專利名稱：故障分析方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用燒蝕激光器對電裝置和電路進行故障分析的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
常規(guī)集成電路(IC)的基本結構包括由多個細引線包圍且與其連接的矩形半導體晶片或芯片，所述多個細引線還連接到較厚的金屬路線的周圍框架上，該金屬路線又形成IC的外部引腳。除了外部引腳，通常將整個組件封裝在由模制混合物構成的包裝殼中。當將IC安裝到電路板上時，通常將IC的引腳焊接到電路板上的對應焊盤上。
安裝在電路板上的復雜IC會由于多個原因中的任一個而發(fā)生故障，所述原因包括內部晶片或芯片的故障、附接到該晶片的多個細引線的故障、以及在該晶片、引線和周圍的引腳框之間的多個連接點的故障。確定多個批量制造的IC中的即使一個的故障原因就可以為防止進一步的故障和改善IC制造工藝提供有用的信息。
在許多情況下，確定IC故障原因的唯一方法是通過對IC內部，即晶片、引線、引腳框及其之間的焊接連接進行目視檢查。而且，可能需要對內部點進行物理接觸以隔離問題。例如，物理接觸可以允許分析器電探測IC的部分以確定功能性。雖然X射線和超聲波成像技術能夠提供可視信息，但是它們不能提供對內部點的物理或電接觸。
通過除去包圍在IC晶片周圍的模制混合物，相關的引線和/或引腳框可以對關鍵的可能故障點提供可視的和物理上的接觸。但是，以不引入更多損壞的方式這樣做，這證明是困難的或者是不可能的。公知的是，常規(guī)方法損壞非常細的引線或晶片，使得不可能確定故障的真正原因。而且，當進行故障分析時，經常希望在暴露的狀態(tài)下通電并操作IC。如果除去模制混合物損壞了IC使其不能工作，則不可能進行這種分析。
因此，需要一種方法和系統(tǒng)，其可以除去IC的模制混合物以提供對IC的精密內部結構的物理和可視的接觸，而不損壞所述內部結構。
IC故障的另一可能來源與模制混合物本身相關。通常，由于模制混合物的組成的不純或不一致，在IC的部分中可能出現溫度升高的“熱點”或區(qū)域，這能夠引起或促使IC的部分或整體出現故障或降級。阻止這些熱點的出現對于高速且復雜的IC來說是極其關鍵的，所述IC在其正常工作時經常需要輔助冷卻措施，例如風扇和散熱片。為了避免在今后裝置的模制混合物中出現這些缺陷，希望分析故障裝置的模制混合物的組成，以確定是否存在這些缺陷、這些缺陷的特征以及這些缺陷的位置。但是還沒有已知的滿意方法或系統(tǒng)用于做這些。
另一個問題是關于對在現有技術中還沒有被充分訪問的電路進行故障分析，該問題要求對其上安裝有故障裝置的電路板進行精確的切割。當對安裝在電路板上的例如IC的元件進行故障分析時，經常需要或者希望將該元件從電路板上移開。已知的方法包括使用例如精細金剛石鋸或射流的工具圍繞該元件切割電路板。利用這些機器所形成的切口的寬度通常是“0.005-0.003”。而且，這種機械切割方法引入了較大的振動，該振動會損壞周圍的元件或者它們與電路板的連接。對與切口鄰接的區(qū)域或元件的可能損壞也是在例如單獨化(singulation)的制造過程中的問題，其中將一個或多個較小的電路板從較大的板分離。為了將電路板的密度最大化，通常有必要將元件放置在接近該板的邊緣。常規(guī)的具有較大的切口寬度且可能導致?lián)p壞切口附近的部件的切割工藝限制了將元件放置在接近該板邊緣的能力。
由于安裝在電路板上的元件的密度日益增加，因此需要一種切割電路板的方法，該方法提供一個非常精細的切口，并且還將對圍繞該切口的區(qū)域的任何損壞最小化。

發(fā)明內容
本發(fā)明通過有利地采用了在多種用于進行故障分析和切割IC、電路板等的新穎方法和系統(tǒng)中的激光，克服了現有技術的上述限制。
在本發(fā)明的示例實施例中，使用激光除去IC的模制混合物，而不損壞精密的內部晶片、引線、焊接連接和其它在模制混合物內封裝的關鍵結構，從而保留它們以用于可視的和電分析。通過適合的光學元件將激光束聚焦在平面上，該平面與IC的表面相對應以從其開始燒蝕模制混合物。以例如光柵圖形的圖形移動聚焦的激光束穿過IC表面的選擇區(qū)域，從而除去多層模制混合物，并隨著每次通過更深地進入該混合物中。在另一個實施例中，激光束是靜止的，而通過定位工作臺以希望的圖形來回移動IC。
本發(fā)明的系統(tǒng)還可以將模制混合物的選定部分除去至選定深度。利用來自成像數據的位置信息，利用本發(fā)明的系統(tǒng)可以確定并暴露裝置的關注小部分。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以用于檢測多種類型的故障，包括分離的引線、壞的焊點和其它損壞的內部元件或連接。
除了上述的缺陷，本發(fā)明的系統(tǒng)還可以檢測和分析用于封裝IC的電子元件的模制混合物中的缺陷。在本發(fā)明的另一實施例中，提供檢測器和光譜分析器來分析由燒蝕工藝所發(fā)出的激光羽，從而指示被燒蝕的材料的組成?？梢垣@得所除去的模制混合物的組成，并以三維表示將其提供給用戶。
在本發(fā)明的另一方面，提供一種用于精確切割IC、電路板等中的選定部分。


圖1是根據本發(fā)明的系統(tǒng)的第一示例實施例的方框圖，在該系統(tǒng)中將激光束引導經過裝置上的希望圖形，該裝置的封裝材料將通過激光燒蝕除去；圖2是根據本發(fā)明的系統(tǒng)的第二示例實施例的方框圖，在該系統(tǒng)中將激光束引導到裝置上，該裝置的封裝材料將通過激光燒蝕除去，并且在該系統(tǒng)中相對于激光移動所述裝置，以便將材料從裝置的選定區(qū)域中除去；圖3示出了從示例性材料的燒蝕中發(fā)出的光譜，該光譜被疊加在包絡線中，所述示例性材料的光譜被期望落入所述包絡線中；圖4示出了通過燒蝕除去的材料塊的三維表示圖，所述材料塊通過利用本發(fā)明的分析方法被檢測出其中存在異常；圖5是根據本發(fā)明的系統(tǒng)的示例實施例的方框圖，在該系統(tǒng)中，將激光束引導到IC或電路板上，用于將IC或電路板切割成多個部分。
具體實施例方式
圖1是根據本發(fā)明的系統(tǒng)100的示例實施例的方框圖。將將要分析的裝置，例如集成電路(IC)101放置在平臺105上，在該平臺上由一對反射板151和152和透鏡元件140引導并聚焦由激光器110所產生的激光束107。操作由可被耦合到用于人機交互的用戶界面130的控制器120來控制。例如，控制器120和用戶界面130可以是工作站、個人計算機等的一部分或者可以被獨立地放置。
在操作中，當該束107以選定的圖形移動經過IC101表面上的選定部分時，IC是靜止的。在任何時刻，激光束107都會與IC101表面上的一點接觸。然而，對于人眼來說，根據引導該束107經過IC101表面的快慢，該束可以在IC101表面上呈現為線形或矩形。當該束107與IC101的表面接觸時，燒蝕并從而除去接觸點上的少量模制混合物。當引導該束107經過IC101表面時，除去在其中引導該束107的圖形中的模制混合物。
可以將由激光束107經過的圖形(或者燒蝕圖形)選擇為覆蓋該裝置101表面的任何希望的部分，所述部分具有多種幾何形狀(例如，矩形，圓形)中的任一種。優(yōu)選選擇該圖形使得當激光每次在圖形上經過時除去一致的材料層。通過在圖形上連續(xù)經過激光來除去連續(xù)層的材料。當除去每層材料時，將激光引導到裝置101新暴露的表面上以除去下一層。該燒蝕過程可以在任意點停止。因此，除了將材料從裝置101希望的區(qū)域除去以外，該系統(tǒng)還可以除去材料至希望的深度。
由激光110產生的激光束107首先被反射板151反射，該反射板通過致動器161繞第一軸轉動。該板151將束107反射到基本上與板151垂直取向的反射板152上。板152將光束反射到透鏡元件140上。通常，致動器161會使板151以擺動形式轉動，使得光束在板152上沿直線行進。同樣，致動器162使板152以擺動形式轉動，使得光束在透鏡元件140上沿二維光柵圖形行進。反射板151和152優(yōu)選是薄的且質量小。致動器161和162優(yōu)選為高速電流計電動機。小質量的反射器和高速電動機的組合使得聚焦的激光束以高達每秒幾千英寸的速度行進。
致動器161和162由控制器120控制?？蓱糜诒景l(fā)明的激光引導子系統(tǒng)包括板151，152、致動器161，162、所有需要的控制電路和相關軟件，所述系統(tǒng)可以從Cambridge Technologh，Inc.of Cambridge，MA獲得。
無論板151和152的方向和激光束107行進的路徑長度如何，透鏡元件140用于將激光束聚焦到單個平面上。例如，透鏡元件140可以是“平掃描場透鏡”或“遠心透鏡”，其接收以角度入射的激光束，并在透鏡輸出端將其聚焦到平面中。這些光學元件的來源包括德國的Sil和Rodenstock。
通過在IC101的表面上高速移動激光束107，激光束在每個點上停留的時間非常短，從而最小化了激光可能對燒蝕工藝想要暴露的精密下層結構的損壞。從而最終的熱影響區(qū)(HAZ)被保持為非常小(例如小于1微米)。可以有效地除去IC的所有模制混合物，從而在每點留下下面的功能性“輪廓”，使得所述輪廓是電學完好的、甚至是可以被通電的狀態(tài)。
另一個考慮是所使用的激光發(fā)射的波長。其中可以使用綠色(～532nm)、UV(～266nm)、IR(～1064nm)、和CO2(～10640nm)的波長。用于應用中的最好的波長依賴于將被燒蝕的材料的類型和將被暴露的下層結構的組成。對于使用普通模制混合物的IC來說，發(fā)現IR波長工作得較好，沒有損壞較薄弱的下層結構，即，用于將晶片附接到IC引腳的細銅線。還可以對IC使用波長為約1319nm的激光，因為它不會損壞主要由硅組成的晶片。所述細銅線不受IR或1319nm波長的影響，也不受其它波長例如綠色波長的影響。例如，銅趨向于反射IR波長。因此，通過使用IR波長，進一步減少了對這些元件的損壞，如同HAZ。因此，通過基于將暴露的裝置的組成選擇合適的激光波長，可以優(yōu)化本發(fā)明的工藝。本發(fā)明不限于任何特定波長的激光。
激光器110可以是調Q的并由控制器120控制。其中可以使用可從紐約Quantronix Corporation of East Setauket獲得的25瓦二極管泵浦或75瓦燈泵浦IR激光器作為激光器110。
圖2示出了根據本發(fā)明的系統(tǒng)200的第二實施例。在該實施例中，將將要暴露的裝置，例如IC201，放置在由一組致動器261和262驅動的X-Y定位工作臺205上。激光器210產生激光束207，該激光束與IC201的表面接觸。在該實施例中，激光器210是靜止的，而IC201相對于激光器以希望的圖形移動，使得激光束207根據該圖形燒蝕模制混合物。致動器261和262可以是直流伺服電動機，或其它合適的裝置，且由控制器220控制。由于相比于第一實施例中的激光引導反射器的通常較重的X-Y定位工作臺205的質量，因此該裝置相對于激光束可以移動的速度基本上小于圖1的實施例中的速度。結果，激光束207在IC201上任一點所停留的時間和執(zhí)行每次經過燒蝕圖形所需要的時間通?；旧洗笥谠趫D1的實施例中可以獲得的時間。
在本發(fā)明的另一方面，提供一種分析用于封裝裝置的模制混合物的組成的方法。當本發(fā)明的系統(tǒng)的激光燒蝕模制混合物時，發(fā)出燒蝕光或“激光羽(laser plume)”，其光譜表現出被燒蝕的模制混合物的組成的特征。通過對所發(fā)出的光進行光譜分析，能夠確定且繪制在沿激光行進的圖形的每點被燒蝕的模制混合物的組成，以提供被除去的模制混合物的體組成的圖形。
如圖1所示，提供檢測器185來檢測從燒蝕過程中發(fā)出的光。該檢測器185與光譜分析器180耦合，用于分析所發(fā)出的光的光譜。分析器180可以與控制器120或人機界面130耦合。可以在圖2的系統(tǒng)中安裝類似的配置?？捎糜诒景l(fā)明的光譜分析系統(tǒng)可以從Ocean Optics Inc.of Dunedin，Florida獲得。
圖3示出了示例光譜300，當燒蝕示例模制混合物時可以發(fā)出該光譜。對討論中的模制混合物可以確定包絡線310，所述包絡線具有希望光譜值。例如，可以從模制混合物的制造商獲得這種光譜包絡線310?？梢詫Χ喾N模制混合物保持光譜包絡線310的庫。
如果對特定模制混合物檢測的光譜300沒有落入其對應的光譜包絡線310，如圖3中325所示，則可以將該偏移記錄并報告給用戶。此外，當發(fā)生這種偏移時，還可以獲得發(fā)生該偏移的混合物的層，以提供對引起該偏移的異常的深度指示(即，z坐標)。而且，在發(fā)生該偏移時，還可以獲得激光在該層中的位置(即，x和y坐標)，以提供異常在發(fā)生偏移的模制混合物內的位置?？梢允褂盟@得的光譜和位置信息來產生被除去的模制混合物體和在其中檢測到的異常的三維表示。這樣的示例性表示在圖4中示出。如圖4所示，示出了通過本發(fā)明的燒蝕過程除去的材料體401，其具有異常425。除了確定該異常的位置，該系統(tǒng)可以提供其它測量，例如其尺寸和體積。
除了提供模制混合物中的異常的空間信息，還可以以其光譜特征的形式獲得這種異常的組成并提供給用戶。無論是否存在該異常，都可以使用該系統(tǒng)，以提供模制混合物在其整體中的組成。
如上所述，本發(fā)明的系統(tǒng)可以從裝置的選定部分除去材料，所述部分具有選定的形狀，并可以除去材料至裝置中的選定深度。通過僅將該工藝限定到裝置的關注部分，所述能力降低了分析所述裝置所需的時間。而且，所述能力可以與來自其它源的信息結合以確定和指示關注區(qū)域。例如，使用來自X射線或超聲波成像裝置的成像數據，可以在本發(fā)明的系統(tǒng)中使用在成像數據中確定的異?；蜿P注區(qū)域的坐標，來僅僅除去接觸所述關注區(qū)域所需的模制混合物部分。該能力還可以用于成像數據顯示在模制混合物中存在異常的情況中。在這種情況下，成像數據可以用于引導將模制混合物從關注區(qū)域除去，以便對關注區(qū)域中的模制混合物進行光譜分析(與暴露封裝電結構以用于檢察相對)在本發(fā)明的另一方面，圖5示出了系統(tǒng)500的示例實施例，該系統(tǒng)用于切穿電路板501的選定部分。除了將選定的元件從該電路板501中除去，圖5的系統(tǒng)可以用于切穿元件和電路板501以提供選定部分的截面圖。該系統(tǒng)500包括目視系統(tǒng)590、X-Y定位工作臺505、激光器510、控制器520和人機界面530。將電路板501放置在定位工作臺505上，并且由目視系統(tǒng)590顯示所述電路板的圖像，以用于人機界面530上的顯示。用戶然后可以使用一組屏幕上的工具來繪制圍繞將被切割或除去的區(qū)域的二維形狀(包括線、弧、矩形、圓形等，或其組合)。用戶還可以限定切割的深度或者該系統(tǒng)可以完全切穿電路板501。然后切割系統(tǒng)沿著選定的形狀并切穿電路板，以完整地除去希望的部分?？赡苄枰啻瓮ㄟ^以切割到希望的深度或者完全切穿電路板。
系統(tǒng)500可以產生寬度小至0.002英寸的切口，從而允許它在切割時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，以提供精確的元件內部的截面圖。由于激光工藝的小熱影響區(qū)(HAZ)，因此可以這樣做而不會增加對將分析的關注區(qū)域或元件的損壞。系統(tǒng)500的HAZ為1微米或更小的數量級。這相當于0.005-0.030的機械切割寬度。
盡管圖5中的示例系統(tǒng)限定了相對于靜止激光器移動電路板，但是如下的可選實施例也可以落入本發(fā)明的范圍中，其中相對于靜止的電路板移動激光器或引導激光束。
除了分析例如IC的電裝置，本發(fā)明可以應用到各種其中暴露封裝結構而不損壞該結構的應用中。另外，本發(fā)明的系統(tǒng)還可以用于其中希望通過激光燒蝕確定將被除去的混合物的組成的情況中。而且，如上所述，通過使用適當的激光器，本發(fā)明的系統(tǒng)可以適于大范圍的材料。
可以理解，盡管上文中結合優(yōu)選的具體實施例描述了本發(fā)明，但是所述描述趨向于是說明性的而不是為了限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明范圍由所附權利要求書限定。實際上，根據上文的描述和附圖，除本文所述之外的對本發(fā)明的各種修改對于本領域的技術人員是顯而易見的。這種修改將落入所附權利要求書的范圍中。
另外可以理解，所有數值都是一定程度的近似值，其用于描述目的。
可在本申請中引用的任何專利、專利申請和公開文本的公開內容在此整體引用作為參考。
權利要求
1.一種用于暴露由材料封裝的結構的方法，包括產生激光束；將所述激光束引導到所述由材料封裝的結構上；以及利用所述激光束燒蝕所述材料，而不損壞所述結構。
2.如權利要求1所述的方法，包括提供所述激光束與所述封裝結構之間的相對位移，以燒蝕一個區(qū)域上所述材料。
3.如權利要求2所述的方法，其中將所述激光束可移動地引導到所述封裝結構上。
4.如權利要求2所述的方法，其中移動所述封裝結構并固定所述激光束。
5.如權利要求1所述的方法，包括分析通過燒蝕所述材料產生的光羽，以確定所述材料的組成。
6.如權利要求5所述的方法，包括確定所述激光束的位置，以便提供對所述材料的組成的空間表示。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述封裝結構包括集成電路。
8.如權利要求3所述的方法，其中所述激光束被一個或多個電致動反射鏡引導。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述激光束具有在約266nm到10640nm的范圍內的波長。
10.如權利要求3所述的方法，包括將所述激光束聚焦到平面中。
11.如權利要求10所述的方法，其中使用平掃描場透鏡和遠心透鏡中的至少一個將所述激光束聚焦到平面中。
12.如權利要求1所述的方法，其中燒蝕所述材料產生不大于1微米的熱影響區(qū)。
全文摘要
一種方法和系統(tǒng)，用于暴露被封裝在模制混合物中的裝置的精密結構，例如集成電路(IC)。使用激光燒蝕所述模制混合物而將其除去，從而暴露下面的結構?？梢栽谘b置表面上以希望的光柵圖形引導激光束，或者可以相對于激光束以希望的圖形移動裝置?？梢詫τ蔁g工藝發(fā)出的激光羽進行光譜分析，以便確定燒蝕的材料的組成。因此，除了暴露下面的結構中的缺陷，該系統(tǒng)還可以用于分析封裝材料，以便確定其是否包含任何缺陷或異常。還描述了一種用于以用戶選擇的圖形精確切割電路板或IC的系統(tǒng)。該系統(tǒng)沿由用戶通過利用圖形界面而指定的路徑來引導激光。
文檔編號H01L21/46GK1836314SQ200480022971
公開日2006年9月20日 申請日期2004年7月15日 優(yōu)先權日2003年7月15日
發(fā)明者G·B·安德森 申請人:控制系統(tǒng)化公司