三維X射線檢測技術(shù)在倒裝焊器件中的應(yīng)用

王爽

（中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京，100176）

0 引言

本文選取塑封倒裝焊樣品分別進(jìn)行二維和三維X射線無損檢測試驗(yàn)，對比試驗(yàn)結(jié)果，分析這兩種檢測手段的優(yōu)缺點(diǎn)。三維X射線檢測技術(shù)在倒裝焊器件的缺陷檢測中可以很好的滿足復(fù)雜封裝的檢測需求，并可有效彌補(bǔ)二維X射線檢測手段的不足，拓展了電子元器件非破壞性檢測手段。

1 倒裝焊器件基本結(jié)構(gòu)分析

圖1 倒裝焊封裝典型結(jié)構(gòu)示意圖

倒裝焊封裝的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)的引線鍵合工藝不同，倒裝焊封裝采用芯片和基底直接互連的封裝技術(shù)。首先在整個(gè)芯片表面按柵陣形狀用電鍍、化學(xué)鍍等方法生長I/O凸點(diǎn)，凸點(diǎn)材料一般為鉛錫、金或鎳等，然后將芯片拾取并翻轉(zhuǎn)，以倒扣方式安裝到基底上，通過柵陣凸點(diǎn)與基底上相應(yīng)電極焊盤實(shí)現(xiàn)直接機(jī)械和電氣互連，凸點(diǎn)與基底的互連技術(shù)主要有熱壓/熱聲連接法、機(jī)械接觸互連法和可控塌陷芯片連接法等。在凸點(diǎn)間會(huì)填充環(huán)氧樹脂底充膠以增強(qiáng)界面粘接強(qiáng)度。倒裝焊器件按基板材料可分為陶瓷封裝和塑料封裝。

2 倒裝焊器件常見缺陷及檢測標(biāo)準(zhǔn)

目前，有關(guān)電子元器件X射線檢測的國軍標(biāo)有：GJB548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法2012、GJB128A-97《半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》方法2076、GJB360B-2009《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》方法209及GJB4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》。其中GJB548B和GJB128A分別針對了集成電路和半導(dǎo)體分立器件給出了檢測方法和具體判據(jù)。GJB360B中僅給出了試驗(yàn)方法，沒有針對具體元件類型給出檢測內(nèi)容，GJB4027A針對GJB360B進(jìn)行了補(bǔ)充，對電阻器、電連接器、電感器等元件給出了檢測判據(jù)。

然而目前還沒有形成倒裝焊器件的缺陷檢測方法和判據(jù)。倒裝焊凸點(diǎn)、BGA焊球的質(zhì)量對器件的可靠性影響很大。IPC-7905C《BGA設(shè)計(jì)與組裝工藝的實(shí)施》中討論了BGA焊球中空洞CT切片的評價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)，分別針對不同的焊球節(jié)距和空洞位置提出了相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。倒裝焊凸點(diǎn)中的空洞目前還沒有統(tǒng)一的評判要求，業(yè)界目前的評判標(biāo)準(zhǔn)為：空洞面積在15%~30%可以接受。

表1 BGA焊球空洞CT切片的評價(jià)參考

倒裝焊凸點(diǎn)和BGA焊球中的裂紋會(huì)造成應(yīng)力集中，影響器件的機(jī)械性能。此外，缺球、虛焊、焊球/凸點(diǎn)橋連等缺陷將直接影響器件的電性能，造成器件短路、開路等故障，在X射線檢測中均應(yīng)拒收。

3 倒裝焊器件的二維與三維X射線檢測結(jié)果對比

圖2 倒裝焊器件二維X射線形貌

首先對塑封倒裝焊器件進(jìn)行二維X射線檢測，分別對BGA焊球區(qū)域和倒裝焊凸點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行檢查，如圖2所示。可見二維X射線下，該塑封倒裝焊器件可檢查的缺陷較少，僅可檢查BGA焊球和倒裝焊凸點(diǎn)是否有缺失和橋連。因?yàn)楹盖蛎芏容^大，對于其中的空洞和裂紋并不能完全檢出，需要根據(jù)樣品情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和角度變換才能看到。圖3是對BGA焊球區(qū)進(jìn)行局部放大，增大X射線電壓、電流并傾斜樣品后觀察到的空洞缺陷。對于倒裝焊凸點(diǎn)，未被BGA焊球遮擋的區(qū)域通過放大圖像可檢查凸點(diǎn)內(nèi)部是否有空洞，被BGA焊球遮擋區(qū)域，由于襯度原因，凸點(diǎn)很難被檢查。

圖3 倒裝焊器件二維X射線形貌（局部放大）

對該器件進(jìn)行三維X射線檢查，建立三維模型并對模型進(jìn)行切片分析，可得塑封倒裝焊器件各層CT形貌如圖4所示。可見，BGA焊球和倒裝焊凸點(diǎn)各層CT形貌清晰，無阻擋，可以直接觀察各種缺陷，不受襯度影響，圖像對比度均勻。對該三維模型進(jìn)行局部放大、切片可觀察到該器件的內(nèi)部缺陷，如BGA焊球中的裂紋和空洞、倒裝焊凸點(diǎn)中的裂紋，未見倒裝焊凸點(diǎn)中的裂紋。通過對塑封倒裝焊器件檢測試驗(yàn)結(jié)果的分析，三維X射線無損檢測系統(tǒng)與二維X射線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及適用范圍對比如表2所示。

圖4 倒裝焊器件三維CT射線形貌

圖5 倒裝焊器件三維CT射線形貌（局部放大）

表2 三維X射線無損檢測系統(tǒng)與二維X射線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)對比分析

缺點(diǎn)背景灰度水平不均勻放大倍數(shù)較高時(shí)圖像邊緣變形適用范圍背景噪聲影響對比度和亮度是自動(dòng)調(diào)節(jié)二維X射線檢測能力的限制樣品三維重構(gòu)樣品深度分析失效分析 快速化、簡單化檢驗(yàn)

三維X射線檢測技術(shù)可以更好的檢測出倒裝焊器件的內(nèi)部缺陷，并可對缺陷進(jìn)行尺寸測量和位置標(biāo)定，圖像質(zhì)量較好，不會(huì)出現(xiàn)邊緣畸變，在實(shí)際的生產(chǎn)檢測中可以更有效的反應(yīng)產(chǎn)品的具體情況和工藝水平，但建模時(shí)間較長，只能逐一進(jìn)行試驗(yàn)，無法批量檢測。二維X射線檢測技術(shù)可以快速實(shí)時(shí)的對樣品進(jìn)行分析，并可依據(jù)樣品的具體情況調(diào)整參數(shù)。當(dāng)需要批量檢測時(shí)可以選擇二維X射線檢測手段，并輔以三維X射線檢測手段進(jìn)行深入分析。當(dāng)進(jìn)行破壞性物理分析、失效分析時(shí)，可采用三維X射線檢測技術(shù)，可以精確檢測出缺陷。

4 結(jié)論

二維X射線檢測技術(shù)速度較快，可實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，對于觀察倒裝焊器件中的明顯缺陷較方便；三維X射線檢測技術(shù)可以更深層的分析器件內(nèi)部的封裝缺陷并可應(yīng)用于失效分析，且完成一次建模后可獲得樣品完整的信息，便于問題溯源，是一種更有效的復(fù)雜封裝器件缺陷檢測手段。