超聲掃描技術在倒裝焊器件中的應用范文

本站小編為你精心準備了超聲掃描技術在倒裝焊器件中的應用參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《半導體技術雜志》2016年第三期

摘要:

倒裝焊器件底充膠的填充質量對于芯片可靠性的影響較大。超聲掃描技術可以有效檢測芯片與基板之間凸點周圍的底充膠的填充質量。選用30MHz和110MHz頻率的超聲換能探頭檢測底充膠層，兩種頻率探頭檢測結果清晰度均能滿足底充膠缺陷檢測要求。結果顯示，30MHz探頭聚焦范圍寬于110MHz探頭，操作更為簡便。對于包含熱沉的器件，熱沉的存在會干擾超聲掃描顯微鏡對底充膠層的檢測，未去除熱沉可能導致研究者誤判底充膠層填充情況，去除熱沉后可獲得底充膠層的清晰成像。倒裝焊器件底充膠層厚度比較薄，檢測時SAM的柵門寬度選取不易過寬，否則會影響圖像清晰度，其具體值可視被測器件不同而調整。

關鍵詞:

倒裝焊;超聲掃描顯微鏡(SAM);底充膠;超聲換能探頭;熱沉;柵門寬度

倒裝焊器件底充膠的填充質量對于芯片可靠性的影響較大，是倒裝焊器件工藝過程中檢查的一項重點。在濕熱及熱循環條件下，一個界面兩側材料的熱失配將在界面產生很高的應力應變［1］。器件本身界面分層失效是產品性能和可靠性方面關注的重點［2］。超聲掃描顯微鏡(SAM)對于檢測倒裝焊器件底充膠的裂紋、界面分層及空洞等缺陷具有顯著效果。底充膠與芯片和基板分別形成兩個界面。目前普遍認為，在填充底充膠后倒裝焊器件封裝失效與底充膠分層有直接關系［3］。超聲掃描(SAM)技術可以有效檢測到芯片與基板之間凸點周圍的底填料的填充情況［4－5］，評價倒裝焊材料的完整性［6］。本文選取非密封無熱沉及含有熱沉的倒裝焊器件的底充膠層進行SAM檢測研究，由于透射超聲波主要用于檢測器件整體有無大面積分層情況，反射超聲波可以反應器件具體層面的情況，本文所選器件均無分層現象，故僅對反射超聲波檢測圖像進行分析。根據SAM檢測的流程，通過對比不同頻率探頭的檢測結果給出試驗條件選取的建議，通過對比去熱沉前后倒裝焊器件的SAM結果得出熱沉對于SAM檢測的影響。

1倒裝焊器件分類與SAM檢測流程

倒裝焊器件典型結構如圖1所示，分別為無熱沉和帶熱沉器件的示意圖。底充膠與芯片形成的界面1及底充膠與基板形成的界面2在局部放大圖中表示。熱沉的存在對于SAM檢測影響很大，本文選取熱沉形式不同的兩種倒裝焊器件進行研究:①片式熱沉:熱沉與芯片通過導熱硅脂相連(與圖1所示類似);②非密封內嵌式熱沉:熱沉內嵌于塑封料中(即圖1中熱沉與芯片外包裹了塑封料)。參考文獻［7］給出的SAM檢測要求，結合倒裝焊器件的特有結構，確定需要SAM檢測的位置為熱沉相關的界面及底充膠層相關的界面。根據文獻［8］，SAM檢測可以有效檢查出底充膠層的空洞、助焊劑殘留等現象。進行SAM檢測之前，可通過外部目檢及X光檢查進行結構分析，去除熱沉后進行SAM，必要時可對比X光檢查的照片，判斷底充膠層情況。倒裝焊器件SAM檢測流程如圖2所示。

2SAM實驗條件選取

選用30MHz和110MHz的超聲換能探頭進行底充膠層檢測。兩種探頭的相關參數及特點如下:30MHz探頭的穿透深度為3.4mm，焦距為12.7mm，分辨率為50μm。30MHz的探頭聚焦范圍寬，易于聚焦;可以獲得具有一定清晰度的底充膠層SAM檢測圖像;110MHz探頭的穿透深度為

2.2mm，焦距為8.0mm，分辨率為14μm。110MHz聚焦范圍較窄，探頭本身材質導致固定波的產生，不易于對焦;相比于30MHz探頭，110MHz探頭獲得的底充膠層SAM檢測圖像更為清晰。選取圖1所示的非密封無熱沉1#倒裝焊器件進行研究，30MHz與110MHz探頭下得到的檢測結果如圖3所示。圖3(a)中成像可以看出，30MHz探頭可以準確找到凸點和底充膠層。圖3(a)中標記位置的波形如圖4所示，t為信號從發出到接收所用時間，縱軸表示振幅，當波形幅值對應的增益超過100%時將溢出窗口，右上角數值表示柵門可在位置處的波形對應的增益大小。以圖4為例，圓框柵門位置為11592ns(標記處)后的第三個半波，11592ns后的一個半周期的波為芯片與底充膠的界面，當界面波為正弦時，界面未分層，若為余弦，則可能存在分層。此文所列SAM檢測圖像中底充膠均未分層，波形與封層對應情況非本文重點內容，故后文不再逐一分析。比較圖3(a)和圖3(b)，兩種頻率的探頭均能獲得清晰度較高的圖片，均可有效檢測出底充膠層缺陷。30MHz探頭操作簡便，對于檢測底充膠空洞、裂紋及分層等缺陷而言，可以優選30MHz探頭，以提高效率;若對于清晰度要求較高，可以優選110MHz的探頭。

3熱沉對于SAM檢測的影響

3.1帶片式熱沉的倒裝焊器件SAM檢測結果選取帶有片式熱沉的2#器件作為研究對象，分別對其去熱沉前后進行SAM。去熱沉之前器件較厚，110MHz探頭無法穿透，故選用30MHz探頭進行檢測。片式熱沉與芯片間的導熱硅脂材質比較疏松，難以通過SAM檢測得到相應圖像，同時會影響底充膠層的檢測。去熱沉前2#器件SAM照片如圖5所示，去除熱沉前SAM，無法得到芯片凸點與底充膠層的圖像，熱沉與基板間存在狹縫，易形成氣泡，右上側泛白處即為氣泡所在的位置。去除片式熱沉時可以使用機械的方法，但須注意力度的均勻性，避免留下劃痕。去除熱沉后，對圖6中圓框圈定位置進行SAM檢測，30MHz探頭下2#器件底充膠檢測結果如圖6所示，去膠過程中的劃痕會對SAM檢測圖像產生影響，如標記位置所示。去熱沉后SAM檢測可以獲得清晰的底充膠層，與未去除熱沉前的SAM圖像形成鮮明對比。故未去除片式熱沉時，難以通過SAM檢測底充膠層情況。

3.2含內嵌式熱沉的倒裝焊器件SAM檢測結果選取含內嵌式熱沉的3#器件進行研究，X光檢查可以有效檢測到內嵌式熱沉，如圖7所示，帶有圓孔的熱沉清晰可見。去熱沉前3#器件較厚，110MHz探頭無法穿透，故選用30MHz探頭進行檢測。去熱沉前3#器件SAM結果如圖8所示。對比圖7與圖8可知，熱沉的存在干擾底充膠層檢測，對于成像存在較大影響。圖8中沒有顯示凸點的情況，根據灰度對比實驗人員可能判斷底充膠層存在空洞，也可能判斷器件存在傾斜。去除內嵌式熱沉可以選取鑲樣研磨的方法，冷鑲過程中需要注意平整度的要求，將熱沉完全磨去即可，注意避免磨損芯片。去除熱沉后，針對圖8中方框圈定位置進行SAM檢測，結果如圖9所示，去除熱沉后可以看到底充膠層及凸點的情況，未去除熱沉時無法看到凸點。由此可知，觀察到凸點才能認為得到了底充膠層的SAM檢測圖像。圖9中圖像清晰度有限，此時關注波形圖顯示出柵門寬度為130ns，如圖10所示。對于3#器件，130ns的寬度不利于得到清晰度最高的圖像，但由于研磨后器件表面不平，需增加柵門寬度才能保證底充膠層同時出現在同一圖像內。故含有內嵌式熱沉的器件，研磨時應注意平整度，否則會對SAM檢測結果產生較大影響。

4柵門位置及寬度的選取

柵門起始位置與寬度決定了聚焦位置與圖像顯示信息的深度范圍，柵門設置很大程度上確定了成像情況。圖3SAM過程中柵門寬度均為15ns，得到的圖像均比較清晰。通過圖10的波形圖，可知圖9SAM過程中柵門寬度為130ns，得到的圖像清晰度有限。故SAM檢測底充膠過程中，由于底充膠層比較薄，柵門不宜設置過寬，否則可能疊加其他層面信息，影響清晰度。SAM檢測底充膠過程中柵門寬度設置以窄為宜，具體寬度可以根據不同器件進行調整。以4#器件為例，4#器件110MHz探頭下底充膠層SAM結果如圖11所示。圖11中標記位置7處的波形如圖12所示。圖12中，柵門選取寬度為20ns時，得到的圖像最為清晰，故柵門選取較窄時利于提高圖像的清晰度。綜上，柵門選取具有較高靈活性，可根據器件不同選取不同值。

5結論

使用30MHz和110MHz探頭均可滿足底充膠層缺陷檢測要求，30MHz探頭易于對焦，可以提高檢測效率，當對于SAM檢測圖片清晰度沒有過高要求時，建議選取30MHz探頭。當器件具有片式熱沉或是非密封內嵌式熱沉時，熱沉的存在會影響底充膠層的檢測，去除熱沉后，才能獲得底充膠層的真實情況。由于底充膠層厚度較薄，檢測過程中柵門寬度不應設置過寬，否則會影響圖像清晰度，具體寬度可根據器件不同而進行調整。

作者：賈美思 張素娟 陳政平 單位：北京航空航天大學 可靠性與系統工程學院