LDO失落效分析及改进

1 弁言

快速增长的移动消费电子市场对电源管理类 IC需求巨大，以手机为例，摄像头、屏下指纹等均须要各种低压差线性稳压器 (Low Dropout Regulator，LDO）。

在 IC 封测流程中，焊线是质量掌握的主要工序之一，其目的是连接 IC 芯片和引线框架，实现 IC 电路逻辑功能。
差异于分立器件，IC 芯片须要的光刻板层数多，导致其引线焊接区域下面多有电路，不恰当的铜线焊接会导致虚焊或焊接区下电路损伤，引起测试失落效或潜在的可靠性问题。
文献绍了铜线焊接及层间电介质层（Interlayer Dielectric，ILD）裂纹，但对如何检测 ILD 裂纹、如何系统性避免这类问题没有解释。
本文的目的是针对实际 ILD 失落效剖析，系统性磋商 LDO焊接涌现的低良率和可靠性问题，以及如何避免、检测、筛选这类不合格产品。

2 LDO 产品测试失落效问题描述

2.1 LDO 静态电流失落效

LDO 广泛运用于手机及穿着电子产品，测试LDO 的静态电流，通过静态电流判断 LDO 是否失落效，失落效品读数 400 A，良品读数小于 4.8 A。
对失落效品开盖，去铜球、金属焊盘，没有创造弹坑。
弹坑是焊线过程中对芯片硅造成了物理损伤形成的坑，弹坑构造如图 1 所示。

2.2 LDO 静态电流测试事理

LDO 测试静态电流如图 2 所示，在 V in 施加电压，V out 悬空，测试 V in 流入器件的电流为静态电流。

3 失落效剖析

3.1 LDO 芯片构造

IC 芯片的特点是光刻层数多，普通小型号三极管如 40 V、0.2 A NPN 为 5 层，普通 MOSFET 如 60 V、0.1 A、1.8 为 8 层，范例的 LDO IC 一样平常为 20 层旁边。
IC 在狭小的空间内聚拢了浩瀚光刻层，故差异于三极管、MOSFET，IC 在焊盘下面一样平常有电路层。
图 3是 LDO 芯片剖面图，图中 PAD 是焊线的焊盘，材质是厚度 2.7 m 的 AlCu，与其连接的金属下面是ILD 层。

ILD 一样平常是 SiO 2 或者 SiN，目的是隔离不同层的金属，起绝缘浸染，同时阻挡水气，保护芯片内部构造。
如果 V in 焊盘或 GND 焊盘下面的 ILD 由于焊接的机器应力产生裂纹，图 3 中的 Metal1 和 Metal 2 两层金属将不能很好地绝缘，裂纹越大，绝缘性越差，就会导致 2.1 节中提到的静态电流失落效。
文献均显示了铜线焊接导致 ILD 层失落效的征象。

3.2 不雅观察 ILD 层裂纹

液晶检讨创造热点在焊球附近，根据以往MOSFET ILD 层不雅观察履历，总结后给失落效剖析工程师试验，开盖去掉铜球后，再去掉焊盘金属，成功地创造了失落效品焊盘下 ILD 层的裂纹（见图 4）。

4 剖析与谈论

确定焊接参数，需确认初始球、焊球大小和厚度、拉力及弹坑。
建议重新确认焊接参数，优化焊接窗口，办理 ILD 层裂纹问题。
过大的焊接参数（特殊是超声波能量）会导致芯片焊盘下面的 ILD 层产生裂纹，进而影响产品的电特性及可靠性。
2020 年金线与铜线的价格差 20 倍以上，消费类 IC 多用铜线焊接。
铜线焊接须要含氢气的保护气体以避免氧化，铜线的硬度（FAB Hardness）高于金线，焊接时对芯片焊盘的冲击力大，这导致铜线的焊接参数窗口比金线窄。
对付确定铜线焊接窗口的研究很多，大多做 3~4 个步骤，受设备、环境限定，很多关键的步骤被忽略了，导致测试低良率时才显现出铜线的焊接问题。

总结确定铜线焊接窗口的合理步骤，依赖该步骤完成新产品焊线参数窗口的确认，避免产品涌现 ILD裂纹的质量风险，提高产品可靠性，在产品终极电参数测试及可靠性筛选方面也总结出相应的建议。

5 确定铜线焊接窗口

5.1 确定铜线焊接参数窗口的紧张工具和方法

受设备、环境的限定，很多焊线工程师在确定铜线焊接窗口会省略某些步骤，这里先容几个紧张工具和方法。

1）通过表面轮廓仪丈量去掉铜球后焊盘的轮廓，以三维形式描述铜线焊接力度，图5是丈量焊盘的描述。

2）普通光学显微镜很丢脸到细微裂纹，通过扫描电子显微镜（SEM）可以很好地不雅观察。

3）采取金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）检讨方法，包括化学配方、温度掌握等。

5.2 铜线焊接参数确定流程

焊线工程师确定铜线焊线参数，一样平常步骤如下。

1）验证初始球（Fab）大小、形状、颜色，至少 3 批次各 10 个数据，以匹配焊盘大小及估量的焊球大小；

2）焊球大小及厚度至少丈量 3 批次各 30 个数据；

3）丈量线的拉力及断开模式、焊球的推力及推后模式以及线弧高度，至少丈量 3 批次各 30 个数据；

4）丈量焊盘金属移位（Pad Metal Displacement），针对所有焊盘测 3 批次各 2 个产品，丈量设备为表面轮廓仪；

5）通过 SEM 不雅观察焊接颈部及脚部，焊球切面和脚部切面，得到 2 个数据，各 3 个批次；

6）通过弹坑测试 3 个批次各 50 个数据；

7）通过 IMC 检讨 3 个批次各 10 个数据；

8）通过镊子拉线测试 50 粒数据；

9）检讨弹坑和 ILD 层是反对裂。

5.3 不雅观察 ILD 层裂纹的方法和步骤

IDL 层用于 IC、MOSFET 等器件，由于芯片种类繁多，制造工艺和所选材料互异，一个方法很难适用于所有的芯片 ILD 层。
以下方法 / 步骤被证明可以不雅观察 IDL 层裂纹。

1）用发烟硝酸和浓硫酸去掉塑封料；

2）用缓冲氧化物刻蚀液 （氢氟酸与水稠浊，Buffered Oxide Etch, BOE）去除芯片表面钝化层；

3）发烟硝酸在室温下去除铜球；

4）通过光电发射电子显微镜（PEM）或液晶热点检测技能不雅观察失落效点；

5）用盐酸去掉铝层；

6）在 500 倍以上光学显微镜下不雅观察焊盘；

7）用王水（Aqua Regia，浓盐酸 HCl 和浓硝酸HNO 3 按体积比为 3∶1 组成的稠浊物）去掉金属层；

8）通过 SEM 不雅观察裂纹。

6 测试筛选废品

6.1 PAT 测试

PAT 是参数非常测试（Parameter Abnormalityn Test）或者参数均匀测试（Parameter Averaging Test），目的是从正常分布中筛选掉非常器件，无论其是否知足规范，以达到高质量哀求，减少客户投诉。

图 6 黄色区域是不知足规范（SPEC）筛选掉的不合格品，蓝色区域是知足规范但不知足 PAT 被筛选掉的产品。
分布在PAT范围内的产品失落效概率被大大降落。

PAT 的范围设定通过网络历史样本数据，打算其均值和标准偏差得出。
PAT 高下范围设定为均值加减几个标准差，即均值A标准偏差，个中 A 为倍数，根据不同哀求，做不同设定：

1）常日一开始 A 设定为 6，PAT 范围是均值6 个标准偏差，如果样本分布为正态分布，那落在 PAT 范围之外的 PAT 废品的比例是总样本比例的 210 -9 ，即十亿分之二，完备不会影响其正常合格率。

2）当一个产品成熟后，如生产 2 年，须要网络1000 个以上封装批次、50 个以上芯片批次来打算PAT 范围。
将 A 设定为 4，那落在 PAT 范围之外的PAT 废品比例是总样本比例的 0.0064%，也险些不影响正常合格率。
均值4 个标准偏差是美国汽车电子委员会的哀求。

6.2 加速老化失落效

铜焊线导致焊盘下电路 ILD 层产生裂纹，可考虑加速老化让裂纹成长，到达一定程度可在产品终测时被筛选出来，加速老化方法互异，这里列举 2 种，事理是通过热胀冷缩让裂纹快速成长：

1）测试提高行红外线回流焊（IR Reflow），仿照客户上板，温度高达 260 ℃。

2）塑封后进行温度循环，温度范围-55~150 ℃，循环 50~100 个周期。

7 结论

LDO 铜线焊接导致的器件失落效不仅影响产品良率，更影响产品质量可靠性。
对付铜线焊接窗口的确定，须要严格按照科学的流程和方法，省略部分流程，禁绝确的焊接会导致质量风险。

焊线对 ILD 层的损伤要考虑在工艺设定中，本文详细列出了对 ILD 的不雅观察方法和步骤，供焊线工程师和失落效剖析工程师参考。

来源：半导体封装工程师之家；作者：胡 敏