显卡芯片显示异常的失效分析

显卡芯片显示异常的失效 显卡芯片显示异常的失效分析 2011年1o月 繁1o期 电子测试 ELEcTR0NlcTEST Oct.2o11 No.10 显卡芯片显示异常的失效分析 朱晓龙,祝永新 (上海交通大学微电子学院,上海,200030) 摘要:显卡芯片是构成计算机最重要的部件之一,运用芯片失效分析的方法和依照严谨的失效分析流程准确迅 速地发现芯片失效的根本原因对显卡芯片及计算机系统集成制造的品质改善至关重要.由于显卡芯片具有一定 的特殊性,因此我们根据半导体器件失效分析的基本流程提出了针对显卡芯片显示异常的失效分析的改进流 程.同时通过对一组显卡芯片显示异常实际案例的分析,运用显卡芯片显示花屏的主要分析方法,找到显卡芯 片显示花屏的根本原因,体现其失效分析流程的针对性和有效性. 关键词:显卡芯片;FCBGA;失效分析;分析流程;失效原因 中图分类号:TN3文献标识码:B Validationanalysisofabnormal displayongraphicchip ZhuXiaolong,ZhuYongxin (SchoolofMicroelectronics,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai,200030) Abstract:Thegraphicchipisoneofkeypartsofcomputer.FoUowingupmajorfailureanalysis methodsandaspecific failureanalysisprocessareveryimpo~anttothequalityimprovementofgraphicchipandcomputermanufacturing, SOthat wecouldfindouttherootcausesoffailingchipsCorrecdyandtimely.BasedonbasicICfailureanalysisprocessandfailure analysisofaserialofabnormaldisplayongraphicchips,thispaperhasdetailedthemajorfailureanalysismethodstofindout rootcausesandsunlii~rizegraphicchipfailureanalysisprocessofthisfailuremode. Keyw0rds:graphicchip;FCBGA;failureanalysis;failureanalysisprocess;rootcause 设计与研发2o11.10 发现失效位置; (8)综合分析实验结果得出芯片失效原因,提出改善 ,总结失效分析. 根据以上分析步骤,显卡显示异常的典型案例和以往 显卡显示失效的数百个实例,总结出以下显卡芯片显示异 常的失效分析流程图,如图4所示. 由于多数隋况下失效分析的关键性样品十分有限,有 时只能容许一次取样,一次观察和测量.如果在失效分析 程序上走错一步,可能导致整个分析的失败.以上的分析 流程图是对显卡芯片显示异常这一失效模式的分析步骤和 方法进行了更为直观的阐述,以下我们将针对显卡芯片显 示异常的典型案例应用以上失效分析方法和流程找到其失 效的根本原因,从而说明此流程的针对和有效性. 2显卡显示异常的失效分析实际案例 2.1显卡芯片造成屏幕无显的案例分析 2.1.1,案例1 某计算机主板在功能测试过程中发现主机开机后屏幕 无显示,显卡芯片样品外观见图5.在从主板拆焊显卡芯 片前,x一,检测仪是检测主板BGA(显卡)焊点的常用 仪器,它可以检测出焊点的桥连,空洞,虚焊,缺球,错 位等缺陷.用x射线检测仪对样品BGA焊点进行检查, 未发现异常,排除了焊接过程中焊料产生的连锡或回流不 充分等焊接缺陷导致焊点互连失效的可能性.后经交叉验 证排除其是由锡裂或冷焊造成,并确认是由于芯片本体导 致显示功能失效. 图5案例1显卡芯片样品外观图 2.12外观检测 光学显微镜是检测芯片表面状况常用设备,它可以检 测出芯片的破裂,划伤,碎裂,缺件等缺陷.现用显微镜 对样品放大50倍对其进行全面外观检查.从显微图片可 以看出,芯片左下角处存在细微碎裂,如图6所示. 图6案例1样品Die左下角外观放大图 图4显卡芯片显示异常的失效分析流程图 11.10 Design&ResearcA 2.1.3超声波扫描显微镜检测 超声波扫描显微镜检测芯片可在不破坏其封装白勺|隋况 下观察芯片内引线和界面完整性,芯片粘接的完整性,微 裂纹,界面分层l.通过CSAM对不良芯片进行检测(见 图7).从CSAM成像图片上可以看出,芯片Die存在大面 积碎裂,可以确定芯片Die曾受到异常的应力. 图7粟例1样品CSAM放大图 芯片碎裂是显卡芯片的一种失效模式.显卡的Die 由硅制成,属于高脆性材料,芯片碎裂归根结底是由应 力造成.半导体器件失效的原因大体分为两种情况: 第一,前期生产因素导致的失效,即器件本身固有缺陷导 致的失效;第二,后期使用不当或使用中的异常因素导致 的失效.由于显卡芯片使用前经过严格的ATE电性测 试和功能测试(SystemLevelTest),因此可首先排除器件 本身固有缺陷导致的此类失效.故造成显卡芯片Die在 使用中碎裂的可能原因如下: (a)显卡芯片(FCBGA)是湿敏元器件,真空破裂受 潮后经回流焊工艺,"爆米花效应"导致芯片Die碎裂. (b)不正确的拆装显卡散热器,导致异常且不均衡外 力压迫芯片Die,造成其芯片Die碎裂. (C)在SMT贴装显卡芯片时使用错误Reflowprofile 或是从主板上拆焊显卡芯片时使用错误的Reworkprofile, 热应力造成芯片Die碎裂. 根据以上失效原因,建议依照湿敏元器件的保存及使 用进行芯片应用,正确拆装显卡散热器以及依照 的Reflowprofile(J-STD一020汲Reworkprofde(J-STD一033) 贴装和拆焊显卡芯片. 2.2显卡芯片造成屏幕显示花屏的案例分析 22.1案例2 某计算机主板在功能测试过程中发现开机后屏幕显示 巴 花屏.主板及显卡芯片经显徽镜外观检测,X—Ra1 CSAM检测均未发现任何异常.由于轻压显卡芯片 能可l灰复正常,所以先对主板的失效原I进行分析. 222系统级显卡芯片功能测试 系统级显卡芯片测试工具是在DOS或Unix. 运行显卡专用测试软件,它可有效分析和反映显卡 部存在的问题,可有效缩短失效分析时问和确定失 对不良主板在DOS环境下运行测试程式检测出此芯 角位异常,见图8.对芯片进行施加均衡压力后重 错误信息消失,由此推断芯片A2()角位存在与主板 实或芯片Die与衬底焊接不实造成失效. 图8案例2样品主板显示花屏及显卡功能测试不良信 22,3微切片分析检测 先对主板与芯片A20焊接点进行微切片,通 打磨,抛光,微蚀对显卡边缘(A排,2()列)焊点进i 运用金相显微镜观测,由金相切片图观测发现:A= 存在开裂和空洞现象,开裂位置发生在显卡焊料球 焊盘间,并且焊点中发现巨大空洞(经测量空洞尺 收收范围),见图9. 图9案例2样品A20焊点微切片图 焊接锡裂,空洞是显卡芯片的一种失效模式 主要发生在IMC与PCB焊盘问经过以上分析 设计与研发2o11.1o 卡芯片焊接不实的主要原因如下: (a)印刷电路板时,焊料严重不足造成锡球与PCB铜 箔焊接不实. (b)焊接时产生的空洞及过厚过粗的锡铜,锡银合金 层降低了焊点的机械强度,当主板变形弯曲产生的内应力 造成焊接点锡裂. 根据以上失效原因,建议增加并且实时检测印刷下锡 量,优化回流焊接工艺,避免过厚,过粗的IMC的形成; 避免焊接过程中主板骤热骤冷,降低热应力的产生. 2.3显卡芯片造成屏幕显示异色的案例分析 2.3.1案例3 某计算机主板在功能测试过程中发现显示功能红,绿, 蓝基本色中蓝色异常,主机开机后屏幕显示异色.主板的 CSAM未发现任何异常, 显卡芯片经X—Ray,光学显微镜, 用万用表测试后发现角位DACA_BLUE对地点短路,交叉 验证芯片确认芯片失效,CurveTrace测试和ATE测试确认 芯片DACA_BLUE对地点短路.I,,,曲线测试如图l0所示. Sony/TektPot}ix370B DAtABLUE点位对地短'路十 ', . ./ /./ // f. |I, 图10案例3样品DACA—BLUE点位IN曲线测试图 显卡专用软件在系统上测试芯片时显示以下错误代码, 如图1l所示. 2.32采用湿化化学腐蚀法对芯片开封检测 需要选用对塑封材料有高效分解作用的蚀刻剂.将器 件放入发烟硝酸和浓硫酸中加热,待塑料腐蚀完后,取出 芯片Die,先用异丙醇或无水乙醇清洗,最后再用去离子 水清洗干净,经过显微镜观察发现DACA_B1UE线路位 置存在ESD损坏,如图12所示. En$erG1obaq.checkD{5plays Ex5t35188:6]oba].che&~D{splaysbaddaC EX5t35188:FU/qCY{0n.eva]badaac checkoisplaystes1:t=a5]ed. Errorcode=35188(baddac—blue 显卡芯片在角位 DAC_ BLUE错误 苷苷斧苷苷簪苷苷苷 苷苷苷#苷挚警警挚斧苷挚警苷苷苷警挚挚警 静苷苷苷警替苷苷静静警挚苷苷苷静静苷苷苷 图11案例3样品芯片显卡功能测试不良信息图 图12案例3样品开封后芯片线路检测图 ESD模式主要有人体放电模式,机器放电模式,组件 充电模式3种.根据ESD物理特征,实验数据和图像分析, 可以得出:(1)ESD通常会有多个失效点(2)失效位置离散 (3)有比较明确的放电路径,多数为对地放电(4)在放电路 个起始点[10]o因此由芯片的损坏 径未知时,很难追溯到— 模式的随机性可确认其是由ESD造成.造成ESD的主要 原因如下: (1)生产设备及人员无接地静电防护. (2)计算机主板及主件(例如显示器)静电释放造成 损坏. (3)在整个计算机生产过程中没有离子风扇,累积的 静电击穿芯片. 根据以上失效原因,可以参照ANSI/ESD$20.20—2007 得到具体的ESD管控方法. 3改进失效分析流程的效果 通过对过去两年的此类失效案例的统计,应用此分析 流程,失效分析的准确性从原先的85%提高到94%,失效 耋|耋|耋|柑斛柑暑}榉耋}耋||差|差;}耋|;|耄}耋| 2o11.10 Design&Research 分析的周期也从原先的l1个工作日左右缩短至6个工作 日左右.如表1所示. 表1显卡显示异常案例失效分析统计表 4结束语 显卡功能和其FCBGA的封装形式具有特殊性,显卡 芯片的失效分析是一项复杂细致的工作,其失效分析流程 更是失效分析成败的关键之一.综上所述,本文通过显卡 显示异常的失效实例,改进了其失效分析方法和分析流程, 它将有利于从错综复杂的现象中找到问题的根源,从而解 决实际工程测试和生产中的问题,提高显卡芯片应用在计 算机系统集成制造及测试中的生产品质,同时也为提高显 卡芯片分析效能提供了切实的参考依据.最后,此显卡芯 片失效分析流程将对同类型芯片的失效分析流程及应用提 供有益借鉴. 参考文献 【1】TadanofiSHIMOTO,KarsumiKIKUCHL~gh-performance FCBGAbasedonmulti—-layerthin—-substratepackaging technology[J].NECRes.&Develop.2(X)3.44(3). [2】恩云飞,罗宏伟,来萍.电子元器件失效分析及技术 发展『J1.失效分析与预防,2006,l(1). [3]梁惠来,张国强.Ic失效分析方法的研究【J1.电子测 量技术,2006,29(4). [4]宁叶香,潘开林,李逆.电子组装中焊点的失效分析 [JJ_电子工业专用设备,2007:152. ft51汪洋,莫云绮,何为,林均秀,徐玉珊,万永东.BGA 焊点失效分析IJ1.表面安装技术,20()8,7(04). 【6】HUANGCHJ,ROSTTA,MCPHERSONJW. Degradationofoff-stateLeakageinPMOSTransistors underHotcarrierInjectionfC1.IEEEInternationa1. 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