技術(shù)分享 | 芯片粘接空洞的超聲檢測(cè)

隨著電子封裝技術(shù)向小型化發(fā)展，芯片散熱問(wèn)題逐漸成為阻礙其具有高可靠性的瓶頸，特別是功率器件，芯片粘接空洞是造成器件散熱不良而失效的主要原因。因此，在對(duì)元器件的篩選檢測(cè)工作中，往往需要通過(guò)超聲檢測(cè)手段，檢測(cè)并評(píng)價(jià)芯片粘接質(zhì)量，一旦粘接空洞達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，均會(huì)被判為不合格并剔除，以保障其使用可靠性。要開(kāi)展好芯片粘接質(zhì)量的超聲檢測(cè)工作，正確分析辨認(rèn)粘接空洞，需要掌握器件內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)、超聲檢測(cè)原理、超聲檢測(cè)信號(hào)處理和分析等知識(shí)，本文逐一進(jìn)行介紹并展示具體案例。

芯片粘接結(jié)構(gòu)

目前芯片粘接主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是芯片直接粘接在熱沉上；另一種是芯片粘接在陶瓷基板上，陶瓷基板再粘接在熱沉上。兩種粘接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。粘接層材料根據(jù)其熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度等要求選擇環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)或共晶焊料等。器件封裝類(lèi)型根據(jù)裝機(jī)尺寸和可靠性等要求選擇塑料封裝或氣密封裝。

圖1 芯片粘接結(jié)構(gòu)示意圖

超聲檢測(cè)原理

超聲波是以波動(dòng)形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)超聲波與被測(cè)物及其中的缺陷相互作用時(shí)，反射、透射和散射特性使其傳播方向和特征被改變；接收反射回波，并對(duì)其處理和分析，就可得到一張被測(cè)物的聲學(xué)圖像；通過(guò)分析接收的超聲波特征和聲學(xué)圖像，即可檢測(cè)出被測(cè)物及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特征。超聲波在無(wú)限大的介質(zhì)中傳播時(shí)，將一直向前傳播，并不改變方向；但如果遇到異質(zhì)界面時(shí)，由于界面兩側(cè)介質(zhì)材料聲阻抗的差異，會(huì)產(chǎn)生反射和透射，一部分超聲波在界面上被反射回第一種介質(zhì)（入射材料），另一部分透過(guò)界面進(jìn)入到第二種介質(zhì)（反射材料）中。其反射和透射的聲強(qiáng)按一定比例分配， 由聲壓反射率和聲壓透射率來(lái)表示，如公式（1）和（2）所示。

圖2 公式（1）和公式（2）

式中：R為聲壓反射率；T為聲壓透射率；Z1為入射材料的聲阻抗值；Z2為反射材料的聲阻抗值。

超聲檢測(cè)信號(hào)分析與處理

超聲反射回波信號(hào)分析：對(duì)于塑封器件，由于塑封料、芯片以及異質(zhì)界面對(duì)超聲波有反射與吸收作用，傳播到芯片粘接層的超聲波強(qiáng)度較弱，因此，需要將塑封器件倒置，從器件背面的熱沉入射超聲波，從而獲取信號(hào)較強(qiáng)的芯片粘接層處超聲反射回波信號(hào)；對(duì)于密封空腔器件，由于腔體內(nèi)保護(hù)氣體對(duì)超聲波有全反射的原因，也需要將密封器件倒置，從器件背面的熱沉入射超聲波，從而獲取芯片粘接層處的超聲反射回波信號(hào)。

超聲反射回波信號(hào)處理：由于超聲反射回波信號(hào)的相位及幅度特性是基于異質(zhì)界面兩側(cè)的材料聲阻抗差異。假設(shè)入射超聲波為正弦波，超聲波從熱沉或陶瓷基板向粘接層傳播過(guò)程中，在界面處超聲波存在反射和透射兩種傳播特性，由于熱沉或陶瓷基板的聲阻抗大于粘接層聲阻抗，聲壓反射率為負(fù)值，因此，在熱沉或陶瓷基板與粘接層的界面處超聲反射回波與入射波相位翻轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為余弦波，且幅度小于100%。若芯片粘接層有空洞，不管是內(nèi)聚空洞還是粘接空洞，超聲波的傳播路徑均是從高阻抗材料到低阻抗材料，聲壓反射率約為-100%，因此，粘接空洞界面處超聲回波相位翻轉(zhuǎn)表現(xiàn)為余弦波，且幅度約為100%?；诖?，根據(jù)熱沉或陶瓷基板與芯片粘接層界面處反射回波信號(hào)幅度大小可以區(qū)分是否為粘接空洞。對(duì)共晶粘接而言，粘接界面處不同材料相互滲透，無(wú)嚴(yán)格意義上的異質(zhì)界面，且材料聲阻抗差異較小，因此，粘接層的超聲回波信號(hào)較弱。但是，粘接空洞界面處超聲回波信號(hào)與入射波相位翻轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為余弦波，且幅度約為100%，依然可以作為區(qū)分是否為粘接空洞的依據(jù)。

典型案例1：WLCSP封裝芯片SAT分析

在HAST試驗(yàn)后對(duì)WLCSP封裝芯片樣品進(jìn)行SAT檢查。如下圖3所示，觀(guān)察到Si芯片上層與塑封料粘接區(qū)域、芯片與基板粘接區(qū)域無(wú)異常，砷化鎵芯片反射圖像無(wú)異常，而T-Scan觀(guān)察到芯片存在分層，因此能初步預(yù)計(jì)芯片在經(jīng)過(guò)HAST試驗(yàn)后與基板粘接區(qū)域發(fā)生分層。

圖3 SAT檢測(cè)設(shè)備

圖4 芯片DIE（左）、PADDLE（中）、T-Scan（右）形貌圖

典型案例2：FCBGA倒裝芯片SAT分析

對(duì)于FCBGA倒裝芯片，SAT也能對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行比較詳細(xì)的分析，包括LID和TIM膠、TIM膠和芯片的粘接情況，以及TIM膠覆蓋率、散熱情況、占比等。如下圖4、5所示，在芯片Reflow試驗(yàn)后進(jìn)行SAT檢查，芯片各粘接區(qū)域未見(jiàn)分層、裂紋或空洞，芯片經(jīng)試驗(yàn)后并無(wú)異常。

圖5 芯片LID-TIM(左)、TIM-DIE（中）、T-Scan（右）形貌圖

圖6 芯片Q-BAM

總之，SAT在在半導(dǎo)體檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用很多，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，為后續(xù)試驗(yàn)以及生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供幫助。

廣電計(jì)量半導(dǎo)體服務(wù)優(yōu)勢(shì)

工業(yè)和信息化部“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺(tái)”。

工業(yè)和信息化部“面向制造業(yè)的傳感器等關(guān)鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺(tái)。

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)“導(dǎo)航產(chǎn)品板級(jí)組件質(zhì)量檢測(cè)公共服務(wù)平臺(tái)”。

廣東省工業(yè)和信息化廳“汽車(chē)芯片檢測(cè)公共服務(wù)平臺(tái)”。

江蘇省發(fā)展和改革委員會(huì)“第三代半導(dǎo)體器件性能測(cè)試與材料分析工程研究中心。

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)“大規(guī)模集成電路分析測(cè)試平臺(tái)”。

在集成電路及SiC領(lǐng)域是技術(shù)能力最全面、知名度最高的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個(gè)型號(hào)的芯片驗(yàn)證，并支持完成多款型號(hào)芯片的工程化和量產(chǎn)。

在車(chē)規(guī)領(lǐng)域擁有AEC-Q及AQG324全套服務(wù)能力，獲得了近50家車(chē)廠(chǎng)的認(rèn)可，出具近400份AEC-Q及AQG324報(bào)告，助力100多款車(chē)規(guī)元器件量產(chǎn)。