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超声扫描技术在倒装焊器件中的应用

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《半导体技术杂志》2016年第三期

摘要:

倒装焊器件底充胶的填充质量对于芯片可靠性的影响较大。超声扫描技术可以有效检测芯片与基板之间凸点周围的底充胶的填充质量。选用30MHz和110MHz频率的超声换能探头检测底充胶层,两种频率探头检测结果清晰度均能满足底充胶缺陷检测要求。结果显示,30MHz探头聚焦范围宽于110MHz探头,操作更为简便。对于包含热沉的器件,热沉的存在会干扰超声扫描显微镜对底充胶层的检测,未去除热沉可能导致研究者误判底充胶层填充情况,去除热沉后可获得底充胶层的清晰成像。倒装焊器件底充胶层厚度比较薄,检测时SAM的栅门宽度选取不易过宽,否则会影响图像清晰度,其具体值可视被测器件不同而调整。

关键词:

倒装焊;超声扫描显微镜(SAM);底充胶;超声换能探头;热沉;栅门宽度

倒装焊器件底充胶的填充质量对于芯片可靠性的影响较大,是倒装焊器件工艺过程中检查的一项重点。在湿热及热循环条件下,一个界面两侧材料的热失配将在界面产生很高的应力应变[1]。器件本身界面分层失效是产品性能和可靠性方面关注的重点[2]。超声扫描显微镜(SAM)对于检测倒装焊器件底充胶的裂纹、界面分层及空洞等缺陷具有显著效果。底充胶与芯片和基板分别形成两个界面。目前普遍认为,在填充底充胶后倒装焊器件封装失效与底充胶分层有直接关系[3]。超声扫描(SAM)技术可以有效检测到芯片与基板之间凸点周围的底填料的填充情况[4-5],评价倒装焊材料的完整性[6]。本文选取非密封无热沉及含有热沉的倒装焊器件的底充胶层进行SAM检测研究,由于透射超声波主要用于检测器件整体有无大面积分层情况,反射超声波可以反应器件具体层面的情况,本文所选器件均无分层现象,故仅对反射超声波检测图像进行分析。根据SAM检测的流程,通过对比不同频率探头的检测结果给出试验条件选取的建议,通过对比去热沉前后倒装焊器件的SAM结果得出热沉对于SAM检测的影响。

1倒装焊器件分类与SAM检测流程

倒装焊器件典型结构如图1所示,分别为无热沉和带热沉器件的示意图。底充胶与芯片形成的界面1及底充胶与基板形成的界面2在局部放大图中表示。热沉的存在对于SAM检测影响很大,本文选取热沉形式不同的两种倒装焊器件进行研究:①片式热沉:热沉与芯片通过导热硅脂相连(与图1所示类似);②非密封内嵌式热沉:热沉内嵌于塑封料中(即图1中热沉与芯片外包裹了塑封料)。参考文献[7]给出的SAM检测要求,结合倒装焊器件的特有结构,确定需要SAM检测的位置为热沉相关的界面及底充胶层相关的界面。根据文献[8],SAM检测可以有效检查出底充胶层的空洞、助焊剂残留等现象。进行SAM检测之前,可通过外部目检及X光检查进行结构分析,去除热沉后进行SAM,必要时可对比X光检查的照片,判断底充胶层情况。倒装焊器件SAM检测流程如图2所示。

2SAM实验条件选取

选用30MHz和110MHz的超声换能探头进行底充胶层检测。两种探头的相关参数及特点如下:30MHz探头的穿透深度为3.4mm,焦距为12.7mm,分辨率为50μm。30MHz的探头聚焦范围宽,易于聚焦;可以获得具有一定清晰度的底充胶层SAM检测图像;110MHz探头的穿透深度为

2.2mm,焦距为8.0mm,分辨率为14μm。110MHz聚焦范围较窄,探头本身材质导致固定波的产生,不易于对焦;相比于30MHz探头,110MHz探头获得的底充胶层SAM检测图像更为清晰。选取图1所示的非密封无热沉1#倒装焊器件进行研究,30MHz与110MHz探头下得到的检测结果如图3所示。图3(a)中成像可以看出,30MHz探头可以准确找到凸点和底充胶层。图3(a)中标记位置的波形如图4所示,t为信号从发出到接收所用时间,纵轴表示振幅,当波形幅值对应的增益超过100%时将溢出窗口,右上角数值表示栅门可在位置处的波形对应的增益大小。以图4为例,圆框栅门位置为11592ns(标记处)后的第三个半波,11592ns后的一个半周期的波为芯片与底充胶的界面,当界面波为正弦时,界面未分层,若为余弦,则可能存在分层。此文所列SAM检测图像中底充胶均未分层,波形与封层对应情况非本文重点内容,故后文不再逐一分析。比较图3(a)和图3(b),两种频率的探头均能获得清晰度较高的图片,均可有效检测出底充胶层缺陷。30MHz探头操作简便,对于检测底充胶空洞、裂纹及分层等缺陷而言,可以优选30MHz探头,以提高效率;若对于清晰度要求较高,可以优选110MHz的探头。

3热沉对于SAM检测的影响

3.1带片式热沉的倒装焊器件SAM检测结果选取带有片式热沉的2#器件作为研究对象,分别对其去热沉前后进行SAM。去热沉之前器件较厚,110MHz探头无法穿透,故选用30MHz探头进行检测。片式热沉与芯片间的导热硅脂材质比较疏松,难以通过SAM检测得到相应图像,同时会影响底充胶层的检测。去热沉前2#器件SAM照片如图5所示,去除热沉前SAM,无法得到芯片凸点与底充胶层的图像,热沉与基板间存在狭缝,易形成气泡,右上侧泛白处即为气泡所在的位置。去除片式热沉时可以使用机械的方法,但须注意力度的均匀性,避免留下划痕。去除热沉后,对图6中圆框圈定位置进行SAM检测,30MHz探头下2#器件底充胶检测结果如图6所示,去胶过程中的划痕会对SAM检测图像产生影响,如标记位置所示。去热沉后SAM检测可以获得清晰的底充胶层,与未去除热沉前的SAM图像形成鲜明对比。故未去除片式热沉时,难以通过SAM检测底充胶层情况。

3.2含内嵌式热沉的倒装焊器件SAM检测结果选取含内嵌式热沉的3#器件进行研究,X光检查可以有效检测到内嵌式热沉,如图7所示,带有圆孔的热沉清晰可见。去热沉前3#器件较厚,110MHz探头无法穿透,故选用30MHz探头进行检测。去热沉前3#器件SAM结果如图8所示。对比图7与图8可知,热沉的存在干扰底充胶层检测,对于成像存在较大影响。图8中没有显示凸点的情况,根据灰度对比实验人员可能判断底充胶层存在空洞,也可能判断器件存在倾斜。去除内嵌式热沉可以选取镶样研磨的方法,冷镶过程中需要注意平整度的要求,将热沉完全磨去即可,注意避免磨损芯片。去除热沉后,针对图8中方框圈定位置进行SAM检测,结果如图9所示,去除热沉后可以看到底充胶层及凸点的情况,未去除热沉时无法看到凸点。由此可知,观察到凸点才能认为得到了底充胶层的SAM检测图像。图9中图像清晰度有限,此时关注波形图显示出栅门宽度为130ns,如图10所示。对于3#器件,130ns的宽度不利于得到清晰度最高的图像,但由于研磨后器件表面不平,需增加栅门宽度才能保证底充胶层同时出现在同一图像内。故含有内嵌式热沉的器件,研磨时应注意平整度,否则会对SAM检测结果产生较大影响。

4栅门位置及宽度的选取

栅门起始位置与宽度决定了聚焦位置与图像显示信息的深度范围,栅门设置很大程度上确定了成像情况。图3SAM过程中栅门宽度均为15ns,得到的图像均比较清晰。通过图10的波形图,可知图9SAM过程中栅门宽度为130ns,得到的图像清晰度有限。故SAM检测底充胶过程中,由于底充胶层比较薄,栅门不宜设置过宽,否则可能叠加其他层面信息,影响清晰度。SAM检测底充胶过程中栅门宽度设置以窄为宜,具体宽度可以根据不同器件进行调整。以4#器件为例,4#器件110MHz探头下底充胶层SAM结果如图11所示。图11中标记位置7处的波形如图12所示。图12中,栅门选取宽度为20ns时,得到的图像最为清晰,故栅门选取较窄时利于提高图像的清晰度。综上,栅门选取具有较高灵活性,可根据器件不同选取不同值。

5结论

使用30MHz和110MHz探头均可满足底充胶层缺陷检测要求,30MHz探头易于对焦,可以提高检测效率,当对于SAM检测图片清晰度没有过高要求时,建议选取30MHz探头。当器件具有片式热沉或是非密封内嵌式热沉时,热沉的存在会影响底充胶层的检测,去除热沉后,才能获得底充胶层的真实情况。由于底充胶层厚度较薄,检测过程中栅门宽度不应设置过宽,否则会影响图像清晰度,具体宽度可根据器件不同而进行调整。

作者:贾美思 张素娟 陈政平 单位:北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院

半导体技术杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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