超聲掃描檢測圖像處理方法研究

張繼靜，呂榮華，連軍莉

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京 100176)

在半導(dǎo)體產(chǎn)品中，裂紋、分層、氣孔、夾雜等缺陷在正常使用過程中會(huì)擴(kuò)展或局部腐蝕，可能會(huì)進(jìn)一步引起內(nèi)部斷線，這些內(nèi)部缺陷往往會(huì)產(chǎn)生可靠性問題導(dǎo)致電子產(chǎn)品的失效。超聲檢測技術(shù)是五大常規(guī)無損檢測方法（超聲檢測UT、射線檢測RT、磁粉檢測MT、滲透檢測PT 和渦流檢測ET）之一，由于其具備適用范圍廣、穿透能力強(qiáng)、缺陷定位準(zhǔn)、可靠性高、靈敏度高、檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體產(chǎn)品檢測中得到了越來越多的應(yīng)用。超聲檢測用于對(duì)試件進(jìn)行缺陷檢測、幾何特征定位、組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能變化的檢測和表征，并進(jìn)而對(duì)試件的使用特性進(jìn)行評(píng)估。在控制產(chǎn)品質(zhì)量、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、保證產(chǎn)品可靠性等方面都起著關(guān)鍵性作用[1]。

1 器件內(nèi)部缺陷超聲檢測原理

1.1 超聲檢測原理

超聲波脈沖通過耦合介質(zhì)（如去離子水、酒精等）到達(dá)樣品。由于超聲能量的傳遞要求介質(zhì)是連續(xù)的，所以如氣孔、雜質(zhì)、分層、裂紋等不連續(xù)界面都會(huì)干擾超聲信號(hào)傳播或?qū)е鲁曅盘?hào)發(fā)生反射。當(dāng)超聲波信號(hào)通過樣品時(shí)，由于不同材料聲阻抗的不同，在有缺陷或粘結(jié)不良的界面會(huì)出現(xiàn)反射波。超聲波換能器接收到的反射回波信號(hào)經(jīng)過處理后，以波形的方式顯示在屏幕上。超聲檢測的基本原理如圖1 所示。

圖1 超聲檢測原理

1.2 超聲檢測方法

用于檢測器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的超聲檢測方法主要是反射法和透射法。

1.2.1 反射法

反射法使用一個(gè)換能器發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，即將超聲脈沖入射到器件內(nèi)部，超聲波在兩種不同的介質(zhì)交界面上產(chǎn)生不同的脈沖回波，通過觀察來自內(nèi)部缺陷或器件上下表面的反射波的情況來進(jìn)行檢測。

為了適應(yīng)不同的器件檢測需求，可選用的檢測方法分為A 波形顯示、B 掃描（對(duì)被測器件在豎直方向某個(gè)剖面進(jìn)行觀察）、C 掃描（對(duì)被測器件在水平方向某一層進(jìn)行掃描）、多層掃描、逐層掃描等[2]。

反射法具有靈敏度高、適用范圍廣、檢測方法多、缺陷定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)超聲波在兩種介質(zhì)中傳播時(shí)，由于兩介質(zhì)的阻抗特性不同，超聲波會(huì)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，還會(huì)因衍射、散射和吸收而發(fā)生衰減。盡管如此，反射法作為一種主要的超聲檢測方法，在各個(gè)行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。

1.2.2 透射法

透射法是將發(fā)射、接收換能器分別置于被測器件的上下兩側(cè)，使兩個(gè)換能器的聲軸線處于同一直線上，聚焦后進(jìn)行檢測。超聲波發(fā)射信號(hào)進(jìn)入被檢工件內(nèi)部，若未遇到異常的反射面區(qū)域，聲波會(huì)穿透被檢器件，被接收探頭接收。如器件無缺陷，接收探頭接收聲波較多，接收信號(hào)較大，當(dāng)缺陷較小時(shí)，部分聲能被反射，接收到的信號(hào)較弱；缺陷很大時(shí)，聲能被全部反射，接收探頭接收不到檢測信號(hào)，從而根據(jù)接收信號(hào)幅值變化判斷器件內(nèi)部的缺陷。透射掃描方式如圖2 所示。

圖2 透射掃描方式

透射法幾乎不存在盲區(qū)，而且超聲波是單向傳播，衰減小。但其檢測靈敏度低，不能對(duì)缺陷的深度、類型等具體信息進(jìn)行確定，檢測時(shí)需要專用換能器夾持裝置以對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)傳感器的聲軸線，操作不方便。

根據(jù)被測材料的類型和應(yīng)用場合的需要，選擇不同類型、不同頻率、不同材質(zhì)的超聲波探頭也會(huì)對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生重要的影響[3]。

2 檢測圖像處理方法

目前，采用超聲檢測技術(shù)可對(duì)半導(dǎo)體器件中的分層、空洞、裂紋、夾雜物缺陷進(jìn)行檢測，對(duì)缺陷能夠進(jìn)行準(zhǔn)確地定量評(píng)價(jià)。

超聲掃描的基本圖像處理功能包括：中值濾波、均值濾波、圖像增強(qiáng)、輪廓提取、邊界增強(qiáng)、浮雕顯示、反色處理、偽彩色處理、灰度波形統(tǒng)計(jì)、偽3D 顯示、量化分析等。隨著測試分析研究的深入，越來越多的圖像處理方法不斷涌現(xiàn)。

2.1 虛擬掃描

虛擬掃描模式又叫離線掃描模式，一次掃描后即可收集被測器件在X、Y 和Z 坐標(biāo)方向全面的超聲掃描數(shù)據(jù)。掃描數(shù)據(jù)以矩陣形式存儲(chǔ)，便于器件被取走后，仍可以隨時(shí)對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種模式的分析和成像處理。

對(duì)于安裝在高可靠性要求系統(tǒng)上的器件，使用虛擬掃描模式進(jìn)行離線處理，能夠采集更多更全面的信息，便于對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。

虛擬掃描的主要功能包括：C 掃描、B 掃描、逐層掃描、輪廓掃描、時(shí)域成像、頻域成像、3D 成像等。每種成像方式都能提供器件獨(dú)特的信息，多種信息整合起來即可形成一個(gè)器件的完整素材。一旦通過虛擬掃描的方式存儲(chǔ)了器件的內(nèi)部信息，可以使用任何一臺(tái)安裝有相同掃描軟件和硬件結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)對(duì)器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在不同的計(jì)算機(jī)上使用相同的掃描軟件，可以得出相同的結(jié)果。從原始的虛擬掃描數(shù)據(jù)中可以生成任何模式的掃描圖像，而且可以進(jìn)行無限次的虛擬掃描。

可從保存的掃描數(shù)據(jù)調(diào)用得出的聚焦點(diǎn)波形及器件聚焦層掃描圖像，如圖3 所示。

圖3 虛擬掃描測試結(jié)果

2.2 時(shí)域成像法

時(shí)域成像法是一種以使用時(shí)間作為參照物的圖像，例如A 掃描、B 掃描、C 掃描等的成像，都是基于時(shí)間的圖像。

當(dāng)虛擬掃描的數(shù)據(jù)已經(jīng)被收集，可由存檔的數(shù)據(jù)創(chuàng)建時(shí)域的圖像，圖4 所示的圖像為單個(gè)PQFP 微電子器件（塑料方形扁平式封裝）的掃描圖像。為生成時(shí)域圖像，首先在虛擬掃描文件中打開A 掃描數(shù)據(jù)。由于A 掃描數(shù)據(jù)是對(duì)器件內(nèi)部像素位置信息的數(shù)字存儲(chǔ)，可以調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)門的位置以選擇聚焦深度來檢測器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，聚焦深度即時(shí)域信息。在A 掃描中選擇不同的數(shù)據(jù)門，以得到封裝上表面、頂層化合物、引線框架、芯片表面和芯片粘接層的圖像。

圖4 PQFP 器件掃描圖像

2.3 頻域成像

頻域成像法可以選擇某一頻率值或一個(gè)頻率范圍成像，這種方法可以提供傳統(tǒng)的脈沖回波法不容易檢測到的細(xì)節(jié)。虛擬掃描一個(gè)強(qiáng)大的功能是它可以創(chuàng)建頻域圖像。為了創(chuàng)建頻域成像數(shù)據(jù)，首先打開虛擬掃描得出的A 掃描數(shù)字化數(shù)據(jù)。A 掃描數(shù)據(jù)中包含的是頻域數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與器件內(nèi)部特征和缺陷的超聲波反射相關(guān)。因?yàn)橐粋€(gè)頻率值往往與一個(gè)給定器件的內(nèi)部厚度層相對(duì)應(yīng)，所以頻域分析法可以得出器件內(nèi)部獨(dú)特的信息。

圖5 為時(shí)域法展示的倒裝芯片凸點(diǎn)到底層填充層之間的粘接情況。圖6 則為通過頻域法檢測出的倒裝芯片內(nèi)部的獨(dú)特信息。當(dāng)使用頻域法分析數(shù)據(jù)時(shí)，可以看出通過選擇的頻率檢測器件可以得出額外的信息。使用時(shí)域法和頻域法對(duì)凸點(diǎn)質(zhì)量、金屬鍍層和缺陷之間進(jìn)行對(duì)比，即可明顯看出頻域法的強(qiáng)大功能。焊錫球內(nèi)部的金屬鍍層之間的細(xì)微差別都能清晰地顯示出來。使用頻域法掃描模式，在高對(duì)比度情況下，對(duì)填充不足的缺陷都可以清晰展示。

圖5 時(shí)域法成像結(jié)果

圖6 頻域法成像結(jié)果

2.4 厚度測量[4]

根據(jù)超聲波頻率高，指向性好，在均勻介質(zhì)中的聲速相同的特點(diǎn)對(duì)被測器件進(jìn)行厚度測量。當(dāng)超聲波換能器產(chǎn)生的超聲波脈沖透過耦合劑到達(dá)被測器件時(shí)，一部分超聲波信號(hào)穿透被測器件，另一部分超聲波信號(hào)被器件底面反射。超聲波探頭接收由被測層底面反射的回波，精確地計(jì)算超聲波的往返時(shí)間。按式(1)計(jì)算厚度值。

式(1)中：H 為器件厚度；v 為材料中聲速；t 為超聲波在被測器件中往返一次的傳播時(shí)間。

在超聲掃描的示波器顯示中添加3 個(gè)門:一個(gè)前表面門、厚度數(shù)據(jù)門1 和厚度數(shù)據(jù)門2。前表面門的作用是用來跟蹤前表面的波形；厚度數(shù)據(jù)門1的作用是用來獲取被測層的前表面的波形；厚度數(shù)據(jù)門2 的作用是用來獲取被測層后表面的波形。

當(dāng)器件厚度均勻時(shí)，可以直接測量器件的厚度數(shù)據(jù)；當(dāng)器件厚度不均勻時(shí)，可以把不同厚度的部分標(biāo)志成不同的灰度，每一種灰度代表一種的厚度范圍，如圖7 所示。

圖7 某器件厚度分布圖

3 結(jié) 論

超聲掃描檢測得到的圖像再經(jīng)過多種方法處理后，即可對(duì)器件內(nèi)部缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確采集和分析。隨著超聲檢測技術(shù)的發(fā)展和封裝形式的小型化、集成化，要檢測的缺陷越來越小，需要的檢測方式也會(huì)越來越多。目前的超聲掃描設(shè)備檢測對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和波形的識(shí)別能力依賴性較強(qiáng)，隨著對(duì)測試分析研究的深入，更多的掃描方法、圖像處理方法和工具將不斷涌現(xiàn)，檢測方式也將向智能化和數(shù)據(jù)化發(fā)展。