塑封基板類(lèi)器件翻新件無(wú)損鑒別方法研究

江徽，郭劼，虞勇堅(jiān)，張偉，王倩倩

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，無(wú)錫 214035； 2.浙江馳拓科技有限公司，杭州 310000）

引言

通常而言，翻新件是指將淘汰的，使用過(guò)的，不同質(zhì)量等級(jí)的或者制造過(guò)程中的殘次品，經(jīng)過(guò)特的工藝處理，掩蓋原有的器件信息，充當(dāng)合格及正常的新件。翻新器件主要包括使用過(guò)的回收器件、低質(zhì)量等級(jí)的器件、相同功能的“雜牌”器件和外部結(jié)構(gòu)相近的仿制器件，此類(lèi)器件或多或少會(huì)存在一些損傷及潛在的隱患，可能直接影響到電子組件乃至整機(jī)的可靠性和安全性[1]。

翻新器件的鑒別往往是需要進(jìn)行破壞性分析的深度分析確認(rèn)，這極大程度上增加了經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本。因此，研制翻新件的非破壞性無(wú)損鑒別方法，為翻新器件高效篩選和電子產(chǎn)品可靠性保障具有重要意義。本研究借助于外觀檢查、X 射線檢查、聲學(xué)掃描電子顯微鏡檢查等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了塑封基板類(lèi)翻新件的無(wú)損鑒別。同時(shí)，結(jié)合相關(guān)案例，揭示了塑封基板類(lèi)器件一些典型的翻新物理特征，可以為塑封基板類(lèi)翻新器件的鑒別提供指導(dǎo)。并且針對(duì)典型翻新物理特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，進(jìn)一步加強(qiáng)了塑封基板類(lèi)器件應(yīng)用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避[2,3]。

1 實(shí)施方法與步驟

塑封基板類(lèi)器件翻新件無(wú)損鑒別方法，主要包括四個(gè)步驟，如圖1 所示。

圖1 塑封基板類(lèi)器件翻新件無(wú)損鑒別步驟

1）步驟1 是外觀檢查，借助放大鏡、光學(xué)顯微鏡等設(shè)備與工具，按照GJB 548B-2005 方法2009 進(jìn)行，檢查器件表面是否存在翻新的物理特征，或與正品技術(shù)文件規(guī)定的外部特征是否存在差異性，此處要求的正品技術(shù)文件包括正規(guī)產(chǎn)品規(guī)格書(shū)，設(shè)計(jì)手冊(cè)以及相關(guān)官方出具的正規(guī)證明文件等。

2）步驟2 是聲學(xué)掃描電子顯微鏡檢查，采用聲學(xué)掃描顯微鏡對(duì)每一只樣品內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行無(wú)損掃描檢查，若芯片上粘接有金屬熱沉，可先按GJB 548-2005 方法2030，C 掃（反射模式）檢查熱沉與芯片粘接材料等區(qū)域中，再進(jìn)行T 掃（透射模式）檢查下填料等區(qū)域，檢查器件內(nèi)部是否存在翻新的物理特征，或與正品技術(shù)文件規(guī)定的內(nèi)部特征存在差異性。

3）步驟3 是X 射線檢查，按GJB 548B-2005 方法2012 的規(guī)定，使用X 射線設(shè)備檢查器件兩個(gè)方向（俯視和側(cè)視）引線框架、基板、凸點(diǎn)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀察是否存在翻新的物理特征，或與正品技術(shù)文件規(guī)定的內(nèi)部特征存在差異性。

4）步驟4 是綜合分級(jí)，結(jié)合外觀檢查、聲學(xué)掃描電子顯微鏡超聲檢查和X 射線檢查的各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和影響程度對(duì)檢測(cè)器件進(jìn)行綜合分級(jí)，可分為“正常”級(jí)（A 類(lèi)）、“謹(jǐn)慎”級(jí)（B 類(lèi)）以及“異?！奔?jí)（C 類(lèi)）三個(gè)級(jí)別。

2 驗(yàn)證分析

以某款V5 系列、倒裝焊塑封單片集成電路（FPGA）為例，以下稱案例器件，對(duì)塑封基板類(lèi)器件翻新件無(wú)損鑒別方法進(jìn)行論證。在實(shí)施該方法之前應(yīng)對(duì)相關(guān)待鑒別器件的正品相關(guān)結(jié)構(gòu)以及規(guī)格應(yīng)做足夠多的了解與調(diào)研，并確保所有獲得的信息足夠準(zhǔn)確性與權(quán)威性。經(jīng)研究正品案例器件具有如圖2 所示的結(jié)構(gòu)特征，主要包括：

圖2 案例器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖

1）帶有草帽形熱沉的非氣密性封裝外形；

2）有機(jī)基板作為封裝載體；

3）內(nèi)部硅芯片（Die）的正面通過(guò)共晶或無(wú)鉛凸點(diǎn)，倒裝貼焊在有機(jī)基板上并加以底部填充（Under fill）；

4）硅芯片（Die）背面加涂粘接材料（Thermal Adhesive）后加貼熱沉（Lid）覆蓋；

5）熱沉下方、芯片周邊有去耦陶瓷電容（Chip Cap）分布，熱沉帽沿與基板四角之間通過(guò)加涂粘接材料圍堰填充和粘接；

6）基板底部植Sn/Ag/Cu 材質(zhì)BGA 焊球。

2.1 外觀檢查

按照GJB 548B-2005 方法2009 對(duì)案例器件進(jìn)行外觀檢查，重點(diǎn)檢查基板布線走線圖形、色澤、字符，散熱片色澤、型號(hào)標(biāo)識(shí)、表面形貌，熱沉厚度、表面鍍層、粗糙度、外形結(jié)構(gòu)，引出端顏色、結(jié)構(gòu)、表面鍍涂等區(qū)域。如圖3 所示，外觀檢查出現(xiàn)了基板顏色差異、焊球基板面有多余設(shè)計(jì)圖形、異常金屬裸露以及數(shù)字標(biāo)識(shí)異常等異常物理特征。

圖3 案例器件外觀檢查中典型異常

2.2 聲學(xué)掃描電子顯微鏡檢查

按GJB 548-2005 方法2030，針對(duì)案例器件進(jìn)行聲學(xué)掃描電子顯微鏡超聲檢查，先進(jìn)行C 掃檢查，再聲學(xué)T 掃檢查，主要檢查包括但不局限下列區(qū)域的形貌：

1）熱沉與芯片粘接材料的形貌和空洞；

2）下填料中的空洞、分層；

3）芯片裂紋；

4）熱沉與基板粘接材料的圍堰形貌。

如圖4 所示，對(duì)案例器件進(jìn)行聲學(xué)掃描電子顯微鏡超聲檢查，結(jié)果出現(xiàn)了三種典型形貌，其中C 掃-類(lèi)型1 同T 掃-類(lèi)型1 為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。C 掃-類(lèi)型1 粘接材料呈現(xiàn)米字形形貌，周界規(guī)則、連續(xù)，粘接材料內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的空洞，同時(shí)T 掃-類(lèi)型1 倒裝焊下填料區(qū)無(wú)明顯的陰影、明暗均勻，粘接材料圍堰有明顯的四個(gè)缺口等物理特征，同官方給出的技術(shù)文件規(guī)定內(nèi)容匹配。

圖4 案例器件聲學(xué)掃描電子顯微鏡檢查中的典型結(jié)果

C 掃-類(lèi)型2 芯片粘接膠形貌呈現(xiàn)類(lèi)雪花型，涂膠明顯不均勻；周界不規(guī)則或不連續(xù)，粘接材料缺口突入芯片區(qū)，外圍膠有四邊或兩邊缺口；同一顆芯片透射圖像存在局部明暗差異。同時(shí)，在T 掃-類(lèi)型2 中可見(jiàn)倒裝焊下填料區(qū)有雪花形缺口引起的明顯陰影，并且存在較多的細(xì)小空洞，基于這些物理特征是不能判別為翻新件，只是由于機(jī)器涂膠不均勻?qū)е拢怯幸欢ǖ目煽啃噪[患，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

C 掃-類(lèi)型3 粘接材料呈現(xiàn)類(lèi)方形形貌，周界不規(guī)則或不連續(xù)，粘接材料內(nèi)存在明顯的條狀或花紋狀空洞，在T 掃-類(lèi)型3 中倒裝焊下填料區(qū)呈現(xiàn)明顯的陰影、明暗不均勻區(qū)域，粘接材料圍堰也無(wú)明顯缺口，明顯是二次涂膠后產(chǎn)生的痕跡。

2.3 X 射線檢查

按GJB 548B-2005方法2012規(guī)定，對(duì)每一只器件在兩個(gè)方向（俯視和側(cè)視）作X 射線檢查。主要檢查包括但不局限下列區(qū)域的形貌：

1）熱沉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

2）基板上的電容等輔助器件；

3）焊球陣列結(jié)構(gòu)形貌；

4）倒裝區(qū)的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)形貌。

如圖5 所示，對(duì)案例器件進(jìn)行X 射線檢查，正品器件整體形貌規(guī)則有序，電容等輔助元件排布一致、無(wú)缺損、開(kāi)裂等異常。倒裝凸點(diǎn)形貌呈現(xiàn)規(guī)則的圓形，凸點(diǎn)大小均勻，明暗清晰。而經(jīng)過(guò)翻新的器件，由于在翻新過(guò)程中的外在應(yīng)力的引入，會(huì)造成輔助器件位置偏移或缺失，倒裝凸點(diǎn)形貌不規(guī)則，凸點(diǎn)有縮小、缺損、變淡、重熔、互連等異常[4]。

圖5 案例器件X 射線檢查中的典型結(jié)果

2.4 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

結(jié)合外觀檢查、聲學(xué)掃描電子顯微鏡檢查、X 射線檢查的結(jié)果，綜合分析后對(duì)案例器件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)的確定，分級(jí)依據(jù)與等級(jí)如表1 所示。其中“正常”級(jí)（A 類(lèi)）為正品可以正常使用；“謹(jǐn)慎”級(jí)（B 類(lèi)）存在一定潛在的缺陷，有一定的翻新概率，應(yīng)謹(jǐn)慎使用或使用過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)外在防護(hù)；“異常”級(jí)（C 類(lèi)）確認(rèn)為翻新件，應(yīng)避免使用。

表1 案例器件綜合分級(jí)表

2.5 結(jié)果確認(rèn)

為了進(jìn)一步確認(rèn)無(wú)損鑒別與綜合分級(jí)的可靠與準(zhǔn)確性，每一種綜合等級(jí)隨機(jī)選擇1 顆樣品進(jìn)行開(kāi)封驗(yàn)證，結(jié)果如圖6 所示，其中正常級(jí)經(jīng)過(guò)開(kāi)封觀察，結(jié)果顯示粘接膠相對(duì)均勻，形貌呈現(xiàn)類(lèi)（近）米字形，整體內(nèi)部表面潔凈明亮，輔助器件外觀形貌良好，未見(jiàn)明顯的翻新物理特征。謹(jǐn)慎級(jí)經(jīng)過(guò)開(kāi)封觀察，結(jié)果顯示粘接膠填充不均勻，形貌呈現(xiàn)類(lèi)雪花型，并且存在空洞，雖未見(jiàn)明顯的翻新物理特征，但可靠性水平需進(jìn)一步考察后，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。異常級(jí)經(jīng)過(guò)開(kāi)封觀察，結(jié)果顯示，粘接膠形貌呈現(xiàn)不規(guī)則類(lèi)，并且有明顯的二次涂膠痕跡，外圍膠缺口被二次涂膠掩蓋，證實(shí)為翻新器件。經(jīng)過(guò)開(kāi)封驗(yàn)證進(jìn)一步說(shuō)明了無(wú)損鑒別與綜合分級(jí)的有效性[5]。

圖6 案例器件不同綜合等級(jí)下開(kāi)封驗(yàn)證結(jié)果

3 典型翻新物理特征

塑封基板類(lèi)翻新件的無(wú)損鑒別方法，主要是依據(jù)外觀檢查、聲學(xué)掃描電子顯微鏡檢查以及×射線檢查，從中提取差異性的物理特征，從而進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的判別。通過(guò)案例積累，梳理出了以下典型翻新物理特征，以幫助塑封基板類(lèi)器件進(jìn)行有效的翻新鑒別。

3.1 外觀典型翻新物理特征

經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證總結(jié)與積累，針對(duì)塑封基板類(lèi)器件外觀檢查，可獲取的典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下幾種：

1）外觀標(biāo)識(shí)的字體、位置、大小等與同批次器件明顯不一樣，或有后補(bǔ)打標(biāo)跡象；

2）封裝基板厚度、材質(zhì)以及顏色等有明顯異常，或同正品存在差異性；

3）熱沉厚度、粗糙度、外形結(jié)構(gòu)等有明顯異常，或同正品存在差異性；

4）引出端顏色、結(jié)構(gòu)、表面鍍涂等有明顯異常，或同正品存在差異性；

5）對(duì)于引出端形式為焊球陣列的器件，焊球偏離、破裂、扭曲或受損、焊球腐蝕、結(jié)殼或殘留助焊劑而變色等異常狀態(tài)，或同正品存在差異性；

6）對(duì)于阻焊膜有損壞或裂紋、有異常的補(bǔ)漆或修復(fù)現(xiàn)象、有殘余物等異常，或同正品存在差異性[6,7]。

3.2 聲學(xué)掃描電子顯微鏡典型翻新物理特征

采用聲學(xué)掃描電子顯微鏡超聲檢查，對(duì)翻新件進(jìn)行鑒別時(shí)，應(yīng)注意熱沉與芯片粘接材料的形貌和空洞情況，下填料聲波透射的均勻性以及粘接材料的圍形貌等關(guān)鍵區(qū)域的物理特征的檢查。粘接材料呈現(xiàn)不規(guī)則形狀、周界不規(guī)則或不連續(xù)、粘接材料內(nèi)存在明顯的空洞以及同官方給出的技術(shù)文件規(guī)定存在明顯差異性的形貌，都有可能是翻新后產(chǎn)生的物理特征[8,9]。其主要典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下幾種：

1）C 掃描，粘接材料呈現(xiàn)差異性形貌，周界不規(guī)則或不連續(xù)；

2） C 掃描，粘接材料內(nèi)存在明顯的條狀或花紋狀空洞；

3）T 掃描，倒裝焊下填料區(qū)呈現(xiàn)明顯的陰影、明暗不均勻區(qū)域；

4） T 掃描，粘接材料圍堰檢測(cè)到差異性形貌；

5）芯片區(qū)域出現(xiàn)裂紋、空洞、分層等明顯異常。

3.3 X 射線典型翻新物理特征

結(jié)合驗(yàn)證結(jié)果，通過(guò)X 射線檢查鑒別塑封基板類(lèi)翻新件時(shí)，可獲取的典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下幾種：

1）熱沉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)規(guī)定不相符；

2）輔助器件外形尺寸異常、缺失、開(kāi)裂以及位置明顯偏離設(shè)計(jì)等物理特征；

3）對(duì)于焊球陣列出現(xiàn)缺失、空洞（空洞超過(guò)其直徑或體積的25 %）或焊球間橋連等物理特征；

4）對(duì)于內(nèi)部凸點(diǎn)出現(xiàn)缺失、凸點(diǎn)小于或大于設(shè)計(jì)值（標(biāo)稱值）的20 %或凸點(diǎn)間的橋連等物理特征[10]。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)塑封基板類(lèi)器件翻新件無(wú)損鑒別方法的研究，探索了一種便捷經(jīng)濟(jì)且高效的無(wú)損鑒別技術(shù)，并結(jié)合相關(guān)案例詳細(xì)說(shuō)明了該方法的實(shí)施流程與效果，同時(shí)還針對(duì)性的提出了塑封基板類(lèi)翻新件的相關(guān)典型物理特征，為塑封基板類(lèi)器件工程應(yīng)用中的無(wú)損鑒別篩選和可靠性保障提供了支撐與參考。