超聲掃描顯微鏡檢查在倒裝器件檢測中的應(yīng)用

潘凌宇，張 吉，楊 城，馬清桃，王伯淳

（1.湖北航天計量測試技術(shù)研究所，湖北 孝感 432000；2.中國航天科工集團元器件可靠性中心四院分中心，湖北 孝感 432000）

超聲掃描顯微鏡檢查在倒裝器件檢測中的應(yīng)用

潘凌宇1,2，張 吉1,2，楊 城1,2，馬清桃1,2，王伯淳1,2

（1.湖北航天計量測試技術(shù)研究所，湖北 孝感 432000；2.中國航天科工集團元器件可靠性中心四院分中心，湖北 孝感 432000）

隨著倒裝器件在型號產(chǎn)品中使用越來越廣泛，倒裝器件在使用過程中也暴露出一些問題，如底充膠分層、焊點空洞以及裂紋等，這些缺陷均能導(dǎo)致倒裝器件失效。總結(jié)了幾種倒裝器件超聲掃描的缺陷，重點對底充膠以及焊點進行分析。同時，論述了倒裝器件超聲檢測中內(nèi)部界面缺陷的辨別以及原理。

倒裝器件；超聲掃描顯微鏡；底充膠

1 前言

隨著芯片到基底互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，倒裝技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。由于倒裝器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，不同材料的熱膨脹系數(shù)等因素極易造成其內(nèi)部缺陷。研究表明，由于芯片與基板熱膨脹失配致使封裝體系在環(huán)境溫度起伏或功率耗散時，內(nèi)部焊點上將加載周期性應(yīng)力變化，導(dǎo)致焊點熱疲勞失效。普遍研究認(rèn)為倒裝器件內(nèi)部焊點失效的主要原因是底充膠分層，即底充膠分層的產(chǎn)生導(dǎo)致焊點的裂紋等缺陷萌生并擴展，使內(nèi)部焊點失效，從而導(dǎo)致倒裝器件損壞[1]。

2 倒裝器件

圖1 倒裝器件典型結(jié)構(gòu)

倒裝器件將芯片有源區(qū)面對基底，通過芯片上呈陣列排列的內(nèi)部焊點實現(xiàn)芯片與基底的互連。芯片以直接倒扣方式安裝到基底上，從硅片向四周引出I/O，互聯(lián)的長度大大縮短，減小了RC 延遲，有效地提高了電性能。顯然，這種芯片互連方式能提供更高的I/O密度，可達到最小、最薄的封裝[1]。倒裝器件主要由以下結(jié)構(gòu)組成：芯片、內(nèi)部焊點、底充膠、基底、焊球，如圖1所示。

3 檢測原理

超聲掃描檢測技術(shù)是超聲掃描無損檢測技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種檢測方法。超聲掃描顯微鏡是通過測量樣品反射回來的超聲波的能量大小以及波形極性來檢測樣品內(nèi)部是否存在缺陷。當(dāng)超聲波在樣品物體中傳播中，遇到密度不均勻處（如分層、空洞等缺陷）將會反射一部分超聲能量。反射能量越大，超聲檢測圖像中的亮度值越高。而反射能量越小，檢測圖像越暗。倒裝器件超聲檢測時，傳感器發(fā)射出的超聲波在內(nèi)部界面形成反射（如圖2所示），最后經(jīng)傳感器接收后系統(tǒng)處理形成圖像。

圖2 檢測原理圖

4 缺陷檢測

圍繞倒裝器件可靠性的研究一直很活躍，研究較多的是底充膠和內(nèi)部焊點。本文也主要檢測倒裝器件底充膠和內(nèi)部焊點，而底充膠和內(nèi)部焊點位于芯片和基底之間。因此，對于芯片與基底之間界面的缺陷檢測，是研究倒裝器件可靠性的主要方向。

芯片與基底之間主要存在兩個界面：芯片與底充膠界面、底充膠與基底界面。本文研究所使用的超聲掃描顯微鏡為Sonoscan公司的D9500，結(jié)合230 MHz（MP）、230 MHz（CP）以及100 MHz超聲波傳感器對倒裝器件上述兩處界面進行超聲掃描檢測。

4.1芯片與底充膠界面

倒裝器件的超聲掃描檢測與傳統(tǒng)引線封裝的塑封器件存在不同。由于其結(jié)構(gòu)差異，超聲波需穿透內(nèi)部芯片到達所檢界面，而超聲波在穿過硅材料時，會產(chǎn)生縱波和橫波。這一現(xiàn)象是由超聲波在不同材料中的傳播特性所決定的?？v波的介質(zhì)運動方向和傳播方向相同。大部分能量可以被反射回傳感器，成像效果清晰，是需要獲得的波形。而橫波在傳播時介質(zhì)運動方向和傳播方向垂直，由介質(zhì)受剪切力形變而產(chǎn)生，聲波發(fā)生較多的散射，較少的能量反射回傳感器，成像效果較差?？v波與橫波相比，橫波焦距長，聲速小。因此，在聚焦過程中，橫波先出現(xiàn)，但縱波先返回傳感器。以下為縱波、橫波在時間軸上出現(xiàn)的大致時間，如圖3所示。

圖3 縱波與橫波

為研究反射波和透射波的能量關(guān)系，引入聲強反射率R和聲強透射率T兩個概念。聲強反射率為反射波聲強（Ir）和入射波聲強（I0）之比；聲強透射率為透射波聲強（It）和入射波聲強（I0）之比[2]：

圖4為某型號倒裝器件超聲掃描檢測圖，該層面為芯片與底充膠界面。

圖4 芯片與底充膠界面聲掃圖

將異常區(qū)域超聲掃描圖像聲能進行3D轉(zhuǎn)換，該位置處聲能較附近存在明顯差異，目標(biāo)圖像以及相關(guān)系數(shù)見圖5。從圖上可以看出，芯片與底充膠界面存在異常（白色高亮區(qū)域），異常區(qū)域位于內(nèi)部焊點周圍，聲能百分比系數(shù)接近-100%。

圖6為同參數(shù)條件下，異常區(qū)域與附近波形圖。圖6中1位置處反射波形百分比明顯高于2位置處。芯片與底充膠界面底部回波的大小不同反映界面處材質(zhì)的差異。超聲波經(jīng)由芯片至底充膠或分層、空洞等缺陷反射的回波極性一致，因此，通過回波波形的極性判斷無法分辨有無缺陷。由聲強反射率和透射率關(guān)系式可知，材料阻抗相差越大的界面反射回傳感器的聲能越大，在圖像上呈現(xiàn)的亮度也越大。底充膠阻抗值大于空洞、分層處阻抗值，因此高亮區(qū)為界面附近分層、空洞等缺陷。樣品制樣鏡檢如圖7所示，經(jīng)過制樣鏡檢可知，該異常區(qū)域確為缺陷。通過回波波幅值的大小可以區(qū)分界面處是否存在缺陷。倒裝器件缺陷判斷方法見圖8。

圖5 目標(biāo)圖像相關(guān)系數(shù)圖

圖6 界面相鄰位置兩點波形

圖7 空洞

圖8 缺陷判斷方法

圖9為某型號倒裝器件聲掃圖，A、B兩點為內(nèi)部焊點，A點灰度值高于B點灰度值。

圖9 內(nèi)部焊點

圖10、11分別為金相顯微鏡下A、B兩點剖面圖。A處焊點有空洞存在，當(dāng)超聲波遇到空氣層后，幾乎全部返回，極少部分超聲波繼續(xù)向下傳播；B處焊點飽滿，到達該界面后，超聲波繼續(xù)向下傳播，反射回傳感器的能量少。因此，在圖像上呈現(xiàn)的灰度值明顯存在差異。圖12為某型號倒裝器件超聲掃描圖。經(jīng)超聲掃描顯微鏡檢查，發(fā)現(xiàn)該器件界面層存在大片亮白區(qū)域，聲掃圖上，可以明顯看到部分區(qū)域存在規(guī)則內(nèi)部焊點形貌，而其他部分灰度值較高，同時，亦無規(guī)則的內(nèi)部焊點存在。

圖10 A焊點金相形貌

圖11 B焊點金相形貌

經(jīng)金相制樣后發(fā)現(xiàn)，芯片內(nèi)部存在裂紋，芯片被一分為二，從中間斷裂，如圖13所示。

4.2底充膠與基底界面

高頻超聲波遇到底充膠時，會產(chǎn)生劇烈衰減，而低頻傳感器雖然能完全穿透，但成像效果欠佳，關(guān)鍵是選擇適用于該型號的倒裝器件的傳感器，能對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行清晰的觀察。

圖12 某型號倒裝器件聲掃圖

圖13 某型號倒裝器件金相圖

底充膠與基底界面位于芯片有源面下方，尋找到芯片與底充膠界面后，繼續(xù)向下尋找波形，該界面波位于芯片與底充膠界面波形之后。底充膠與基底界面波形位于芯片與底充膠界面波附近，兩者界面波之間的距離約為內(nèi)部焊點大小或底充膠厚度，其波形圖如圖14所示。圖15為某型號倒裝器件底充膠與基底界面超聲掃描檢測圖，界面存在異常，經(jīng)波形對比發(fā)現(xiàn)白色高亮區(qū)波形幅度較附近大。將樣品進行制樣研磨，從上至下逐層拋光后觀察其基底結(jié)構(gòu)，基底部分區(qū)域形貌如圖16所示。異常區(qū)域切面見圖17。

圖14 底充膠與基底界面波

5 綜述

對于倒裝器件超聲掃描檢測暫無判斷標(biāo)準(zhǔn)。分析與判斷的過程建立在應(yīng)用以及可靠性需求上，界面可靠性的關(guān)鍵在于內(nèi)部焊點的電連接性。內(nèi)部底充膠材料中可能形成空洞，當(dāng)相鄰位置發(fā)生焊點互連時，將造成開路并導(dǎo)致器件失效。超聲掃描顯微鏡檢查界面時，應(yīng)注意極性和回波波幅的變化，通過波形位置來定位缺陷所在的具體位置。一般來說，分層、空洞將內(nèi)部焊點包括其中，這些缺陷可能影響焊點的互聯(lián)；若缺陷遠離內(nèi)部焊點，處于隔離狀態(tài)，對于可靠性的影響將會減小。

圖15 某型號倒裝器件聲掃圖

圖16 基底部分區(qū)域形貌

圖17 底充膠與基底界面分層

[1] 張群. 倒裝焊底充膠分層與SnPb焊點熱疲勞的可靠性[J].金屬學(xué)報，2000，2.

[2] 《國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會. 超聲檢測[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

The Application of Scanning Acoustic Microscope Inspect in Flip-chip Device Test

PAN Lingyu1,2, ZHANG Ji1,2, YANG Cheng1,2, MA Qingtao1,2, WANG Bochun1,2

（1.Hubei Aerospace Institute of Measurement and Test Technology,Xiaogan432000,China; 2.The Fourth Academy Reliability Centre of CASIC,Xiaogan432000,China）

With the widespread use of the fl ip-chip devices in production, the fl ip-chip device in using also exposed some problems. For example, the fl ip-chip device has delamination in underf i ll and voids or cracks in solder bumps, etc. All of those defects could cause the fl ip-chip device failure. The paper collected the some SAM defects of fl ip-chip devices and focused discussion on underf i ll and bumps. At the same time, this paper discussed discrimination and principle, etc.

fl ip-chip; scanning acoustic microscope; underf i ll

TN306

A

1681-1070（2014）11-0041-04

潘凌宇（1987—），男，湖南岳陽人，本科，工程師，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，主要從事電子元器件可靠性的相關(guān)研究工作。

2014-08-08