CN1836314A - 故障分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种方法和系统，用于暴露被封装在模制混合物中的装置的精密结构，例如集成电路(IC)。使用激光烧蚀所述模制混合物而将其除去，从而暴露下面的结构。可以在装置表面上以希望的光栅图形引导激光束，或者可以相对于激光束以希望的图形移动装置。可以对由烧蚀工艺发出的激光羽进行光谱分析，以便确定烧蚀的材料的组成。因此，除了暴露下面的结构中的缺陷，该系统还可以用于分析封装材料，以便确定其是否包含任何缺陷或异常。还描述了一种用于以用户选择的图形精确切割电路板或IC的系统。该系统沿由用户通过利用图形界面而指定的路径来引导激光。

Description

故障分析方法及系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年7月15日提交的名为“FAILURE ANALYSISMETHODS AND SYSTEMS”的美国临时专利申请60/487,870的优先权，其整体在此引用作为参考。

技术领域

本发明涉及利用烧蚀激光器对电装置和电路进行故障分析的方法和系统。

背景技术

常规集成电路(IC)的基本结构包括由多个细引线包围且与其连接的矩形半导体晶片或芯片，所述多个细引线还连接到较厚的金属路线的周围框架上，该金属路线又形成IC的外部引脚。除了外部引脚，通常将整个组件封装在由模制混合物构成的包装壳中。当将IC安装到电路板上时，通常将IC的引脚焊接到电路板上的对应焊盘上。

安装在电路板上的复杂IC会由于多个原因中的任一个而发生故障，所述原因包括内部晶片或芯片的故障、附接到该晶片的多个细引线的故障、以及在该晶片、引线和周围的引脚框之间的多个连接点的故障。确定多个批量制造的IC中的即使一个的故障原因就可以为防止进一步的故障和改善IC制造工艺提供有用的信息。

在许多情况下，确定IC故障原因的唯一方法是通过对IC内部，即晶片、引线、引脚框及其之间的焊接连接进行目视检查。而且，可能需要对内部点进行物理接触以隔离问题。例如，物理接触可以允许分析器电探测IC的部分以确定功能性。虽然X射线和超声波成像技术能够提供可视信息，但是它们不能提供对内部点的物理或电接触。

通过除去包围在IC晶片周围的模制混合物，相关的引线和/或引脚框可以对关键的可能故障点提供可视的和物理上的接触。但是，以不引入更多损坏的方式这样做，这证明是困难的或者是不可能的。公知的是，常规方法损坏非常细的引线或晶片，使得不可能确定故障的真正原因。而且，当进行故障分析时，经常希望在暴露的状态下通电并操作IC。如果除去模制混合物损坏了IC使其不能工作，则不可能进行这种分析。

因此，需要一种方法和系统，其可以除去IC的模制混合物以提供对IC的精密内部结构的物理和可视的接触，而不损坏所述内部结构。

IC故障的另一可能来源与模制混合物本身相关。通常，由于模制混合物的组成的不纯或不一致，在IC的部分中可能出现温度升高的“热点”或区域，这能够引起或促使IC的部分或整体出现故障或降级。阻止这些热点的出现对于高速且复杂的IC来说是极其关键的，所述IC在其正常工作时经常需要辅助冷却措施，例如风扇和散热片。为了避免在今后装置的模制混合物中出现这些缺陷，希望分析故障装置的模制混合物的组成，以确定是否存在这些缺陷、这些缺陷的特征以及这些缺陷的位置。但是还没有已知的满意方法或系统用于做这些。

另一个问题是关于对在现有技术中还没有被充分访问的电路进行故障分析，该问题要求对其上安装有故障装置的电路板进行精确的切割。当对安装在电路板上的例如IC的元件进行故障分析时，经常需要或者希望将该元件从电路板上移开。已知的方法包括使用例如精细金刚石锯或射流的工具围绕该元件切割电路板。利用这些机器所形成的切口的宽度通常是“0.005-0.003”。而且，这种机械切割方法引入了较大的振动，该振动会损坏周围的元件或者它们与电路板的连接。对与切口邻接的区域或元件的可能损坏也是在例如单独化(singulation)的制造过程中的问题，其中将一个或多个较小的电路板从较大的板分离。为了将电路板的密度最大化，通常有必要将元件放置在接近该板的边缘。常规的具有较大的切口宽度且可能导致损坏切口附近的部件的切割工艺限制了将元件放置在接近该板边缘的能力。

由于安装在电路板上的元件的密度日益增加，因此需要一种切割电路板的方法，该方法提供一个非常精细的切口，并且还将对围绕该切口的区域的任何损坏最小化。

发明内容

本发明通过有利地采用了在多种用于进行故障分析和切割IC、电路板等的新颖方法和系统中的激光，克服了现有技术的上述限制。

在本发明的示例实施例中，使用激光除去IC的模制混合物，而不损坏精密的内部晶片、引线、焊接连接和其它在模制混合物内封装的关键结构，从而保留它们以用于可视的和电分析。通过适合的光学元件将激光束聚焦在平面上，该平面与IC的表面相对应以从其开始烧蚀模制混合物。以例如光栅图形的图形移动聚焦的激光束穿过IC表面的选择区域，从而除去多层模制混合物，并随着每次通过更深地进入该混合物中。在另一个实施例中，激光束是静止的，而通过定位工作台以希望的图形来回移动IC。

本发明的系统还可以将模制混合物的选定部分除去至选定深度。利用来自成像数据的位置信息，利用本发明的系统可以确定并暴露装置的关注小部分。

本发明的系统可以用于检测多种类型的故障，包括分离的引线、坏的焊点和其它损坏的内部元件或连接。

除了上述的缺陷，本发明的系统还可以检测和分析用于封装IC的电子元件的模制混合物中的缺陷。在本发明的另一实施例中，提供检测器和光谱分析器来分析由烧蚀工艺所发出的激光羽，从而指示被烧蚀的材料的组成。可以获得所除去的模制混合物的组成，并以三维表示将其提供给用户。

在本发明的另一方面，提供一种用于精确切割IC、电路板等中的选定部分。

附图说明

图1是根据本发明的系统的第一示例实施例的方框图，在该系统中将激光束引导经过装置上的希望图形，该装置的封装材料将通过激光烧蚀除去；

图2是根据本发明的系统的第二示例实施例的方框图，在该系统中将激光束引导到装置上，该装置的封装材料将通过激光烧蚀除去，并且在该系统中相对于激光移动所述装置，以便将材料从装置的选定区域中除去；

图3示出了从示例性材料的烧蚀中发出的光谱，该光谱被叠加在包络线中，所述示例性材料的光谱被期望落入所述包络线中；

图4示出了通过烧蚀除去的材料块的三维表示图，所述材料块通过利用本发明的分析方法被检测出其中存在异常；

图5是根据本发明的系统的示例实施例的方框图，在该系统中，将激光束引导到IC或电路板上，用于将IC或电路板切割成多个部分。

具体实施方式

图1是根据本发明的系统100的示例实施例的方框图。将将要分析的装置，例如集成电路(IC)101放置在平台105上，在该平台上由一对反射板151和152和透镜元件140引导并聚焦由激光器110所产生的激光束107。操作由可被耦合到用于人机交互的用户界面130的控制器120来控制。例如，控制器120和用户界面130可以是工作站、个人计算机等的一部分或者可以被独立地放置。

在操作中，当该束107以选定的图形移动经过IC101表面上的选定部分时，IC是静止的。在任何时刻，激光束107都会与IC101表面上的一点接触。然而，对于人眼来说，根据引导该束107经过IC101表面的快慢，该束可以在IC101表面上呈现为线形或矩形。当该束107与IC101的表面接触时，烧蚀并从而除去接触点上的少量模制混合物。当引导该束107经过IC101表面时，除去在其中引导该束107的图形中的模制混合物。

可以将由激光束107经过的图形(或者烧蚀图形)选择为覆盖该装置101表面的任何希望的部分，所述部分具有多种几何形状(例如，矩形，圆形)中的任一种。优选选择该图形使得当激光每次在图形上经过时除去一致的材料层。通过在图形上连续经过激光来除去连续层的材料。当除去每层材料时，将激光引导到装置101新暴露的表面上以除去下一层。该烧蚀过程可以在任意点停止。因此，除了将材料从装置101希望的区域除去以外，该系统还可以除去材料至希望的深度。

由激光110产生的激光束107首先被反射板151反射，该反射板通过致动器161绕第一轴转动。该板151将束107反射到基本上与板151垂直取向的反射板152上。板152将光束反射到透镜元件140上。通常，致动器161会使板151以摆动形式转动，使得光束在板152上沿直线行进。同样，致动器162使板152以摆动形式转动，使得光束在透镜元件140上沿二维光栅图形行进。反射板151和152优选是薄的且质量小。致动器161和162优选为高速电流计电动机。小质量的反射器和高速电动机的组合使得聚焦的激光束以高达每秒几千英寸的速度行进。

致动器161和162由控制器120控制。可应用于本发明的激光引导子系统包括板151，152、致动器161，162、所有需要的控制电路和相关软件，所述系统可以从Cambridge Technologh，Inc.of Cambridge，MA获得。

无论板151和152的方向和激光束107行进的路径长度如何，透镜元件140用于将激光束聚焦到单个平面上。例如，透镜元件140可以是“平扫描场透镜”或“远心透镜”，其接收以角度入射的激光束，并在透镜输出端将其聚焦到平面中。这些光学元件的来源包括德国的Sil和Rodenstock。

通过在IC101的表面上高速移动激光束107，激光束在每个点上停留的时间非常短，从而最小化了激光可能对烧蚀工艺想要暴露的精密下层结构的损坏。从而最终的热影响区(HAZ)被保持为非常小(例如小于1微米)。可以有效地除去IC的所有模制混合物，从而在每点留下下面的功能性“轮廓”，使得所述轮廓是电学完好的、甚至是可以被通电的状态。

另一个考虑是所使用的激光发射的波长。其中可以使用绿色(～532nm)、UV(～266nm)、IR(～1064nm)、和CO2(～10640nm)的波长。用于应用中的最好的波长依赖于将被烧蚀的材料的类型和将被暴露的下层结构的组成。对于使用普通模制混合物的IC来说，发现IR波长工作得较好，没有损坏较薄弱的下层结构，即，用于将晶片附接到IC引脚的细铜线。还可以对IC使用波长为约1319nm的激光，因为它不会损坏主要由硅组成的晶片。所述细铜线不受IR或1319nm波长的影响，也不受其它波长例如绿色波长的影响。例如，铜趋向于反射IR波长。因此，通过使用IR波长，进一步减少了对这些元件的损坏，如同HAZ。因此，通过基于将暴露的装置的组成选择合适的激光波长，可以优化本发明的工艺。本发明不限于任何特定波长的激光。

激光器110可以是调Q的并由控制器120控制。其中可以使用可从纽约Quantronix Corporation of East Setauket获得的25瓦二极管泵浦或75瓦灯泵浦IR激光器作为激光器110。

图2示出了根据本发明的系统200的第二实施例。在该实施例中，将将要暴露的装置，例如IC201，放置在由一组致动器261和262驱动的X-Y定位工作台205上。激光器210产生激光束207，该激光束与IC201的表面接触。在该实施例中，激光器210是静止的，而IC201相对于激光器以希望的图形移动，使得激光束207根据该图形烧蚀模制混合物。致动器261和262可以是直流伺服电动机，或其它合适的装置，且由控制器220控制。由于相比于第一实施例中的激光引导反射器的通常较重的X-Y定位工作台205的质量，因此该装置相对于激光束可以移动的速度基本上小于图1的实施例中的速度。结果，激光束207在IC201上任一点所停留的时间和执行每次经过烧蚀图形所需要的时间通常基本上大于在图1的实施例中可以获得的时间。

在本发明的另一方面，提供一种分析用于封装装置的模制混合物的组成的方法。当本发明的系统的激光烧蚀模制混合物时，发出烧蚀光或“激光羽(laser plume)”，其光谱表现出被烧蚀的模制混合物的组成的特征。通过对所发出的光进行光谱分析，能够确定且绘制在沿激光行进的图形的每点被烧蚀的模制混合物的组成，以提供被除去的模制混合物的体组成的图形。

如图1所示，提供检测器185来检测从烧蚀过程中发出的光。该检测器185与光谱分析器180耦合，用于分析所发出的光的光谱。分析器180可以与控制器120或人机界面130耦合。可以在图2的系统中安装类似的配置。可用于本发明的光谱分析系统可以从Ocean Optics Inc.of Dunedin，Florida获得。

图3示出了示例光谱300，当烧蚀示例模制混合物时可以发出该光谱。对讨论中的模制混合物可以确定包络线310，所述包络线具有希望光谱值。例如，可以从模制混合物的制造商获得这种光谱包络线310。可以对多种模制混合物保持光谱包络线310的库。

如果对特定模制混合物检测的光谱300没有落入其对应的光谱包络线310，如图3中325所示，则可以将该偏移记录并报告给用户。此外，当发生这种偏移时，还可以获得发生该偏移的混合物的层，以提供对引起该偏移的异常的深度指示(即，z坐标)。而且，在发生该偏移时，还可以获得激光在该层中的位置(即，x和y坐标)，以提供异常在发生偏移的模制混合物内的位置。可以使用所获得的光谱和位置信息来产生被除去的模制混合物体和在其中检测到的异常的三维表示。这样的示例性表示在图4中示出。如图4所示，示出了通过本发明的烧蚀过程除去的材料体401，其具有异常425。除了确定该异常的位置，该系统可以提供其它测量，例如其尺寸和体积。

除了提供模制混合物中的异常的空间信息，还可以以其光谱特征的形式获得这种异常的组成并提供给用户。无论是否存在该异常，都可以使用该系统，以提供模制混合物在其整体中的组成。

如上所述，本发明的系统可以从装置的选定部分除去材料，所述部分具有选定的形状，并可以除去材料至装置中的选定深度。通过仅将该工艺限定到装置的关注部分，所述能力降低了分析所述装置所需的时间。而且，所述能力可以与来自其它源的信息结合以确定和指示关注区域。例如，使用来自X射线或超声波成像装置的成像数据，可以在本发明的系统中使用在成像数据中确定的异常或关注区域的坐标，来仅仅除去接触所述关注区域所需的模制混合物部分。该能力还可以用于成像数据显示在模制混合物中存在异常的情况中。在这种情况下，成像数据可以用于引导将模制混合物从关注区域除去，以便对关注区域中的模制混合物进行光谱分析(与暴露封装电结构以用于检察相对)

在本发明的另一方面，图5示出了系统500的示例实施例，该系统用于切穿电路板501的选定部分。除了将选定的元件从该电路板501中除去，图5的系统可以用于切穿元件和电路板501以提供选定部分的截面图。该系统500包括目视系统590、X-Y定位工作台505、激光器510、控制器520和人机界面530。将电路板501放置在定位工作台505上，并且由目视系统590显示所述电路板的图像，以用于人机界面530上的显示。用户然后可以使用一组屏幕上的工具来绘制围绕将被切割或除去的区域的二维形状(包括线、弧、矩形、圆形等，或其组合)。用户还可以限定切割的深度或者该系统可以完全切穿电路板501。然后切割系统沿着选定的形状并切穿电路板，以完整地除去希望的部分。可能需要多次通过以切割到希望的深度或者完全切穿电路板。

系统500可以产生宽度小至0.002英寸的切口，从而允许它在切割时可以非常接近敏感元件。它甚至可以切穿或“切碎”元件，包括IC本身，以提供精确的元件内部的截面图。由于激光工艺的小热影响区(HAZ)，因此可以这样做而不会增加对将分析的关注区域或元件的损坏。系统500的HAZ为1微米或更小的数量级。这相当于0.005-0.030的机械切割宽度。

尽管图5中的示例系统限定了相对于静止激光器移动电路板，但是如下的可选实施例也可以落入本发明的范围中，其中相对于静止的电路板移动激光器或引导激光束。

除了分析例如IC的电装置，本发明可以应用到各种其中暴露封装结构而不损坏该结构的应用中。另外，本发明的系统还可以用于其中希望通过激光烧蚀确定将被除去的混合物的组成的情况中。而且，如上所述，通过使用适当的激光器，本发明的系统可以适于大范围的材料。

可以理解，尽管上文中结合优选的具体实施例描述了本发明，但是所述描述趋向于是说明性的而不是为了限定本发明的范围，本发明范围由所附权利要求书限定。实际上，根据上文的描述和附图，除本文所述之外的对本发明的各种修改对于本领域的技术人员是显而易见的。这种修改将落入所附权利要求书的范围中。

另外可以理解，所有数值都是一定程度的近似值，其用于描述目的。

可在本申请中引用的任何专利、专利申请和公开文本的公开内容在此整体引用作为参考。

Claims (12)

1.一种用于暴露由材料封装的结构的方法，包括：

产生激光束；

将所述激光束引导到所述由材料封装的结构上；以及

利用所述激光束烧蚀所述材料，而不损坏所述结构。

2.如权利要求1所述的方法，包括：

提供所述激光束与所述封装结构之间的相对位移，以烧蚀一个区域上所述材料。

3.如权利要求2所述的方法，其中将所述激光束可移动地引导到所述封装结构上。

4.如权利要求2所述的方法，其中移动所述封装结构并固定所述激光束。

5.如权利要求1所述的方法，包括：

分析通过烧蚀所述材料产生的光羽，以确定所述材料的组成。

6.如权利要求5所述的方法，包括：

确定所述激光束的位置，以便提供对所述材料的组成的空间表示。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述封装结构包括集成电路。

8.如权利要求3所述的方法，其中所述激光束被一个或多个电致动反射镜引导。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束具有在约266nm到10640nm的范围内的波长。

10.如权利要求3所述的方法，包括将所述激光束聚焦到平面中。

11.如权利要求10所述的方法，其中使用平扫描场透镜和远心透镜中的至少一个将所述激光束聚焦到平面中。

12.如权利要求1所述的方法，其中烧蚀所述材料产生不大于1微米的热影响区。

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