现代电子设备正经历着日益复杂的三维微型化进程。当今的电子产品需要在有限空间内集成更多功能，导致新一代封装技术中出现了嵌入多个芯片的复杂系统设计。倒装芯片和铜柱互连、多
MEMS-IC
系统以及新型传感器设计等技术的出现，都体现了这一演变趋势。
这种技术进步虽然推动了设备性能的提升，但也使故障分析工作变得更加具有挑战性，尤其是在前端与后端工艺集成方面的潜在故障模式更加集中。
PFIB
技术简介
在这一背景下，等离子体聚焦离子束
(Plasma FIB
，
PFIB
)
技术作为一种新解决方案应运而生。结合
扫描电镜（
SEM
）
，
PFIB
能够以最小化破坏性方式深入分析复杂设备，特别是在传统技术受限的情况下。其核心优势在于能够调查那些使用常规方法难以或无法接触的兴趣点，同时保持设备大部分结构的完整性。
与传统的镓离子束相比，
P
FIB
采用了功率更强大的氙离子束，在
30 keV
能量条件下可达到
2.3 μA
的最大电流，这使得其蚀刻速率提高了约
50
倍。这一技术突破意味着研究人员能够一次性定义超过
400 μm²
的大型特征区域，而在晶圆对晶圆
(W2W)
键合结构上，甚至已实验性地达到超过
500 μm
的深度分析。
|
参数
|
传统
FIB (Ga+)
|
PFIB (Xe+)
|
实际影响
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最大电流
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~65nA
|
>2μA
|
PFIB
切割速率快
50
倍
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切割体积
|
微米级
|
毫米级
|
PFIB
可分析大体积样品
|
|
样品效应
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Ga
离子注入、污染
|
惰性气体，污染少
|
对半导体等材料影响小
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|
束斑尺寸
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高电流下变大
|
高电流下仍较均匀
|
大电流下
PFIB
精度优势明显
|
|
样品交互
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强化学作用
|
主要物理溅射
|
对材料选择性较低
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|
设备成本
|
较低
|
较高
|
投资回报需更多考量
|
常规
G+
FIB
无法胜任的应用场景
大体积三维重构
：
>100μm
区域
分析需要数天，常规
FIB
需要数周或无法完成
，
芯片封装完整截面
(
毫米级
)
只能用
PFIB
高效获取
材料敏感应用
：
半导体器件中
Ga
会改变电气特性，造成假象
。
时效性研究
：
批量产品失效分析时效性要求高，
PFIB
处理速度是关键
，
大型样品库需要高通量分析能力
特殊材料挑战
：
高强度陶瓷、复合材料传统
FIB
切割效率极低
，
多孔材料大视野分析需要
PFIB
高效率切割
深度分析需求
：
传统
FIB
在
>50μm
深度切割时效率急剧下降
，
某些深层缺陷分析必须依赖
PFIB
。
P
FIB
技术的另一显著优势是能够避免
Ga
离子注入和损伤
，这极大地提高了分析的成功率。
此外，
P
FIB
技术的强大铣削能力使研究人员能够直接在封装和复杂材料堆叠结构上进行分析，同时也能进行精细的低电流铣削操作。从制备透射电镜
(TEM)
薄片到
PCB
互连编辑，
P
FIB
都展现出了卓越的多功能性。
PFIB
技术在半导体分析中的时间效益评估
标准
的失效分析
工艺通常需要机械加工后进行离子铣削抛光，这种横截面结构无法有效表征不同的特定柱结构。而
P
FIB
技术则可在整个芯片上提供多个分析位点，使研究人员能够检查不同区域中承受不同应力的特定铜柱的金属间层，大大提高了分析效率和准确性。
案例
1
：倒装芯片
的
P
FIB
切割
该案例展示了倒装芯片的
PFIB
切割过程。分析过程需在
X
射线图像上进行预对准，以便通过厚度为
200 μm
的顶部硅芯片在选定结构上进行精确铣削。整个过程分为粗铣削和抛光两个步骤，相关铣削时间数据已在表
1
中详细记录。与标准工艺相比，
PFIB
技术在此类应用中表现出显著的时间优势。
图
1.
用
BSE
探测器在
10 kV
下观察的铜柱截面。图
1a
和
b
中显示了倒装芯片的
PFIB
切割
。
案例
2
：键合线问题分析
在此案例中，研究人员并行调查了两个类似的开路故障。初步
X
射线检查均显示焊点侧的导线出现裂纹，这与连续性故障症状相符。
第一个样本涉及铜线，采用了标准分析程序：首先机械研磨，随后离子铣削。由于未能直接达到感兴趣区域，还需进行额外的
Ga+
FIB
铣削才能到达裂纹处。
图
2
标准分析程序：首先机械研磨，随后离子铣削，再额外的
Ga+FIB
铣削才能到达裂纹处。
第二个样本为金线器件，分析过程采用了改进方法。首先对封装背面涂覆
5 nm
厚的金层，然后通过两步完成
FIB
切割：高电流粗铣削后使用
300 nA
电流进行最终抛光，有效消除了帷幕效应。
图
3. a
和
b
：
PFIB
铣削聚焦于失效的缝合线。
表
1
每种流程的工作时间
|
案例
|
标准流程
|
Ga+-FIB
|
PFIB
|
|
|
机械
|
离子研磨
|
|
粗加工
(2.3μA)
|
抛光
(300nA)
|
|
倒装芯片
|
2
小时
|
8-10
小时
|
-
|
1.2-1.5
小时
ᵃ
|
10
分钟
|
|
键合线
|
2
小时
|
8-10
小时
|
1
|
