超聲波在集成電路中的分析應(yīng)用

1、超聲波在集成電路中的分析應(yīng)用 姓 名 賀國成 工 卡 號(hào) SN0292 部 門 研發(fā)部 指導(dǎo)工程師 宋關(guān)強(qiáng) 目錄 摘要1關(guān)鍵詞11超聲波工作原理12 脈沖反射和穿透掃描模式特點(diǎn)比較12.1 檢測(cè)靈敏度12.2 缺陷精確定位12.3 操作方便性22.4 采用縱波垂直入射檢查時(shí)22.5 聲波由發(fā)射到接收23 超聲波在集成電路中的失效分析23.1 PCB分層檢測(cè)23.2 PCBA燒接均勻性檢測(cè)43.3封裝斷裂分層檢測(cè)54.0 結(jié)論7參考文獻(xiàn)7摘要：本文主要介紹超聲波掃描聲學(xué)顯微鏡的工作原理，并針對(duì)脈沖反射和穿透掃描模式探討超聲波在PCB分層檢測(cè)、PCBA燒接均勻性、封裝分層檢測(cè)和封裝芯片斷裂中的應(yīng)用

2、，展現(xiàn)超聲波聲學(xué)顯微鏡無損檢測(cè)在集成電路中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：無損檢測(cè)；脈沖反射掃描；穿透掃描；分層；均勻性；斷裂 1、超聲波的工作原理超聲波的本質(zhì)是將材料層間的反射通量變化，成像為缺陷特征。由超聲波探頭發(fā)射出一定頻率的超聲波，經(jīng)過水、樹脂、Si、金屬等良好傳播媒介。當(dāng)通過兩種不同介質(zhì)時(shí)，在結(jié)合界面處，超聲波部分穿透界面繼續(xù)傳播，并有不同反射率的反射波。反射率R是關(guān)鍵參數(shù)之一，定義其為物體表面的反射輻射通量r與入射輻射通量i之比2，且有： (1)式中：Z為聲波在材料中的聲阻，滿足Z=材料密度×傳播速率。且Z1為先通過的材料聲阻；Z2為后通過的材料聲阻。Z1Z2時(shí)R為正，與入射脈沖同相位；

3、Z1Z2時(shí)，R為負(fù)，與入射脈沖反相位3。 通過對(duì)入射和反射兩種聲波的接收，可以得到兩種掃描模式，即脈沖反射和穿透掃描，因?yàn)榻邮辗绞讲煌?，又存在各自的特點(diǎn)。2、脈沖反射和穿透掃描模式特點(diǎn)比較2.1檢測(cè)靈敏度脈沖反射法根椐缺陷脈沖的出現(xiàn)，判斷缺陷存在，只要小缺陷信號(hào)能夠引起明顯高于噪聲的回波，就可以通過提高增益，很容易觀察并記錄；而穿透法顯示缺陷利用的是缺陷的處底波的降低量，當(dāng)缺陷尺寸相對(duì)于探頭聲束直徑較小時(shí)，引起聲波變化的分貝數(shù)是很小的，由于衍射的原因，小缺陷不能引起穿透波的變化，但對(duì)非均勻性線路板穿透掃描效果較好1。2.2缺陷精確定位脈沖反射法利用傳播時(shí)間與距離的線性關(guān)系，通過掃描的時(shí)間基線的

4、精確定標(biāo)或根據(jù)已知聲速，由脈沖波在時(shí)間基線上的位置可進(jìn)行缺陷的精確定位；操作方便；穿透法只能判斷該區(qū)域是否出現(xiàn)缺陷，不能得到缺陷深度信息1。2.3操作方便性脈沖反射法只需單面近試件進(jìn)行掃描，可采用手動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)掃描也簡(jiǎn)單，穿透法需將一收一發(fā)的探頭準(zhǔn)確對(duì)中，同樣尺寸大小也有限定，相對(duì)于脈沖反射掃描尺寸較小1。2.4采用縱波垂直入射檢查時(shí)脈沖反射法，存在一定的盲區(qū)，對(duì)位于表面和近表面的、平行于表面的缺陷的檢出能力低，對(duì)薄試件的檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)；而穿透掃描卻這方面的強(qiáng)項(xiàng)1。2.5聲波由發(fā)射到接收脈沖反射法要通過雙倍的聲程，相當(dāng)于材料對(duì)聲能有兩倍的衰減，對(duì)于高衰減的材料的檢測(cè)是不利的；而穿透法一次穿透的聲

5、能衰減，相對(duì)脈沖反射法聲能損耗較少1。3、超聲波在集成電路中的失效分析3.1 PCB分層檢測(cè)在PCB生產(chǎn)檢測(cè)或新工藝研究都需對(duì)PCB可靠性進(jìn)行檢測(cè)，而超聲波是在檢驗(yàn)產(chǎn)品是否通過可靠性檢測(cè)的必要手段。PCB經(jīng)過可靠性測(cè)試后，線路板內(nèi)部出現(xiàn)分層起泡，這些分層起泡在線路板里的位置及大小情況，肉眼是無法識(shí)別的。以下示例為使用脈沖反射對(duì)局部金屬基板進(jìn)行掃描，得到非正常板與正常板的分層起泡掃描圖片。 （a）脈沖反射掃描銅基分層圖片 （b）脈沖反射掃描正常銅基圖片 （c）穿透掃描分層圖片 （d）穿透掃描正常圖片圖1 PCB超聲波掃描圖片通過超聲波脈沖反射無損檢測(cè)可以看金屬基與PCB結(jié)合處樹脂的分層情況，圖a

6、中的白色區(qū)域是分層區(qū)域，灰白色是結(jié)合較好的地方，圖b是正常無分層的PCB。圖c是穿透掃描分層的PCB，圖片中的黑色區(qū)域是分層處，相對(duì)于正常PCB板圖d，我們不難發(fā)現(xiàn)分層的位置非常明顯，且區(qū)域較大。通過兩種不同的掃描方式，得到兩種不同的圖片效果。在這里脈沖反射適合金屬基板件板件掃描，其原因是金屬基本身是一塊均勻平整的銅板，聲波在金屬基均勻物質(zhì)中傳輸反射信號(hào)時(shí)，損耗是一樣的，所以在分層處才會(huì)顯示聲波反射信號(hào)異常，在分層處聲波全部反射，反映在圖片中為白的區(qū)域。PCB板分層選用穿透掃描，是因?yàn)镻CB板本身是一個(gè)混合材料板，含有油墨、玻纖、樹脂、銅。用脈沖反射掃描時(shí)，定位深度后，得到的反射信號(hào)比較雜亂，

7、無法準(zhǔn)確判斷，而穿透掃描的好處是因?yàn)槁暡ㄔ赑CB板內(nèi)傳輸時(shí)，遇到分層聲波完全反射，沒有入射聲波，在下方探頭接收信號(hào)為0，顯示圖片為黑色，與其它區(qū)域的反射、損耗，散射影響得到的灰色區(qū)域，是有明顯區(qū)別的。通過不同的掃描模式可以判斷出不同參數(shù)材料好壞，對(duì)PCB板可靠性改進(jìn)提供可靠的分析圖片，同時(shí)根據(jù)分層的面積大小與分層位置，為生產(chǎn)工藝改善提供方向。3.2 PCBA燒接均勻性檢測(cè)面對(duì)PCBA產(chǎn)品不斷更新，也給產(chǎn)品檢測(cè)提出了新的要求。PCB板與金屬基燒接解決散熱不良的工藝也越來越多，但在生產(chǎn)中難免會(huì)遇到許多難題，比如燒接層不均勻，PCB板內(nèi)壤金屬基與散熱金屬基處燒接不良等檢測(cè)，這些不是X-Ray可以檢測(cè)

8、到的，金屬基本身價(jià)格較貴，不能作破壞性檢測(cè)，就得先用超聲波無損檢測(cè)。 （a）脈沖反射掃描不均勻圖片 （b）脈沖反射掃描正常圖片圖2 超聲波脈沖反射掃描PCBA錫膏燒接圖片圖片中PCBA板屬于大功率散熱板，在燒接過程中由于回流參數(shù)，板厚等原因?qū)е聼硬痪闆r，圖a中的白色區(qū)域較大地方就是由于爐溫升溫過快，導(dǎo)致助焊劑迅速揮發(fā)，出現(xiàn)錫被驅(qū)走的情況。如果此PCB上帶有壤埋銅塊，那么銅塊表面的發(fā)熱器件的散熱一定達(dá)不到要求。利用超聲波脈沖反射掃描，能夠快速檢測(cè)出PCBA板的燒接情況，加強(qiáng)質(zhì)量控制，同時(shí)可以驗(yàn)證不同的回流參數(shù)對(duì)不同板的燒接情況，得出一個(gè)良好的回流參數(shù)，為生產(chǎn)提供指導(dǎo)。3.3 封裝斷裂分層檢測(cè)

9、封裝形式和工藝種類繁多，其中將電容電阻等器件與芯片封在一起的復(fù)雜的封裝模式稱為SIP封裝。檢測(cè)方式也多種多樣，超聲脈沖反射掃描是最常用的無損檢測(cè)方式之一，在失效分析中能快速度準(zhǔn)確的定位失效點(diǎn)。超聲波檢測(cè)不僅能夠分析載板與Solder Mask，Solder Mask與molding膠之間的分層，還能分層出芯片斷裂和芯片分層等情況。如下圖所示。 （a）超聲波掃描基板與molding分層圖片 （b）切片分析分層截面圖片 （c）超聲波掃描芯片斷裂圖片 （d）切片分層芯片斷裂截面圖片 （e）超聲波掃描芯片分層圖片 （f）切片分析芯片分層截面圖片圖3超聲波掃描封裝產(chǎn)品失效圖片及對(duì)應(yīng)切片圖片通過上述產(chǎn)品失

10、效分析圖片，不難看到三種常見的失效模式，molding膠與基板油墨分層；芯片斷裂；芯片硅層分層。這種三種情況在超聲波脈沖反射掃描模式能夠清晰的看到失效點(diǎn)的位置，準(zhǔn)確的做相關(guān)分析，查找失效的原因。圖a中不規(guī)則的白色區(qū)域?yàn)榉謱訁^(qū)域，并通過切片（圖b）驗(yàn)證了分層出現(xiàn)在油墨和Molding料相接的地方，通過檢驗(yàn)等手段最終確定為做SMT時(shí)有助焊劑殘留，在Molding時(shí)殘留焊劑在基板表面形成隔離，同時(shí)在后續(xù)可靠性測(cè)試時(shí)，經(jīng)歷回流焊導(dǎo)致殘留在基板表面及焊腳錫球里面的助焊劑二次熔解揮發(fā)，封裝內(nèi)部壓力增大，導(dǎo)致封裝產(chǎn)品分層；在超聲波圖片表現(xiàn)白色區(qū)域，原因?yàn)楫?dāng)聲波遇到分層氣泡時(shí)，在這時(shí)間段聲波信號(hào)全部反射，能量

11、表現(xiàn)在圖片為白區(qū)域；而圖a 一些特別黑的區(qū)域是因?yàn)殡娙蓦娮杪曌杼?，聲波在到達(dá)基板與molding膠接合處位置時(shí)要經(jīng)過電容電阻，反射的時(shí)候也要經(jīng)過電容電阻，這樣能量減弱，在圖片上顯示為黑色區(qū)域。圖c為芯片斷裂，圖片中一條灰色裂痕是斷裂地方，大小位置清晰可見，通過切片圖d，可以看到裂痕的深度；對(duì)圖c進(jìn)行解析，圖上的黑點(diǎn)為 Molding膠層中的小氣泡，因?yàn)樾酒拇笮?*3mm，在超波聲顯微鏡下，材料均勻的條件下，微小的氣泡縫隙都能顯示出來。通過對(duì)時(shí)間軸上的聲波信號(hào)選取，選取在芯片與銀膠層的反射信號(hào)，而先前通過氣泡時(shí)聲波，因反射而無法到達(dá)芯片與銀膠層位置，即聲波未到達(dá)指定獲取信號(hào)的時(shí)間軸位置，無

12、信號(hào)能量形成黑色的區(qū)域。而斷痕也一樣，也表現(xiàn)為黑色，只是裂痕不規(guī)則及深度對(duì)聲波的損耗影響，表現(xiàn)為灰色裂痕；當(dāng)用超聲波準(zhǔn)確分析到失效點(diǎn)，對(duì)失效點(diǎn)進(jìn)行研究分析，最終發(fā)現(xiàn)為芯片下方的導(dǎo)電孔排布不均，孔內(nèi)油墨塞孔有氣泡等原因，使得芯片在高溫下受到兩邊的導(dǎo)電孔內(nèi)的氣泡油墨推頂而斷裂，再通過對(duì)基板圖形分析，偏移芯片的位置，最終解決芯片斷裂問題，也為我們后繼加工產(chǎn)品提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。圖e為芯片分層，在圖f中看到與圖d不一樣，掃描芯片分層，需要對(duì)時(shí)間軸不同點(diǎn)取圖，圖e只是其中的一幅圖，圖e的反射信號(hào)層定位在硅片上，因分層的深度不一，即有白色和黑色，白色為芯片硅層分層反射區(qū)域，黑色為聲波透過分層區(qū)域；通過選取不

13、同的時(shí)間點(diǎn)獲取反射信號(hào)，即得到不同的深度圖片，就可準(zhǔn)備判斷分層的深度位置，這樣可以排除掃描銀膠層時(shí)圖片全是灰黑色效果，無法判定分層的位置情況；這種芯片分層屬于典型的材料膨脹系數(shù)不符，導(dǎo)致芯片受到的應(yīng)力過大而分層例子。4、 結(jié)論通過以上超聲波無損檢測(cè)案例分析，集合超聲波的兩種掃描方式原理特點(diǎn)，充分發(fā)揮超聲波無損檢測(cè)技術(shù)在我司幾大類產(chǎn)品中的應(yīng)用，增強(qiáng)公司的生產(chǎn)檢測(cè)能力。在技術(shù)日新月異材料與工藝的不斷更新的今天，讓大家更多的了解超聲波分析原理和產(chǎn)品失效模式，積極發(fā)揮超聲波無損檢測(cè)聲學(xué)顯微鏡的能力，研究并分析產(chǎn)品的可靠性，解決產(chǎn)品失效的難題，以實(shí)現(xiàn)公司能力的提升和技術(shù)的進(jìn)步，為公司帶來新的飛躍。參考文獻(xiàn)：1 史亦偉. 超聲檢測(cè)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.2 SEMMENS J，KESSLER L. Higher resolution acoustic images using frequ