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《半導(dǎo)體技術(shù)雜志》2016年第三期

摘要:

倒裝焊器件底充膠的填充質(zhì)量對于芯片可靠性的影響較大。超聲掃描技術(shù)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(zhì)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(jié)果清晰度均能滿足底充膠缺陷檢測要求。結(jié)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(dǎo)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(diào)整。

關(guān)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(zhì)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(huán)條件下，一個界面兩側(cè)材料的熱失配將在界面產(chǎn)生很高的應(yīng)力應(yīng)變［1］。器件本身界面分層失效是產(chǎn)品性能和可靠性方面關(guān)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(rèn)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(guān)系［3］。超聲掃描(SAM)技術(shù)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(yīng)器件具體層面的情況，本文所選器件均無分層現(xiàn)象，故僅對反射超聲波檢測圖像進行分析。根據(jù)SAM檢測的流程，通過對比不同頻率探頭的檢測結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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(dǎo)熱硅脂相連(與圖1所示類似);②非密封內(nèi)嵌式熱沉:熱沉內(nèi)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(jié)合倒裝焊器件的特有結(jié)構(gòu)，確定需要SAM檢測的位置為熱沉相關(guān)的界面及底充膠層相關(guān)的界面。根據(jù)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(xiàn)象。進行SAM檢測之前，可通過外部目檢及X光檢查進行結(jié)構(gòu)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(guān)參數(shù)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(zhì)導(dǎo)致固定波的產(chǎn)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(jié)果如圖3所示。圖3(a)中成像可以看出，30MHz探頭可以準(zhǔn)確找到凸點和底充膠層。圖3(a)中標(biāo)記位置的波形如圖4所示，t為信號從發(fā)出到接收所用時間，縱軸表示振幅，當(dāng)波形幅值對應(yīng)的增益超過100%時將溢出窗口，右上角數(shù)值表示柵門可在位置處的波形對應(yīng)的增益大小。以圖4為例，圓框柵門位置為11592ns(標(biāo)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(dāng)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(yīng)情況非本文重點內(nèi)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(yōu)選30MHz探頭，以提高效率;若對于清晰度要求較高，可以優(yōu)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(jié)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(dǎo)熱硅脂材質(zhì)比較疏松，難以通過SAM檢測得到相應(yīng)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(cè)泛白處即為氣泡所在的位置。去除片式熱沉?xí)r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(jié)果如圖6所示，去膠過程中的劃痕會對SAM檢測圖像產(chǎn)生影響，如標(biāo)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?xí)r，難以通過SAM檢測底充膠層情況。

3.2含內(nèi)嵌式熱沉的倒裝焊器件SAM檢測結(jié)果選取含內(nèi)嵌式熱沉的3#器件進行研究，X光檢查可以有效檢測到內(nèi)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(jié)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(jù)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(nèi)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(jié)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?xí)r無法看到凸點。由此可知，觀察到凸點才能認(rèn)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(guān)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?xùn)砰T寬度才能保證底充膠層同時出現(xiàn)在同一圖像內(nèi)。故含有內(nèi)嵌式熱沉的器件，研磨時應(yīng)注意平整度，否則會對SAM檢測結(jié)果產(chǎn)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(shè)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(shè)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(shè)置以窄為宜，具體寬度可以根據(jù)不同器件進行調(diào)整。以4#器件為例，4#器件110MHz探頭下底充膠層SAM結(jié)果如圖11所示。圖11中標(biāo)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(jù)器件不同選取不同值。

5結(jié)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(dāng)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(dāng)器件具有片式熱沉或是非密封內(nèi)嵌式熱沉?xí)r，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(yīng)設(shè)置過寬，否則會影響圖像清晰度，具體寬度可根據(jù)器件不同而進行調(diào)整。

作者：賈美思 張素娟 陳政平 單位：北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院