基于微電子封裝焊點(diǎn)超聲圖像邊緣效應(yīng)分析的可靠性無損評(píng)價(jià)方法

馬宏偉 王浩添 張廣明 陳淵 董明

摘 要：封裝技術(shù)的集成化與小型化對(duì)封裝內(nèi)部焊點(diǎn)的無損評(píng)價(jià)方法提出了更高的要求。為研究微電子封裝中焊點(diǎn)的可靠性問題，提出了一種基于微電子封裝焊點(diǎn)超聲圖像邊緣效應(yīng)分析的可靠性無損評(píng)價(jià)方法。首先，設(shè)計(jì)并制造了裝載有倒裝芯片封裝的試驗(yàn)樣板，并利用熱循環(huán)加速試驗(yàn)對(duì)樣板進(jìn)行老化處理。每4個(gè)試驗(yàn)周期，樣板取出進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集以監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)退化。其次，通過有限元仿真深入研究了超聲波在電子封裝內(nèi)部的傳播機(jī)制，建立了焊點(diǎn)超聲圖像幾何特征與焊點(diǎn)實(shí)際物理特征之間的定性定量關(guān)系。在該理論基礎(chǔ)上，提出一種焊點(diǎn)超聲圖像邊緣提取算法，優(yōu)化了焊點(diǎn)超聲圖像中心區(qū)域的定位。最后，通過焊點(diǎn)圖像中心區(qū)域的亮度變化，確定了不同位置焊點(diǎn)的失效周期。利用均方根誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將研究結(jié)果與以往方法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：所提出的邊緣檢測(cè)算法在處理低質(zhì)量焊點(diǎn)圖像時(shí)，表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，具有良好的抗噪性能，能夠得到清晰的單像素邊緣；在焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)中，相較于以往的方法，均方根誤差從137.11增強(qiáng)至41.23，檢測(cè)精度提高了69.96%，大幅提升了焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。這為微電子封裝焊點(diǎn)的無損評(píng)價(jià)提供了有力的理論支持。

關(guān)鍵詞：微電子封裝；無損評(píng)價(jià)；可靠性；邊緣效應(yīng)；焊點(diǎn)；熱循環(huán)加速試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TN 402

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）06-1099

-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0608開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

A non-destructive evaluation approach to solder joint

reliability in microelectronic packaging based on

the analysis of edge effects in ultrasonic images

MA Hongwei，WANG Haotian，ZHANG Guangming，CHEN Yuan，DONG Ming

（College of Mechanical and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The integration and miniaturization of electronic packaging technology have set higher standards for the non-destructive evaluation methods of internal solder joints within the packaging.To address the reliability of solder joints in microelectronic packaging，a reliability non-destructive evaluation method based on ultrasonic image edge effect analysis of microelectronic packaging solder joints was proposed.Initially，the test boards loaded with flip-chip packaging was designed and aged using accelerated thermal cycling test.Solder joint degradation was regularly monitored by taking out the test boards from the temperature chamber for ultrasound data acquisition at every four test cycles.Subsequently，an in-depth study of the propagation mechanism of ultrasonic waves within electronic packaging was conducted using finite element simulation，establishing a qualitative and quantitative relationship between the geometric features of solder joint ultrasonic images and the actual physical characteristics of the solder joints.On the basis of this theory，an edge extraction algorithm for solder joint ultrasonic image was proposed，optimizing the positioning of the central area in the solder joint ultrasonic images.Ultimately，the failure period of solder joints at different positions was determined by the brightness change of the central area of the solder joint image.Using the root mean square error as an evaluation indicator，the results of this study were compared with those from previous research.The results demonstrate that the proposed edge detection algorithm exhibits significant advantages in handling low-quality solder joint images，has good anti-noise performance，and? can obtain clear single-pixel edges.In terms of solder joint reliability assessment，compared to previous methods，the root mean square error was enhanced from 137.11 to 41.23，and the accuracy of detection was improved by 69.96%，significantly increasing the accuracy of solder joint reliability assessment.This provides a solid theoretical basis for non-destructive evaluation of solder joints in microelectronic packaging.

Key words：microelectronic package；non-destructive evaluation；reliability；edge effect；solder joint；accelerated thermal cycling test

0 引 言

電子元件在生產(chǎn)和服役期間承受大量的熱載荷，這些元件被焊接在板級(jí)系統(tǒng)上，無法自由擴(kuò)展和收縮，材料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配會(huì)在焊接的關(guān)鍵部位造成應(yīng)力累積，使得焊點(diǎn)成為電子封裝中最脆弱的部位［1-2］。研究表明，約55%的電子系統(tǒng)失效是由熱載荷或熱疲勞引起，其中有超過70%的故障是由焊點(diǎn)失效引起［3-4］。因此，微電子封裝的可靠性研究主要集中在封裝內(nèi)焊點(diǎn)的可靠性上。

電子封裝技術(shù)微型化的趨勢(shì)使得焊點(diǎn)的尺寸及間距的減小成為必然。這對(duì)檢測(cè)方法的分辨率提出了更高要求，以精確識(shí)別和評(píng)估微小且密集的焊點(diǎn)［5-6］。傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)難以達(dá)標(biāo)，易漏檢焊點(diǎn)缺陷，電子封裝的多層化增加了檢測(cè)深度和復(fù)雜性，各層結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波或X射線產(chǎn)生的散射和吸收干擾了焊點(diǎn)成像清晰度和準(zhǔn)確性［7-8］。據(jù)報(bào)道，三星已于2019年研發(fā)出直徑不足30 μm的BGA焊點(diǎn)。這類焊點(diǎn)隱藏于多級(jí)板層中，光學(xué)和超聲檢測(cè)方法都因多層結(jié)構(gòu)限制而無法準(zhǔn)確成像。

目前，對(duì)電子封裝內(nèi)部焊點(diǎn)的可靠性評(píng)價(jià)主要分為有損檢測(cè)和無損檢測(cè)2類。常見的有損檢測(cè)方法顯微斷面分析和剪切測(cè)試，WANG等使用

掃描電子顯微鏡研究了SnPb焊接接頭的疲勞行

為［9］，而王春青等使用DAGE4000測(cè)試了Sn3.0Ag0.5Cu

無鉛微焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度［10］。有損檢測(cè)雖能提供直觀的焊點(diǎn)內(nèi)部信息，但每次檢測(cè)均會(huì)破壞焊點(diǎn)樣本，無法追蹤單一焊點(diǎn)的全壽命周期數(shù)據(jù)。實(shí)際使用中，并非所有的焊點(diǎn)都受到相同的應(yīng)力，所以，區(qū)分不同位置焊點(diǎn)的健康狀況至關(guān)重要。因此，無損檢測(cè)方法在焊點(diǎn)可靠性測(cè)試中的使用，對(duì)焊點(diǎn)及電子封裝可靠性評(píng)價(jià)具有重大意義。常用的無損檢測(cè)方法有X射線、Micro-CT和聲發(fā)射檢測(cè)。PADILLA等使用X射線微斷層掃描研究了Sn基焊接接頭的可靠性［11］；ROY等利用Micro-CT識(shí)別和定位了摩擦攪拌焊接中的焊接缺陷［12］；KOVTUN等通過聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)施了焊點(diǎn)的技術(shù)診斷［13］。然而，對(duì)直徑在30 μm以下的焊點(diǎn)和亞微米級(jí)別的缺陷，上述方法都有著各自的局限性。X射線檢測(cè)在分辨微小焊點(diǎn)或內(nèi)部缺陷，尤其是低對(duì)比度缺陷如微小裂紋或孔洞時(shí)，準(zhǔn)確性有待提高。雖然理論上Micro-CT分辨率可達(dá)微米至納米級(jí)，但受技術(shù)、時(shí)間及經(jīng)濟(jì)約束，常規(guī)設(shè)備分辨率僅在1至50 μm范圍，難以直接檢測(cè)亞微米級(jí)別缺陷。聲發(fā)射檢測(cè)的分辨率受到設(shè)備的性能以及物質(zhì)中聲波傳播的特性的限制，亦難以檢測(cè)亞微米級(jí)別缺陷，且多因素影響信號(hào)形成與傳播，直接獲取缺陷信息困難。因此，更多無損檢

測(cè)技術(shù)試圖通過提取圖像特征間接評(píng)價(jià)焊點(diǎn)可靠性。

超聲顯微成像（AMI）作為一種對(duì)材料內(nèi)部缺陷有強(qiáng)大檢測(cè)能力的無損檢測(cè)技術(shù)，近年來在對(duì)微電子封裝內(nèi)部構(gòu)件的無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面應(yīng)用逐漸增多［14］。ZHANG的研究證明了AMI本身在對(duì)焊點(diǎn)的缺陷檢測(cè)有著優(yōu)越的能力［15-16］。然而，當(dāng)超聲波在電子封裝內(nèi)部傳播時(shí)，由于電子封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，超聲波傳播過程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜聲學(xué)現(xiàn)象，如反射，散射，聲波模態(tài)轉(zhuǎn)換等，特別是邊緣效應(yīng)，使得解讀焊點(diǎn)超聲圖像信息十分困難［17-18］。

研究中發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)圖像中心區(qū)域的面積及平均強(qiáng)度的變化可作為評(píng)價(jià)焊點(diǎn)健康狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)［19］，已嘗試多種方法來實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)圖像特征的提取與可靠性的評(píng)價(jià)。YANG通過基于梯度的圓形Hough變換和區(qū)域生長(zhǎng)算法，定位并評(píng)估焊點(diǎn)的全壽命周期健康狀況［20］；BRADEN則采用焊點(diǎn)圖像中心區(qū)域面積的變化作為評(píng)估指標(biāo)，對(duì)焊點(diǎn)的健康狀況和剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)［21］。雖然這些研究已經(jīng)可以無損評(píng)估電子封裝內(nèi)部焊點(diǎn)的可靠性，但在提取焊點(diǎn)圖像特征時(shí)，并未利用電子封裝超聲顯微成像的先驗(yàn)知識(shí)，未能建立焊點(diǎn)超聲圖像特征與焊點(diǎn)物理特征之間的定性定量關(guān)系，因此其結(jié)果缺乏物理意義［22］。同時(shí)，這些研究未能消除邊緣效應(yīng)對(duì)焊點(diǎn)超聲圖像的影響，這在一定程度上影響了檢測(cè)精度和評(píng)估的準(zhǔn)確性。

針對(duì)上述問題，提出一種基于微電子封裝焊點(diǎn)超聲圖像邊緣效應(yīng)分析的可靠性無損評(píng)價(jià)方法。首先，通過有限元仿真，研究超聲波在微電子器件中的傳播機(jī)制，建立超聲C掃描圖像幾何特征與焊點(diǎn)物理尺寸之間的定性定量關(guān)系，為解讀焊點(diǎn)超聲圖像提供理論支持。其次，該理論提出一種基于局部最小值的圖像邊緣提取方法，將焊點(diǎn)成像過程中的負(fù)面邊緣效應(yīng)轉(zhuǎn)化為一種精確的邊緣提取工具。最后，利用邊緣提取結(jié)果計(jì)算了焊點(diǎn)圖像中心區(qū)域平均亮度，對(duì)焊點(diǎn)可靠性做出了評(píng)價(jià)。

1 焊點(diǎn)超聲成像原理與邊緣效應(yīng)分析

1.1 基于SAM的微電子封裝可靠性測(cè)試

超聲顯微成像所產(chǎn)生的超聲波范圍通常為5～500 MHz。通過壓電換能器產(chǎn)生的超聲波通過被測(cè)物體時(shí)，由于不同材料的聲阻抗不同，超聲波會(huì)被散射，折射和吸收。反射和衰減后的脈沖被接受換能器采集后經(jīng)分析生成C掃描圖像。用來描述材料之間相互作用的方程式為

R=IZ2-Z1Z2+Z1

（1）式中 I為入射脈沖的幅值，Pa；Z1和Z2分別為2種不同材料的聲阻抗，Pa·s/m；R為反射脈沖的幅值，Pa。

超聲C掃描圖像呈現(xiàn)的是超聲波垂直入射界面的2D聲像。圖像的強(qiáng)度受到材料聲學(xué)特性變化的影響，并與超聲信號(hào)的反射強(qiáng)度成正比［23］ 。當(dāng)被測(cè)樣本中出現(xiàn)諸如裂紋等缺陷時(shí)，產(chǎn)生的間隙會(huì)導(dǎo)致材料間的聲阻抗失配進(jìn)一步加劇，從而生成更強(qiáng)的反射回波，強(qiáng)度更高的C掃描圖像。因此，通過對(duì)焊點(diǎn)C掃描圖像中的強(qiáng)度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，便可監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)的健康狀況。1.2 焊點(diǎn)圖像邊緣效應(yīng)分析

邊緣效應(yīng)現(xiàn)象（EEP）是在聲學(xué)微成像中觀察到的一種主要出現(xiàn)在微電子封裝中的常見現(xiàn)象［24-25］。這種現(xiàn)象通常在芯片封裝的邊緣或周邊以及焊球的外半徑處觀察到。對(duì)于電子封裝內(nèi)的焊點(diǎn)，該現(xiàn)象表現(xiàn)為圖像中焊點(diǎn)周圍的暗環(huán)，說明幾乎所有的入射聲波能都被焊球的曲率角度反射［26］。該暗環(huán)區(qū)域可能會(huì)遮擋探測(cè)焊點(diǎn)內(nèi)部的裂紋和空洞等缺陷，使C掃描圖像解讀和焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)變得困難。

圖1為試驗(yàn)樣板上1號(hào)倒裝芯片中某一焊點(diǎn)在熱循環(huán)失效試驗(yàn)第0，100，200與第300周期時(shí)的C掃描圖像。焊點(diǎn)圖像的中心區(qū)域?yàn)轭悎A形的灰色區(qū)域，其周圍被暗環(huán)所包圍，圖像整體呈現(xiàn)出不清晰的特征。這種特征是由于當(dāng)超聲波接觸焊點(diǎn)邊緣時(shí)，如圖2所示，由于焊點(diǎn)的球形表面，當(dāng)超聲波接觸到焊點(diǎn)邊緣時(shí)，信號(hào)會(huì)被散射和反射至其他方向，無法被探頭所接收。導(dǎo)致焊點(diǎn)圖像出現(xiàn)扭曲、模糊等現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的信息丟失。

通過進(jìn)一步觀察圖3的芯片局部放大圖發(fā)現(xiàn)，處于芯片內(nèi)圈焊點(diǎn)的圖像質(zhì)量高于處于芯片外圈的焊點(diǎn)。這是由于在試驗(yàn)過程中，處于外圈的焊點(diǎn)會(huì)受到更大的熱應(yīng)力，特別是處于芯片4個(gè)端點(diǎn)位置的焊點(diǎn)。在應(yīng)力的作用下，焊點(diǎn)會(huì)隨著試驗(yàn)進(jìn)行逐漸變形，如圖2中描述的會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)的區(qū)域也會(huì)逐漸增大。相比于內(nèi)圈焊點(diǎn)，外圈的焊點(diǎn)的圖像質(zhì)量受邊緣效應(yīng)影響更為嚴(yán)重。使焊點(diǎn)圖像中心區(qū)域的范圍難以界定。因此，準(zhǔn)確提取

焊點(diǎn)圖像邊緣成為后續(xù)特征提取與無損評(píng)價(jià)的前提。

1.3 焊點(diǎn)圖像邊緣有限元仿真分析

為了精確確定焊點(diǎn)圖像中的焊點(diǎn)邊緣，本團(tuán)隊(duì)在先前的研究中提出了一種名為“C-plot” 的定量化焊點(diǎn)圖像邊緣效應(yīng)分析技術(shù)［22］。該技術(shù)通過對(duì)比焊點(diǎn)C掃描仿真圖像與焊點(diǎn)截面圖輪廓，研究邊緣效應(yīng)現(xiàn)象與焊點(diǎn)超聲圖像中的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖4（a）所示，其中橫軸為焊點(diǎn)圖像的側(cè)向位置，縱軸為反射強(qiáng)度。焊點(diǎn)的物理邊緣位于反射強(qiáng)度最低的點(diǎn)，該點(diǎn)位于邊緣效應(yīng)區(qū)域內(nèi)，與圖4（b）中的暗環(huán)相對(duì)應(yīng)。

此發(fā)現(xiàn)揭示了焊點(diǎn)物理邊緣與焊點(diǎn)圖像中邊緣效應(yīng)區(qū)域內(nèi)亮度之間的定性和定量關(guān)系，但該結(jié)論僅適用于圖4中的特定截面方向，因此需要驗(yàn)證其在全方向上的適用性。圖5和圖6分別為真實(shí)焊點(diǎn)圖像的三維灰度值分布和焊點(diǎn)在多方向上的橫截面示意圖?？梢钥闯?，焊點(diǎn)圖像在多個(gè)方向上的灰度值最小點(diǎn)構(gòu)成了焊點(diǎn)的邊緣，且這些邊緣點(diǎn)始終保持在像素點(diǎn)位置20至30之內(nèi)。

這一發(fā)現(xiàn)確立了焊點(diǎn)圖像中最小灰度值點(diǎn)與焊點(diǎn)物理邊緣之間的定性和定量關(guān)系，將焊點(diǎn)超聲成像過程中的負(fù)面邊緣效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N精確的邊緣定位與提取工具，為圖像邊緣賦予了實(shí)際的物理意義。利用這一發(fā)現(xiàn)，本研究提出了一種基于微電子封裝焊點(diǎn)超聲圖像邊緣效應(yīng)分析的可靠性無損評(píng)價(jià)方法。

2

基于焊點(diǎn)圖像邊緣效應(yīng)的焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)方法

2.1 方法原理模型

圖7為所提出方法的原理。首先，設(shè)計(jì)并制造了4個(gè)試驗(yàn)樣板，樣板上都裝載有倒裝芯片封裝。樣板被投入到加速熱循環(huán)（ATC）試驗(yàn)中，直至所有倒裝芯片封裝完全失效。試驗(yàn)步驟和設(shè)置在2.2和2.3章節(jié)有詳細(xì)描述。隨著熱循環(huán)的增加，焊點(diǎn)中的疲勞應(yīng)力應(yīng)變會(huì)累積，焊點(diǎn)的老化程度和劣化程度也會(huì)增加。因此，可以假設(shè)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，焊點(diǎn)中的缺陷尺寸也會(huì)增加。在ATC測(cè)試過程中，樣板會(huì)以固定的周期間隔從試驗(yàn)箱中取出，使用Sonoscan SAM系統(tǒng)對(duì)焊點(diǎn)采集超聲C掃描圖像。以1.3章節(jié)中焊點(diǎn)圖像邊緣與邊緣效應(yīng)之間的關(guān)系為理論基礎(chǔ)提出 “基于局部最小值的邊緣提取算法”，對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的焊點(diǎn)超聲圖像提取邊緣，確定中心區(qū)域的范圍。具體步驟在第2.4章節(jié)有詳細(xì)說明。最后，利用不同試驗(yàn)周期的焊點(diǎn)超聲圖像中心區(qū)域亮度變化計(jì)算了焊點(diǎn)的失效周期，并繪制了3維示意圖，揭示了同一芯片上不同位置焊點(diǎn)的可靠性差異。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)樣品

設(shè)計(jì)并制造了如圖8（a）所示的分別安裝有BGA和倒裝芯片封裝的4塊試驗(yàn)樣板。圖中黃色方框內(nèi)的倒裝芯片為試驗(yàn)對(duì)象。這些封裝被安裝在雙面銅FR-4基板上，其中2塊測(cè)試樣板為SnPb熱風(fēng)焊錫水平（HASL）表面處理，另外2塊為電鍍鎳浸金（ENIG）表面處理。選用的表面處理方式與封裝凸點(diǎn)材料兼容，能夠進(jìn)行多因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)。此外，倒裝芯片封裝以單側(cè)放置、雙側(cè)鏡像放置和雙側(cè)偏移放置的方式排布在測(cè)試板的兩側(cè)，以研究芯片布局對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響。

超聲C掃描圖像采集設(shè)備為Sonoscan GEN6TM

C-Mode超聲顯微鏡，超聲探頭頻率為230 MHz，焦距為0.375英尺，能實(shí)現(xiàn)高達(dá)3 μm/像素的圖像分辨率。圖8（b） 為倒裝芯片結(jié)構(gòu)的三維X射線圖像，圖中紅色框內(nèi)的區(qū)域即為焊點(diǎn)排布區(qū)域。

每塊倒裝芯片由109個(gè)焊點(diǎn)連接在基板上。焊球直徑為140 μm，焊球高度為125 μm，焊點(diǎn)材料組成為Sn=52.9%，Pb=45.9%，Cu=1.2%，每塊芯片的尺寸為3 948 μm×8 898 μm×725 μm。

2.3 熱循環(huán)加速試驗(yàn)溫變曲線設(shè)計(jì)

在熱循環(huán)加速試驗(yàn)中，使用了溫度為-70 ℃至180 ℃，升溫速率為12 ℃/min的熱循環(huán)試驗(yàn)箱。試驗(yàn)樣板通過安裝孔以線夾的方式垂直懸掛在試驗(yàn)箱內(nèi)的網(wǎng)格框架上，以保證試驗(yàn)樣板周圍的空氣流動(dòng)和溫度均勻，不受試驗(yàn)箱架子的熱質(zhì)量影響。試驗(yàn)樣板配備了“T”型熱電偶，以確保部件達(dá)到試驗(yàn)箱溫度控制器設(shè)定的溫度曲線。

以往研究發(fā)現(xiàn)，過于激進(jìn)的溫變曲線對(duì)焊點(diǎn)的可靠性評(píng)價(jià)有負(fù)面影響［15］。因此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了較為溫和的溫變曲線，并采用了更短的采樣間隔，旨在更精細(xì)地追蹤焊點(diǎn)健康狀況的變化，為可靠性評(píng)價(jià)提供更多數(shù)據(jù)樣本。試驗(yàn)中采用了圖9中的溫變曲線，溫變范圍為-40 ℃至85 ℃，停留時(shí)間為30 min，升溫速率為5 ℃/min。

熱循環(huán)加速壽命試驗(yàn)于倒裝芯片從試驗(yàn)樣板上分離時(shí)結(jié)束。在此期間，每隔4個(gè)周期，試驗(yàn)樣板會(huì)被取出進(jìn)行C掃描成像，之后再返回試驗(yàn)箱繼續(xù)加速測(cè)試。在測(cè)試開始前，對(duì)所有的倒裝芯片封裝進(jìn)行了一次C掃描成像，為試驗(yàn)第零周期提供了基線非應(yīng)力數(shù)據(jù)。

整個(gè)熱循環(huán)加速壽命試驗(yàn)共進(jìn)行352個(gè)周期，每個(gè)周期110 min，總計(jì)耗時(shí)1 a。每塊PCB試驗(yàn)樣板上裝有倒裝芯片14個(gè)，共進(jìn)行了88次圖像采集，采集到焊點(diǎn)圖像數(shù)據(jù)

134 288張。

圖10為使用上述設(shè)備及溫變曲線，在熱循環(huán)加速壽命試驗(yàn)中第0，100，200周期的倒裝芯片C掃描圖像及焊點(diǎn)的局部放大圖。

2.4 基于局部最小值的邊緣檢測(cè)算法

在圖像的采集過程中發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)噪聲等原因，部分焊點(diǎn)圖像會(huì)出現(xiàn)如圖11（a）所示的椒鹽噪聲污染圖像信息。采用中值濾波配以3×3的濾波窗口以1為步長(zhǎng)進(jìn)行去噪。之后對(duì)焊點(diǎn)圖像依次進(jìn)行了動(dòng)態(tài)范圍歸一化與亮度補(bǔ)償?shù)阮A(yù)處理，圖11（b）為預(yù)處理后的焊點(diǎn)圖像。

基于1.3中的結(jié)論，焊點(diǎn)圖像中的焊點(diǎn)邊緣可以通過求取各方向上灰度值最小點(diǎn)來確定。因此，提出了基于局部最小值的焊點(diǎn)圖像邊緣提取算法，主要步驟如下。

步驟1：逐行逐列求取焊點(diǎn)圖像中灰度值最小的點(diǎn)。

由于焊點(diǎn)圖像的邊緣呈類圓形，因此構(gòu)成焊點(diǎn)圖像邊緣的點(diǎn)在每行每列中應(yīng)各有2個(gè)。首先，將焊點(diǎn)圖像經(jīng)圖像中心沿水平方向分割為兩等份，并對(duì)2部分圖像逐列求取灰度值最小點(diǎn)。同樣的，將焊點(diǎn)圖像經(jīng)圖像中心沿豎直方向分割為兩等份后逐行求取灰度值最小點(diǎn)。

步驟2：確定構(gòu)成焊點(diǎn)圖像邊緣的離散點(diǎn)集。

將步驟1中得到的焊點(diǎn)圖像每行每列的灰度最小值點(diǎn)進(jìn)行疊加。由于焊點(diǎn)的邊緣應(yīng)在各個(gè)方向均為最小值點(diǎn)，因此取重疊點(diǎn)作為構(gòu)成焊點(diǎn)圖像邊緣的離散點(diǎn)集。圖12為構(gòu)成某一焊點(diǎn)邊緣的離散點(diǎn)集。

步驟3：形成閉合的單像素焊點(diǎn)圖像邊緣。

為形成焊點(diǎn)圖像的閉合邊緣，使用形態(tài)學(xué)中的閉運(yùn)算對(duì)步驟2中得到的離散邊緣點(diǎn)集進(jìn)行處理。先進(jìn)行膨脹操作將離散的邊緣點(diǎn)連接，再通過腐蝕操作細(xì)化邊緣。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

A·B=（AB）ΘB

（2）式中 A為原始圖像；B為結(jié)構(gòu)元素。為保障邊緣檢測(cè)的精度，采用3×3的正方形結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)元素。

然而，上述算法可能會(huì)導(dǎo)致如圖13所示的結(jié)果。雖然檢測(cè)到的焊點(diǎn)圖像邊緣完整閉合，但存在一些不屬于焊點(diǎn)圖像邊緣的“分叉”，如方框內(nèi)所示。這種分叉可以通過“鄰域比對(duì)法”進(jìn)行消除。具體實(shí)例如圖14所示。

圖14為圖13中方框內(nèi)的局部放大圖。顯然，圖中灰色的1號(hào)點(diǎn)至6號(hào)點(diǎn)均為需要去除的分叉點(diǎn)，而藍(lán)色的點(diǎn)是需要保留的點(diǎn)。分叉點(diǎn)去除方法具體規(guī)則如下。

1）設(shè)點(diǎn)C為邊緣端點(diǎn)，其周圍8鄰域內(nèi)是邊緣點(diǎn)的個(gè)數(shù)為Ck，對(duì)圖中邊緣上所有點(diǎn)依次進(jìn)行如下判定；

2）若Ck≤1，則點(diǎn)C不是邊緣點(diǎn)，刪除并依次移至下一點(diǎn)重復(fù)該判定；

3）若Ck＞1，則保留點(diǎn)C為邊緣點(diǎn)，并依次移至下一點(diǎn)重復(fù)該判定。

在圖11中，以端點(diǎn)1號(hào)點(diǎn)為起始點(diǎn)開始進(jìn)行邊緣判定。1號(hào)點(diǎn)周圍8鄰域內(nèi)僅有2號(hào)點(diǎn)是邊緣點(diǎn)，因此刪除1號(hào)點(diǎn)，并繼續(xù)對(duì)相鄰的2號(hào)點(diǎn)進(jìn)行判定。在去除了1號(hào)點(diǎn)之后，2號(hào)點(diǎn)周圍8鄰域內(nèi)僅有3號(hào)點(diǎn)為邊緣點(diǎn)，因此與1號(hào)點(diǎn)相同，刪除2號(hào)，并移至3號(hào)點(diǎn)重復(fù)該判定流程。

根據(jù)上述方法，依次將1至6號(hào)點(diǎn)去除。當(dāng)判定至7號(hào)點(diǎn)時(shí)，7號(hào)點(diǎn)周圍有8號(hào)點(diǎn)和10號(hào)點(diǎn)2個(gè)邊緣點(diǎn)，因此，7號(hào)點(diǎn)保留為圖像邊緣點(diǎn)。同理，對(duì)藍(lán)色點(diǎn)依次判定都可保留為邊緣點(diǎn)。至此，灰色的分叉點(diǎn)被算法消除，藍(lán)色的邊緣點(diǎn)被保留。

圖15為使用上述基于局部最小值算法得到的一組同一焊點(diǎn)全壽命周期圖像的邊緣。可以看出隨著失效試驗(yàn)的進(jìn)行，焊點(diǎn)圖像中心區(qū)域的面積和強(qiáng)度都發(fā)生了明顯的變化。邊緣效應(yīng)的影響也愈發(fā)嚴(yán)重。在熱應(yīng)力的影響之下，焊點(diǎn)邊緣的形狀也發(fā)生了改變。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊點(diǎn)圖像邊緣提取效果對(duì)比與分析

焊點(diǎn)圖像邊緣提取的準(zhǔn)確性對(duì)焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)起決定性作用。以低圖像質(zhì)量的焊點(diǎn)圖像為對(duì)象，比較基于局部最小值的邊緣提取算法與常見邊緣檢測(cè)算法的性能。

在圖16中，最左側(cè)的一列包含3張焊點(diǎn)圖像，他們分別具有邊緣斷裂、高噪聲和扭曲的特征，這些都是低質(zhì)量圖像的典型表現(xiàn)，對(duì)這些圖像分別使用了6種不同的邊緣提取算法進(jìn)行了檢測(cè)。

檢測(cè)結(jié)果反應(yīng)出現(xiàn)算法存在以下2類問題。

3.1.1 對(duì)閾值選取準(zhǔn)確性高度依賴

焊點(diǎn)圖像中暗環(huán)內(nèi)灰度變化不明顯，這使得如Canny算子、Laplacian算子、OTSU算法等邊緣提取方法在選取統(tǒng)一且準(zhǔn)確的閾值以確定邊緣上遭遇困難。閾值選取過高會(huì)導(dǎo)致邊緣不連續(xù)，而閾值過低則會(huì)引入大量的偽邊緣。

3.1.2 對(duì)噪聲高度敏感

Prewitt算子和Sobel算子等基于梯度的圖像邊緣檢測(cè)算法，容易受到噪聲的影響。噪聲會(huì)改變圖像的局部強(qiáng)度，導(dǎo)致誤檢邊緣。雖然焊點(diǎn)圖像中的噪聲可以通過濾波來減少，但這種處理方式往往會(huì)犧牲圖像的細(xì)節(jié)信息，使檢測(cè)結(jié)果中包含大量的不存在的邊緣。

與此相比，即使在受到邊緣效應(yīng)嚴(yán)重影響的低質(zhì)量焊點(diǎn)圖像上，文中提出的基于局部最小值的邊緣提取算法仍然能夠得到清晰的單像素邊緣。這充分證明了算法在處理低質(zhì)量焊點(diǎn)圖像時(shí)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。也意味著，能夠在后續(xù)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性進(jìn)行更精確和有效的評(píng)估。

3.2 焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)

在熱循環(huán)試驗(yàn)過程中，無法直接獲取芯片上不同位置焊點(diǎn)的失效周期。既有研究通過評(píng)估各焊點(diǎn)圖像中心區(qū)域在熱循環(huán)試驗(yàn)周期變化過程中的平均亮度曲線與初始周期亮度曲線之間的距離，來確定各焊點(diǎn)的失效周期。為了對(duì)比本研究方法在焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)精確度上的提升。首先，利用有限元仿真模擬了不同位置焊點(diǎn)的失效周期。其次，采取了與以往研究相同的焊點(diǎn)失效周期計(jì)算方法確定了各焊點(diǎn)的失效周期［19］。并繪制了倒裝芯片中各位置焊點(diǎn)壽命的三維圖像。最后，取均方根誤差作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)可靠性評(píng)估性能上的提升進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

圖17（b）為利用有限元仿真技術(shù)，模擬的倒裝芯片各個(gè)位置焊點(diǎn)的失效周期。內(nèi)圈與外圈焊點(diǎn)用不同顏色表示，焊點(diǎn)的質(zhì)量與熱循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的增加成比例的降低。根據(jù)仿真結(jié)果，處于內(nèi)圈中間位置的焊點(diǎn)擁有最長(zhǎng)的壽命，約可經(jīng)受300個(gè)熱循環(huán)試驗(yàn)周期。相反，位于四角的焊點(diǎn)壽命最短，約為100個(gè)熱循環(huán)試驗(yàn)周期，失效模式符合正態(tài)分布。

圖17（a）為先前研究中得到的焊點(diǎn)失效周期數(shù)據(jù)。在32個(gè)周期后，位于四角的焊點(diǎn)開始失效，并逐漸向中央焊點(diǎn)擴(kuò)散。每8至16個(gè)周期，相鄰的2至3個(gè)焊點(diǎn)失效。約在第100個(gè)周期之后，所有焊點(diǎn)完全失效。雖然失效模式符合正態(tài)分布，但其數(shù)值與模擬結(jié)果有顯著差距。此外，在此結(jié)果中并未能得出內(nèi)圈焊點(diǎn)壽命超過外圈焊點(diǎn)的結(jié)論。這種情況一方面是由于試驗(yàn)的溫變曲線過于激進(jìn)。另一方面是由于邊緣效應(yīng)在C掃描成像中對(duì)外圈焊點(diǎn)的影響大于內(nèi)圈焊點(diǎn)，而以往的研究在焊點(diǎn)圖像中心區(qū)域的識(shí)別和提取上不夠精確所導(dǎo)致的。

圖18為運(yùn)用提出的基于微電子封裝焊點(diǎn)超聲圖像邊緣效應(yīng)分析的可靠性無損評(píng)價(jià)方法所得到的不同位置焊點(diǎn)的失效周期。與圖17（a）相比，該圖中能明顯看出內(nèi)圈焊點(diǎn)壽命高于外圈焊點(diǎn)，與實(shí)際情況相符。其數(shù)值也更接近仿真結(jié)果。為了定量評(píng)估可靠性評(píng)價(jià)方法的性能，采用均方根誤差RMSE作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圖17（a）和文中方法進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為

RMSE=

1n∑（yi-xi）2

式中 n為焊點(diǎn)個(gè)數(shù)；yi為試驗(yàn)得到的焊點(diǎn)失效周期數(shù)值；xi為仿真數(shù)值。

經(jīng)計(jì)算，圖17（a）中方法RMSE為137.11，圖18中方法RMSE為41.23，見表1。檢測(cè)精度提升69.96%。

4 結(jié) 論

1）提出并驗(yàn)證了一種基于微電子封裝焊點(diǎn)超聲圖像邊緣效應(yīng)分析的可靠性無損評(píng)價(jià)方法。通過有限元仿真，深入解析了超聲波在微電子封裝內(nèi)部的傳播規(guī)律，建立了焊點(diǎn)超聲圖形幾何特征與焊點(diǎn)實(shí)際物理特征間的定性定量關(guān)系。

2）提出基于局部最小值的焊點(diǎn)超聲圖像邊緣提取算法，優(yōu)化了焊點(diǎn)超聲圖像中心區(qū)域的定位，將焊點(diǎn)超聲成像過程中的負(fù)面邊緣效應(yīng)轉(zhuǎn)化為一種精確的邊緣定位與提取工具。這一改進(jìn)解決了傳統(tǒng)邊緣檢測(cè)算法在處理低質(zhì)量圖像時(shí)的困境，對(duì)提升焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)的精確性具有重大價(jià)值。

3）通過與以往的試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的比對(duì)，所提出的方法在評(píng)估焊點(diǎn)可靠性的準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)出顯著的提升。以均方根誤差為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確性從137.11提升到41.23，準(zhǔn)確率提高了約70%。

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（責(zé)任編輯：劉潔）