件(Encapsulation Component)精靈可以由2D曲線產生IC對象，并可指定位置及厚度，后續即可在產生網格時自動生成Hybrid網格(圖二)。要注意不同分析模塊需有符合的屬性對象及進料類型，如壓縮成型分析需有壓縮區及移動面、灌膠分析需將進料路徑在溢流區。
展開 先進封裝競爭進入新階段！
例如，如果一個管芯的封裝有缺陷，則該產品可能會失效。
反過來，這需要一個完善的過程控制策略。KLA工業和客戶合作高級總監Chet Lenox表示：“向小芯片架構的轉變在先進封裝中帶來了許多檢查和計量方面的挑戰。” “首先，隨著越來越多的單個模具被集成，進來的模具質量要求變得越來越嚴格。這甚至在組裝之前就增加了對高度敏感的芯片級檢查，計量和分類的需求。其次，用于小芯片封裝工藝的設備的清潔度要求越來越嚴格，并開始接近我們在前端半導體制造中所使用的設備。”
除了小芯片，SiP也是可行的解決方案。甲系統級封裝集成幾個組件成一個單一的包，使其能夠用作電子系統或子系統。
可以將許多組件集成到SiP中，例如天線，管芯，MEMS和無源器件。從這些選項中進行選擇，客戶可以開發定制的SiP來滿足給定的需求。
SiP可用于多種產品，例如汽車系統，智能手機和手表。在智能手機中，SiP可用于容納電源管理IC以及RF前端和WiFi模塊。
多年來，Apple已在其智能手表產品中集成了SiP。最新的Apple Watch Series 6在所謂的S6封裝系統（SiP）中整合了處理器和其他功能。
S6 SiP集成了蘋果公司的A13 Bionic芯片（雙核處理器）。基于Arm的64位處理器技術，A13 Bionic比以前的手表的芯片快20％。
其他公司也正在開發新形式的SiP。例如，i3 Microsystems描述了有關其異構系統級封裝（HSIP）模塊技術的更多詳細信息。
HSIP將裸片嵌入具有布線層的基板內。
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例如，如果一個管芯的封裝有缺陷，則該產品可能會失效。
反過來，這需要一個完善的過程控制策略。KLA工業和客戶合作高級總監Chet Lenox表示：“向小芯片架構的轉變在先進封裝中帶來了許多檢查和計量方面的挑戰。” “首先，隨著越來越多的單個模具被集成，進來的模具質量要求變得越來越嚴格。這甚至在組裝之前就增加了對高度敏感的芯片級檢查，計量和分類的需求。其次，用于小芯片封裝工藝的設備的清潔度要求越來越嚴格，并開始接近我們在前端半導體制造中所使用的設備。”
除了小芯片，SiP也是可行的解決方案。甲系統級封裝集成幾個組件成一個單一的包，使其能夠用作電子系統或子系統。
可以將許多組件集成到SiP中，例如天線，管芯，MEMS和無源器件。從這些選項中進行選擇，客戶可以開發定制的SiP來滿足給定的需求。
SiP可用于多種產品，例如汽車系統，智能手機和手表。在智能手機中，SiP可用于容納電源管理IC以及RF前端和WiFi模塊。
多年來，Apple已在其智能手表產品中集成了SiP。最新的Apple Watch Series 6在所謂的S6封裝系統（SiP）中整合了處理器和其他功能。
S6 SiP集成了蘋果公司的A13 Bionic芯片（雙核處理器）。基于Arm的64位處理器技術，A13 Bionic比以前的手表的芯片快20％。
其他公司也正在開發新形式的SiP。例如，i3 Microsystems描述了有關其異構系統級封裝（HSIP）模塊技術的更多詳細信息。
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展開 
一文解讀 | 車規芯片驗證的流程與展望
通過有的放矢地進行失效分析：
（1）可以協助設計人員找出芯片設計上的缺陷，例如通過FIB電路修補的方式亦可驗證該結果。
（2）可以找出芯片在制造，封裝等工藝中存在的缺陷，提出切實可行的改善方案。
（3）評估不同測試向量的有效性，為生產測試提供必要的補充。芯片的故障分析主要以微觀世界為背景，通過電性、物理、化學及材料等多角度的觀察與分析，從根本上尋找導致芯片故障的因素。
半導體芯片工藝制程的復雜度不斷提高，也給失效分析造成較大困難，如降低線寬需要電鏡較高分辨率，降低金屬層間距給樣品制備造成困難。透過失效現象并在結合芯片設計及工作原理的前提下，把握精確的芯片信息資料及數據，從而做出正確分析判斷。
一般半導體芯片使用后的失效機理可分為以下幾類。
（1）芯片設計存在缺陷，主要體現芯片功能不能實現。
（2）本體類的相關失效，如半導體材料缺陷或封裝中所用基板本身存在的問題。
（3）工藝波動造成的失效。
芯片介質層相關失效，如柵氧，金屬間介質層等缺陷；
硅襯底和SiO2界面間存在缺陷，如Dislocation等；
芯片后端金屬互聯層由于金屬的電遷移或含鹵素及鹵化物的污染造成的金屬腐蝕等；
封裝工藝參數不合理導致的管腳連線造成的短路或者開路等。
分析
車規芯片安全性與可靠性為第一考量，不僅響應于芯片設計與開發階段，測試篩選與可靠性驗證更顯重要。它巨大的市場前景讓越來越多的芯片供應商進入這一領域并加入到車規芯片產業規劃中來。結合供應鏈質量管理標準IATF16949規范以及AEC-Q100可靠性的要求，當前車規芯片驗證的流程和體系需要更加完善。
（1）車規芯片標準化系統的建立，應由技術專家（汽車整機，芯片設計、制造，封裝以及芯片測試等領域）來建立一套更加專業化，規范化，流程化的標準是必要的。
展開 先進封裝給OSAT廠提出的新問題
在本屆Semicon Taiwan期間，布魯爾特別發表一款專為RDL優先制程而設計的BrewerBUILD材料，該材料就具有比一般暫時接合材料更強的機械、化學與熱性能，可以協助封裝業者克服RDL First制程的挑戰。此外，該材料一旦與載具體剝離，建構層就會被移除，且可用紫外(UV)雷射剝離。
值得一提的是，該材料不僅可以用在晶圓封裝，同時也適用于面板封裝，這項特性也是為封裝業者的需求而開發的。封裝業者通常傾向于采用面板封裝，因為面板封裝的生產效率優于晶圓封裝。
RDL線寬或成新摩爾定律
無獨有偶，檢測設備與制程控制方案業者KLA-Tencor在本次展會也主打兩款為封裝應用設計的缺陷檢測產品。Kronos 1080系統為先進封裝提供適合量產的、高靈敏度的晶圓檢測，為制程控制和材料處置提供關鍵資訊。ICOS F160系統在晶圓切割后對封裝進行檢查，根據關鍵缺陷的類型進行準確快速的芯片分類，其中包括對側壁裂縫這一新缺陷類型的檢測。
KLA-Tencor資深副總裁暨行銷長Oreste Donzella(圖2)表示，隨著制程線寬微縮的速度逐漸放緩，芯片封裝技術的進步，已成為提升半導體元件性能的重要因素。先進封裝技術不僅可以縮小元件尺寸，也能藉由異質整合在有限空間內整合更多功能，是推動半導體產業繼續往前邁進的重要動能。
圖2 KLA-Tencor資深副總裁暨行銷長Oreste Donzella指出，先進封裝技術內部結構日益復雜，使得缺陷檢測必須具備更高的解析度與更全面的檢測范圍。
然而，這也意味著先進封裝將越來越復雜。未來的先進封裝將具有不同的2D和3D結構，并且每一代都會越做越小。與此同時，封裝芯片的價值在大幅增長，電子制造商對于產品品質和可靠性的期望也在不斷地提升。
展開 干貨｜關于電感線圈你一定要知道的事兒
(5) 封裝問題
封裝問題引起的失效有以下幾類。
①封裝不好，管殼漏氣，使水汽或腐蝕性物質進入管殼內部，引起壓焊絲和金屬化腐蝕。
②管殼存在缺陷，使管腿開路、短路失效。
③內涂料龜裂、折斷鍵合鋁絲，造成器件開路或瞬時開路失效。
這種失效現象往往發生在器件進行高、低溫試驗時。
(6) 體內缺陷
半導體器件體內存在缺陷也可引起器件的結特性變差而失效，但這種失效形式并不多見，而經常出現的是體內缺陷引起器件二次擊穿耐量和閂鎖閾值電壓降低而造成燒毀。
