超聲波檢測在半導體工藝中的應用

【摘" 要】 超聲波檢測作為一種常用的無損檢測技術，不僅廣泛應用于半導體加工工藝環節，而且在管道無損檢測領域發揮著重要的核心作用。文章研究和討論了超聲波檢測在半導體工藝中的應用問題，希望能夠幫助相關工藝技術人員理解超聲波檢測技術的應用原理和要點，幫助技術人員有效地解決目前半導體工藝在優化過程中的成本控制問題，全面提升半導體工藝檢測的整體效率。

【關鍵詞】 超聲波檢測；半導體工藝；生產效率

近幾年，隨著我國社會經濟和科學技術的迅猛發展，國家和社會對半導體工業加工領域提出了新的要求。在這樣的時代發展背景下，越來越復雜的半導體制造工藝要求技術人員能夠全面優化產品質量和工藝檢測體系，從而有效地提升半導體行業領域的生產質量和效率。

一、超聲波檢測原理及其技術應用的優劣勢

（一）超聲波檢測的原理

超聲波在介質中進行傳播時，會隨著介質的變化而出現速度呈衰減的波動，因此測量人員能夠通過聲波傳播的相關特性，聯系聲學參量與非聲學參量之間的關系，間接得到相關區域材料性質的測量信息。由于超聲波與聲音具有共同的屬性，因此也能夠實現反射、折射的傳播恒定要求。由于超聲波的方向性要比普通聲波更加優秀，測量人員可以將超聲波檢測廣泛應用在對機體、液體和固體的參數測量上。

目前，在超聲波的檢測過程中，能夠影響測量結果的參數一般為介質種類、介質濃度和測量環境的溫濕度變化。技術人員可以根據超聲波的檢測原理確定全部場景下改變的任意一個參數，從而獲得超聲波傳播速度與被測量指標的唯一對應關系。這樣的檢測技術，能夠廣泛應用在以下幾個方面的物理量測量中：首先是溫度測量，超聲波檢測能夠利用溫度的變化情況與超聲波傳播速度的變化情況構建檢測模型；其次，技術人員可以針對超聲波在管道流動傳播介質中的傳播速度變化情況，測量管道流速，并且能夠綜合分析和比較順成和逆成兩個方向的流速情況。最后，技術人員也可以通過超聲波測算固定介質的厚度，其中的均勻介質往往通過傳播速度與傳播所需時間數據的乘積，獲得傳播距離，也就是厚度指標的相關數據。

（二）超聲波檢測技術應用的優劣勢

1. 優勢

首先，技術人員在半導體工藝中應用超聲波檢測，不僅能夠發揮超聲波穿透性能強的優勢，還能清晰、全面地測量半導體材料內部較復雜的結構，有助于為后續工藝的優化和調整提供指導意見；其次，超聲波檢測技術具有探傷靈敏度較高的特點，因此，能夠在不同的工藝生產環境中，準確測量相關參數，從而有效地減少了工藝生產過程中存在的問題；最后，在超聲波的檢測過程中，技術人員只需要攜帶較輕便的單臺檢測設備即可，整體的操作安全性相對較高，能夠有效地控制半導體技術檢測的成本，在降低檢測工作的技術門檻上發揮了重要的促進作用。值得注意的是，與其他無損檢測技術相比，超聲波檢測能夠實時檢測半導體工藝和產品，幫助技術人員及時地處理和分析檢驗結果。

2. 劣勢

除了以上幾個方面的檢測應用優勢之外，目前，超聲波檢測技術還存在著以下幾個方面的優化和調整空間：超聲波檢測技術在面對表面不太光滑、形狀較小且不規則的檢測對象時，往往呈現出較大的數據波動性，并且對不具備一定厚度的材料，也無法發揮出超聲波檢測滲透性強的核心優勢。這需要技術人員將超聲波滲入被測物體的內部，輔助耦合介質來有效提升檢測結果的準確性。

二、超聲波檢測方法的應用分析

（一）超聲波回聲檢測法

在超聲波回聲檢測法的應用過程中，技術人員需要將檢測樣品和超聲波檢測探頭全部沒入去離子的水介質中。由于水是能夠傳遞超聲波的污染介質，并且能夠使超聲波的傳播信號更加穩定，因此被廣泛應用在回聲檢測中。技術人員在探頭的超聲波掃描過程中，聲波能夠穿透樣品界面，其中一部分聲波被反射回探頭吸收了信號，而另一部分聲波會在檢測樣品的內部結構中傳遞和消耗。這樣的檢測方法，被稱為超聲波回聲檢測法，其通常能夠與Bscan和Cscan成像模式配合使用，對檢測樣品進行側面和全面成像的共同檢測。

（二）超聲波穿透檢測法

與超聲波回聲檢測法不同的是，超聲波穿透檢測法需要接收不同材料在傳播過程中呈現出的聲阻變化情況的信號，其通過單點信號分析的成像方式，將聲速變化直觀地呈現為波形差異變化。這樣的檢測方法能夠針對界面的裂紋和孔洞進行全面、細致地成像和測算，技術人員也能夠從超聲檢測信號的不同區域判斷材料可能存在的缺陷問題。值得注意的是，超聲波穿透檢測法在原理應用和操作方面呈現出了更好的特性，只需要技術人員針對裂紋和孔洞接收超聲波信號傳播的阻止情況即可，還可以在實際的信號接收范圍內描繪失效區域，因此對技術人員的技術素養要求不高。但值得注意的是，不同介質對超聲波的傳播和穿透精度影響不同，因此在必要的時候，技術人員應當采用穿透法與回聲法結合的方式，有效增強超聲波檢測的準確性和實際效率。這樣不僅有助于發揮不同檢測方法的核心優勢，提升對半導體工藝生產的指導作用，減少檢測人員的工作負擔。

三、超聲波檢測在半導體具體工藝中的應用

（一）封裝體內部裂紋的檢測

在半導體具體的生產和使用工序中，界面裂紋作為封裝最常見的時效問題，不僅直接影響半導體結構的使用質量，還對半導體的工藝產生了深遠影響。因此相關技術人員應當有效應用超聲波檢測技術，針對半導體封裝體內部的裂紋，落實以下幾個方面的檢測工序，篩選可能存在隱患風險的半導體結構。

在封裝球狀引腳柵格陣列以及方形扁平式的結構時，技術人員廣泛采用了超聲波檢測技術的回聲法，通過選擇50～75MHz的探頭增加了超聲波的覆蓋范圍，有效地提升了接收識別信號的規模。值得注意的是，對于這類封裝體內部裂紋的檢測過程，需要避免選擇75MHz以上的探頭，以減少由于波長太短可能被忽略的隱患問題。15MHz以下的超聲波檢測探頭，雖然具有波長長度較大的特點，但是由于穿透能力不好，也會造成封裝體內部裂紋檢測的重復程度過高，最終增加了工作人員在后續實際問題的篩選工作時的負擔。

當技術人員應用回聲法將探頭置于位置1時，由于反饋的波形圖能夠準確地區分3個波峰段，因此技術人員能夠針對封裝體的表面、芯片表面以及芯片底部的相關區域檢測封裝體裂縫問題，同時由于聲波還會在銀漿膠層繼續傳播，并在傳播的過程中不斷發生能量損耗，因此銀漿膠層的信號會大幅減弱。當探頭置于位置2時，由于存在超聲波檢測的缺陷情況，因此技術人員一般能夠檢測封裝體和芯片表面的裂縫。值得注意的是，由于空氣的聲組接近為0，因此一旦出現內部裂縫，會造成周圍區域的聲波信號與其他區域的信號發生反轉，對此，技術人員需要時刻嚴格監測信號的波動情況。當探頭置于位置3時，由于探頭整體的低波頻率范圍相對較大，因此能夠在短時間內出現較緊湊的3個波形，分別對應封裝體的表面、芯片表面和底部的相關區域。值得注意的是，這一位置的檢測，應當注重銀漿膠層的缺陷問題，因此需要技術人員綜合應用穿透法和超聲波。當探討置于位置4時，由于裂縫能夠阻擋超聲波的傳播，因此技術人員很難接收到較明顯的聲波波峰。

（二）填充膠的孔洞檢測

在半導體工藝的控制和優化過程中，倒裝焊工藝的整體質量會受到填充膠孔洞的影響，因此需要技術人員應用超聲波檢測技術的相關手段，將倒裝焊封裝的相關工藝作為檢測對象，并加強超聲波檢測技術的應用質量。在實際的檢測工作開展前，技術人員應當先選取110MHz的超聲波檢測探頭，通過應用探頭內部發射原理和結構不同的特點，區分與其他范圍的探頭在波峰的方向。倒裝焊孔洞的檢測如圖1所示。

在圖1中，當探頭處于位置C時，技術人員一般能夠通過超聲波信號明確地觀察到兩個峰值，主要對應芯片表面和芯片底部的孔洞區域。值得注意的是，由于該部分的超聲波信號需要穿透填充膠的相關材料，因此芯片表面和底部的信號幅值范圍較小，一般在幅值的55%左右。當聲波探頭處于孔洞的相關區域時，由于技術人員能夠接收到回聲信號，因此在芯片表面和底部區域的兩處峰值差距會進一步加大，一般在整體幅值的75%以上。技術人員通過不同的回聲信號峰值范圍，能夠有效地確定倒裝焊的孔洞區域和具體位置，也能夠有效地檢測孔洞的大小和規模數量。除此之外，由于填充膠的聲阻與孔洞的聲音阻力總是小于芯片的聲阻性能，因此技術人員也可以通過翻轉的波峰復制代入相關的公式，從而測試相應滾動區域的信號強度，并通過全區域的超聲波檢測過程，確定不同峰值區域的孔洞缺陷。

（三）硅通孔的成型檢測

三維封裝技術作為半導體工藝中最常見的內聯方式，其中鉆孔的深度和成型質量直接影響著半導體的工藝結構和使用性能，因此需要技術人員能夠廣泛地應用超聲波檢測技術，檢測硅通孔的成型深度。在開展檢測的過程中，技術人員同樣需要選擇110 MHz的超聲波探頭，從而有效地結合回聲法，測量硅孔的深度。硅孔深度的計算公式一般為：

hvia=h1-h2=h1-■vwafe×■ （1）

式中h1指硅片的整體厚度，需要技術人員提前通過測量設備測算數據，并針對不同半導體的結構計算平均數據；h2主要指的是硅片表面到硅孔底部的直線距離，需要技術人員精確測算界面一和界面二之間的距離。

速度指的是聲音在硅片內的傳播速度，一般通過查閱相關的生產工藝資料確定不同半導體材料的自身性能。時間值主要指的是聲音在硅界面之間的傳遞時間，一般需要技術人員通過回聲法的方式，記錄和應用聲音模式。通過測算公式的相關參數，技術人員能夠求解微孔的刻蝕深度，并通過對比切片實驗，將超聲波檢測的誤差控制在3%以內。

四、結語

總而言之，在國家和社會對未來半導體工藝檢測領域進一步深化發展的核心要求的指導下，相關技術人員應當有效地轉變自身的工作思路，充分地發揮超聲波檢測的無損檢測技術的核心優勢，在不破壞半導體結構的基礎上，更細化地檢測內外部的氣孔裂縫和孔隙。這能有效地提升超聲波檢測技術的應用效率和檢測精度，通過回聲法等創新應用思路，將深度檢測的誤差控制在5%以內，有助于我國半導體行業在發展的過程中，全面優化和調整自身的生產工藝，提升半導體結構的使用質量，開發半導體檢測和分析的新型發展模式，這對半導體行業的可持續發展，產生了深遠影響。

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