系統級封裝出現故障——兇手會是誰?

作者 : 歐學仁、吳羿鋒,宜特科技故障分析工程

當IC故障而必須分析元件或Die的異常狀況時,如果礙於SiP、MCM內部打線或基板線路互連的複雜關係,將導致電性測試易受晶片或元件影響而難以判定…

隨著多媒體影音/高速通訊元件等科技產品朝向多功能化與IC體積微小化邁進,元件間的系統化整合也被視為未來的重點發展技術。目前業界的封裝技術大多朝系統級封裝(System in Package;SiP)、多晶片模組(Multi Chip Module;MCM)實現最佳化。

然而,當IC出現故障時,想分析其中一顆元件或晶粒(Die)的異常狀況,又礙於SiP、MCM內部打線或基板線路互相聯結的複雜關係,將導致進行電性測試時,容易受到其他晶片或元件影響,造成判定困難,甚至無法判定。

該如何解決此狀況呢?筆者任職於驗證分析實驗室——宜特科技(Integrated Service Technology;iST),累積多年厚實的半導體驗證分析技術,研發出IC Repackage移植技術,可從SiP、MCM等多晶片或模組封裝體中,將欲受測之裸晶粒,無損傷的移植至獨立的封裝測試體,避開其他元件的干擾,進行後續各項電性測試,快速找到IC故障的元兇是誰。

如何製作測試治具

晶片出廠的最後環節,即是進行裸晶針測(Chip Probing,CP),在晶圓(Wafer)完成後、封裝前利用點針手法,盡可能先將壞的晶片篩檢出來,PASS的裸晶經過封裝後,再進行最終測試(Final Test,FT),即可完成製造並出貨。

不過,通常屬於新產品研發的晶片、或是經由客退的晶片,當須重新進行FT,數量皆不多,業界大型封裝廠對於此類的少量晶片植入封裝體需求,排程交期都較長,甚至不接受少量客製化的封裝體晶片植入作業。

有些客戶會直接使用陶瓷封裝材料植入晶片,然而,陶瓷封裝材料或許可以解決部份FT的問題,但市面上單一規格的陶瓷封裝材料可能會遇到接腳(pin)長度及寬度與測試治具/載具無法匹配,或是陶瓷材料材質與塑膠封裝體材質不同,因而影響FT結果。

宜特科技使用客戶手邊現有的IC成品,進行開蓋(Decap),做成符合需求的測試治具/載具,後續能便利且有效進行FT。進行IC Repackage移植,在宜特實驗室中需要經過五道步驟(1):

圖1:宜特科技實驗室的IC Repackage移植五步驟。

步驟一:收到待測樣品後,先進行「樣品進料品質控制」(Incoming Quality Control,IQC),並確認客戶提供的相關資訊,包括利用超高解析度數位顯微鏡(3D OM)檢查外觀有無受損、確認封裝體內Die的數量、目標異常晶片位置與厚度等,這個階段主要目的是確認樣品現況是否吻合客戶反應情形。

步驟二:將利用X射線檢測(Xray)或超音波掃瞄(SAT)進一步確認目前樣品有無封裝異常,並定位確認需要取出的目標異常晶片位置。接著,藉由IV電特性量測,來確認封裝體內客戶指定pin的狀況;同時,視情況利用Thermal EMMI (InSb)以確認亮點與目標異常晶片的關係。

步驟三:則是利用酸蝕及研磨方式,取出目標異常晶片,並藉由OM確認晶片有無裂痕(Crack)、燒毀(Burnout)、缺口(Chipping)等問題。

步驟四:將取出的裸晶重新打線封裝成客戶要求的封裝。這一步驟實際操作情形分成兩部份:

  1. 透過現有IC成品做成測試治具/載具

首先,選擇符合客戶測試治具/載具的IC成品,接著,利用特殊開蓋方式,將部分打線及晶片露出(圖2),以利後續移除晶片及打線。

圖2:封裝體經過特殊開蓋方式露出晶片及部份打線。

接著,以手動方式移除晶片及打線/引線(圖3),露出底板及導線架(二焊點),並保留鍍銀層。

圖3:使用人工物理手法,移除晶片及打線(引線)。

最後,清除封裝體內殘餘的膠體及打線(引線),確認內部無殘留物質,為後續成為測試治具/載具進行檢查與確認(4)。

圖4:完成可以封裝打線的封裝體。

       2. 結合待測晶片樣品與測試治具成為新樣品

利用封裝黏晶,將待測晶片樣品放置於測試治具;接著,施打對應的打線/引線;最後,使用封膠將打線/引線及晶片保護隔絕,完成成品(圖5)。

圖5:透過黏晶、引線、封膠,結合待測晶片樣品與測試治具。

步驟五:先針對樣品進行IV電特性量測或是,客戶也可以攜回該顆重新封裝過後的IC,至自家廠內進行功能性電特性量測。

IC Repackage移植經典案例

  1. 取出SiP中的目標異常Die,製備成wBGA

2為SiP樣品,宜特科技透過Repackage移植技術,將其中的目標異常裸晶取出,進行樣品製備,移植成窗型球閘陣列(window Ball Grid Array;wBGA)封裝形式。藉此,客戶即可避開其他元件的干擾,針對該顆wBGA進行後續自動測試設備(Automatic Test Equipment;ATE),確認異常位置。

圖6:移植SIP內的目標裸晶,樣品製備為wBGA封裝形式,順利進行後續各項測試。

  1. 從模組中取出元件,進行植球

當模組中有多顆IC或元件時,宜特科技透過研磨或切割,將目標元件從模抯中取出,接著進行植球服務,讓客戶可以取回至自家廠內進行各項測試,釐清相關故障原因。

7為從Module中取出目標BGA IC,經過尺寸量測及植球後,便於客戶後續測試。

圖7:取出Module內的目標元件,經植球後,即可回到客戶廠內測試。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年4月號雜誌

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