芯片里面长啥样?扫描电子显微镜放大10000倍告诉你

芯片里面长啥样?扫描电子显微镜放大10000倍告诉你

这次文章的主题是芯片内部的结构。所谓芯片,其实就是集成电路(IC,全称Integrated Circuit),其实就是通过光蚀刻等方法,将传统的电路集成到一片硅片上。

目前最新IC工艺早已进入纳米级(10的-9次方),也就是0.000000001米。例如英特尔的最新的工艺已经进入14nm,正逐步向10nm推进,而台积电和三星也早已开始了7nm工艺的预研。要想用显微镜看清这些产品的线路,那对显微镜的放大倍数有着极高的要求。没有几十万倍的放大倍率是做不到的,普通企业的实验室根本不可能做到。

因而本文所展示的这个78L05还距离纳米级别有一段距离。78L05是模拟功率器件,内部结构相对比较简单,线宽也比较大,应该说是属于微米级别的。因而用10000倍的扫描电子显微镜(SEM)就可以看得相当清楚了。只是想抛砖引玉,说明一下原理,毕竟半导体的原理基本都是相通的。

这篇文章其实也是源于笔者所在的公司最近做的一个故障分析项目(Failure Analysis),毕竟普通家庭不可能配备电子显微镜这种设备。笔者公司的实验室其实也只有一台5000倍的SEM。后面10000倍的那个扫描隧道显微镜的图片还是去其他单位的实验室照的。

好了,说了那么多,究竟是哪块芯片呢?其实就是一片SOP封装的78L05,8个pin。是主板上很常见的芯片,是一颗12V转5V的稳压块芯片。很多厂家都有做,比如ST(意法半导体)等等。至于这次分析的这片是哪个厂商的,因为涉及到品控,所以具体的不方便透露。78L05在电脑的主板上很常见,就是图中红框里的这片,只有小手指甲的一半大小:

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非常常见的元件,某宝上也很容易买到:

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78L05 SOP_淘宝搜索s.taobao.com去看看


某宝上的价格其实是零售价了,一般拿的量比较大的话,单颗的采购价大约是2美分左右,折合人民币0.13元。

网上随便找了张DATASHEET,这是PIN脚定义。比较简单,DC12V入5V出,然后供给下一步继续降压或者直接供电压输入是5V的芯片。

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先放在高倍光学显微镜下观察,放大倍率60倍:

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背面:

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使用强酸溶液将树脂外壳溶解,即Decap操作,当中的硅片露出来了。注意,硅片只占整个78L05中间很小的一部分:

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高倍光学显微镜下,进一步放大观察Die(裸片)。PIN脚的定义很容易理解了:一个输入,一个输出,4个是接地,还有2个NC:

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用X光检查是否有断线或折断:

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光学显微镜下,继续放大,可见3根铜线连接(bond)在裸片(die)上:

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3个BOND点的局部放大图,都正常:

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好了,光学显微镜的部分到此结束。接下来,进行SAT验证,产品正常,没有Delamination(分层),粉红色是产品过IR后因不同材料不同膨胀系数的自然现象,正常。

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接着,进行EMMI(Emission Micro Scope)比对(关于显微镜成像分析,具体可参考维基百科。经过微光显微镜验证,发现良品与不良品的现象相同,因而判断这片不良品的Chip并没有Crack的现象。

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于是,接下来轮到电子显微镜上场,来帮助厘清问题了。

芯片(Die)的侧面:

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芯片(Die)与底座接合处:

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硅片的正面(500倍):

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鸟瞰图(500倍) :

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将铜线的连接处,局部放大到5000倍,发现问题了:

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再放大到10000倍,看得更清楚了,发现了Crack(破裂):

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那么,良品应该是怎样的呢?如下图(5000倍):

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再放大到10000倍,良品是没有破裂的:

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至此,问题基本厘清了。接下来,就是依照产品的批号等信息,回溯到工厂产线上负责接线的设备和人员上了,距离root cause也就不远了。有网友可能会好奇,一个78L05,值得花费这么大的力气吗?其实,由于涉及到的量比较大,所以肯定是值得去分析的。

其实7805的单颗成本很低,但就是因为小零件出问题,导致整个系统就出大问题。故障分析的目的就是找出根本原因(root cause),杜绝问题再次出现。希望这篇文章,能够帮到大家了解到更微观的IC内部的世界!