晶片裡面長啥樣?掃描電子顯微鏡放大10000倍告訴你

這次文章的主題是晶片內部的結構。所謂晶片,其實就是積體電路(IC,全稱Integrated Circuit),其實就是通過光蝕刻等方法,將傳統的電路整合到一片矽片上。

目前最新IC工藝早已進入奈米級(10的-9次方),也就是0.000000001米。例如英特爾的最新的工藝已經進入14nm,正逐步向10nm推進,而臺積電和三星也早已開始了7nm工藝的預研。要想用顯微鏡看清這些產品的線路,那對顯微鏡的放大倍數有著極高的要求。沒有幾十萬倍的放大倍率是做不到的,普通企業的實驗室根本不可能做到。

因而本文所展示的這個78L05還距離奈米級別有一段距離。78L05是模擬功率器件,內部結構相對比較簡單,線寬也比較大,應該說是屬於微米級別的。因而用10000倍的掃描電子顯微鏡(SEM)就可以看得相當清楚了。只是想拋磚引玉,說明一下原理,畢竟半導體的原理基本都是相通的。

這篇文章其實也是源於筆者所在的公司最近做的一個故障分析專案(Failure Analysis),畢竟普通家庭不可能配備電子顯微鏡這種裝置。筆者公司的實驗室其實也只有一臺5000倍的SEM。後面10000倍的那個掃描隧道顯微鏡的圖片還是去其他單位的實驗室照的。

好了,說了那麼多,究竟是哪塊晶片呢?其實就是一片SOP封裝的78L05,8個pin。是主機板上很常見的晶片,是一顆12V轉5V的穩壓塊晶片。很多廠家都有做,比如ST(意法半導體)等等。至於這次分析的這片是哪個廠商的,因為涉及到品控,所以具體的不方便透露。78L05在電腦的主機板上很常見,就是圖中紅框裡的這片,只有小手指甲的一半大小:

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非常常見的元件,某寶上也很容易買到:

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78L05 SOP_淘寶搜尋s.taobao.com去看看


某寶上的價格其實是零售價了,一般拿的量比較大的話,單顆的採購價大約是2美分左右,摺合人民幣0.13元。

網上隨便找了張DATASHEET,這是PIN腳定義。比較簡單,DC12V入5V出,然後供給下一步繼續降壓或者直接供電壓輸入是5V的晶片。

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先放在高倍光學顯微鏡下觀察,放大倍率60倍:

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背面:

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使用強酸溶液將樹脂外殼溶解,即Decap操作,當中的矽片露出來了。注意,矽片只佔整個78L05中間很小的一部分:

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高倍光學顯微鏡下,進一步放大觀察Die(裸片)。PIN腳的定義很容易理解了:一個輸入,一個輸出,4個是接地,還有2個NC:

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用X光檢查是否有斷線或折斷:

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光學顯微鏡下,繼續放大,可見3根銅線連線(bond)在裸片(die)上:

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3個BOND點的區域性放大圖,都正常:

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好了,光學顯微鏡的部分到此結束。接下來,進行SAT驗證,產品正常,沒有Delamination(分層),粉紅色是產品過IR後因不同材料不同膨脹係數的自然現象,正常。

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接著,進行EMMI(Emission Micro Scope)比對(關於顯微鏡成像分析,具體可參考維基百科。經過微光顯微鏡驗證,發現良品與不良品的現象相同,因而判斷這片不良品的Chip並沒有Crack的現象。

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於是,接下來輪到電子顯微鏡上場,來幫助釐清問題了。

晶片(Die)的側面:

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晶片(Die)與底座接合處:

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矽片的正面(500倍):

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鳥瞰圖(500倍) :

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將銅線的連線處,區域性放大到5000倍,發現問題了:

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再放大到10000倍,看得更清楚了,發現了Crack(破裂):

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那麼,良品應該是怎樣的呢?如下圖(5000倍):

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再放大到10000倍,良品是沒有破裂的:

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至此,問題基本釐清了。接下來,就是依照產品的批號等資訊,回溯到工廠產線上負責接線的裝置和人員上了,距離root cause也就不遠了。有網友可能會好奇,一個78L05,值得花費這麼大的力氣嗎?其實,由於涉及到的量比較大,所以肯定是值得去分析的。

其實7805的單顆成本很低,但就是因為小零件出問題,導致整個系統就出大問題。故障分析的目的就是找出根本原因(root cause),杜絕問題再次出現。希望這篇文章,能夠幫到大家瞭解到更微觀的IC內部的世界!

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