三維X射線顯微鏡-半導體封裝檢測新選擇

來源：陸熠磊 上海交大平湖智能光電研究院

在當今的半導體產(chǎn)業(yè)中，封裝技術(shù)的重要性不言而喻。它不僅保護了脆弱的芯片，還確保了電子信號的正確傳輸。但是，在封裝過程中可能會出現(xiàn)一些缺陷，如空洞、裂紋等，這些缺陷會影響電子設(shè)備的性能和可靠性。為了實現(xiàn)更高質(zhì)量的封裝檢測，二維X光和三維X射線顯微鏡成為了兩種關(guān)鍵的檢測手段。

二維X光設(shè)備相對經(jīng)濟，這使得它在眾多中小型企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在操作上，二維X光系統(tǒng)通常操作較為簡便易于培訓，且成像速度快，適合在線實時檢測。然而，這種技術(shù)的缺點也很明顯，由于只能提供單一平面的圖像，對于復雜的三維結(jié)構(gòu)，如堆疊芯片或者細間距的封裝，二維X光可能難以準確捕捉到所有的內(nèi)部信息。此外，當遇到密度相近的材料時，二維X光的對比度往往不足以分辨出細微的缺陷（如圖1-2）。

▲圖1 芯片封裝二維X光測試圖

▲ 圖2 BGA焊球二維X光測試圖

相較之下，三維X射線顯微鏡則提供了更為全面的細節(jié)揭示能力。通過旋轉(zhuǎn)樣品或者X光源，收集多個角度的二維影像，再借助先進的計算機重建算法，可以構(gòu)建出樣品的三維模型。這樣的三維成像技術(shù)，不僅能夠展示出物體的外部輪廓，還能夠深入到內(nèi)部，觀察到封裝體中的細微結(jié)構(gòu)。這對于分析封裝內(nèi)部的復雜互連結(jié)構(gòu)、焊點質(zhì)量、層間連接等至關(guān)重要。三維X射線顯微鏡技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，它能提供更為清晰的立體視圖，讓檢測人員能夠準確判斷組件間的相對位置和連接狀態(tài)；其次，三維成像可以揭示微小裂紋或空隙等瑕疵，這些是傳統(tǒng)二維檢測難以發(fā)現(xiàn)的；此外，它還可以進行層間分析，對多層堆疊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制尤為重要；最后，三維數(shù)據(jù)有助于逆向工程學的研究，為設(shè)計改良提供直觀的參考（如圖3-4）。

▲圖3 2.5D封裝模塊三維重構(gòu)圖

▲圖4 多層基板層間尺寸測量

三維X射線顯微鏡的分析案例：

在BGA焊球失效分析領(lǐng)域，三維X射線技術(shù)能夠深入到封裝內(nèi)部，對焊球與焊盤間的連接狀態(tài)進行無損檢測。例如：故障模塊接口出現(xiàn)故障，初步懷疑是故障點在芯片內(nèi)部bump引腳間的路徑上。通過掃描發(fā)現(xiàn)bump層與上部分的銅柱有10-19um的位移差（如圖5），這種現(xiàn)象（如圖6）多集中在芯片的邊緣位置。

▲圖5 Bump層與銅柱偏移量測量圖

▲圖6 焊球偏移位置分布圖

另外從截面的切片可以觀察到Bump與基板連接處有斷裂的現(xiàn)象，涉及的寬度為60um，高度約為10um（如圖7）。通過對焊點形態(tài)、位置以及尺寸的精確測量，技術(shù)人員可以清晰地識別出虛焊、冷焊、裂紋等常見缺陷。這種非破壞性的檢測方式不僅節(jié)省了拆解和重組的時間成本，更重要的是，它能夠在不破壞樣品的前提下，提供更為全面和直觀的內(nèi)部信息，幫助研發(fā)人員找到潛在的設(shè)計或工藝問題，從而優(yōu)化產(chǎn)品的性能和可靠性。

▲圖7 Bump層底部斷裂觀察圖

同樣，在硅光模塊的耦合失效分析中，三維X射線技術(shù)展現(xiàn)出其獨到的優(yōu)勢。硅光模塊作為集成光學器件，一般需要光纖與芯片進行精密的對準。當光波導與光纖之間出現(xiàn)耦合效率下降，甚至失效時，利用三維X射線成像技術(shù)可以準確地觀察耦合區(qū)域的結(jié)構(gòu)情況。例如：通過掃描垂直耦合模塊，可以觀察和測量垂直耦合的平整度和傾斜角度。同時能觀察水平耦合是否對準和灌膠是否充分等現(xiàn)象（如圖8-9）。無論是由于物理位移、污染還是結(jié)構(gòu)變形所導致的耦合不良，三維X射線都能給出清晰的圖像，為失效原因的診斷提供了直接而準確的依據(jù)。

▲圖8 垂直耦合傾斜偏移量測量

圖9 水平耦合對準與灌膠形貌觀察

三維X射線技術(shù)在半導體領(lǐng)域的應(yīng)用具有多方面的重要意義。它不僅能夠提供深入的內(nèi)部視圖，幫助工程師們理解材料的特性，還能夠進行精確的缺陷檢測和質(zhì)量控制，確保產(chǎn)品的可靠性和性能。隨著半導體技術(shù)的不斷進步，三維X射線技術(shù)將繼續(xù)發(fā)揮其不可替代的作用，推動半導體行業(yè)的發(fā)展。

審核編輯 黃宇