丁侠      shaw@teclab.cn      瑞泰克（中國）有限公司

摘要：本文介绍了多种基于激光超声的非接触检测方法用于芯片封装质量的评估。通过与超声显微镜，X射线以及扫描电镜进行比对发现 :激光超声检测技术在第二层键合质量检测时具有相对更高的检出可能性；与常见的基于时域或幅值成像方法相比，共振时域幅值相关系数法更容易实现，可大幅提升检测速度和具有相对较高的检出率。最后提出了几种潜在的芯片封装无损检测方法并进行了初步验证。

关键字：激光超声 芯片封装检测 超声显微镜

背景：

在风云变幻的国际形势下，国内芯片产业蓬勃发展奋起直追。随着产业链逐步地完善，对芯片的质量控制需求也会日益增多。其中倒装芯片因具有较高的性能和接口密度更加亲近市场。然而对这类芯片检测的可靠性却一直是个难题。目前芯片的无损检测往往采用超声显微镜和X射线。有损的方式是将芯片断面切割打磨后进行扫描电镜观察。超声显微镜是一种性价比非常高且对人体无害的无损检测方式，可以敏感的检测出第一层的键合质量，但往往第二层的键合质量检测结果并不理想。X射线检测也面临同样的问题。激光超声因其具有如下优势在芯片封装检测具有较大的潜力：

1.     非接触，无需耦合剂，无需将芯片浸泡在耦合液体中进行检测，避免了耦合液对芯片的损坏的可能性并且免除了后续去除耦合液的工序。是一种更适合全检的检测手段。

2.     可以激励非常宽带的超声信号，使得对内部缺陷高精度成像的可能性增加

3.     因激励和检测均采用激光光束，通过光路聚焦技术有可能将光斑降到微米级从而提高成像的空间分辨力。

基于激光超声检测芯片封装质量主要可以分层如下几种方式：

1.     激光超声显微镜：该方法需要配合微米级定位精度和重复精度的扫描系统，窄脉宽激励激光器，焦斑非常小的聚焦光路，高功率的检测激光器和高信噪比混频干涉接收系统。为了得到高精度的成像结果，成像算法可能需要酌情使用SAFT孔径聚焦采集甚至FMC全矩阵采集。这种方法可以进行芯片全场扫描，可以将缺陷进行确切的平面和深度定位甚至可以对缺陷进行当量评定。然而系统搭建难度较高，且芯片往往在厚度方向并非匀质或各向同性，声速在多层结构中传播时会因其各向异性发生变化，还需进行适当的声速适配校准，目前尚未由成熟的案例和文献采用该方法对芯片进行缺陷表征。

2.     共振时域幅值分析法：该方法通过将芯片表面划分多个区域，通过将激励激光在各个区域中心激励超声信号，并通过干涉仪在各个区域进不同位置进行单次或多次接收超声信号。通过对比完好芯片和缺陷芯片的时域信号进一步分析该区域的键合质量。该方法是一种非全场扫描方案，可以快速评定各个区域是否存在质量缺陷，可以大概定位缺陷的平面位置但无法确切定位缺陷度和大小当量。本文将重点介绍这种技术在芯片封装键合质量检测中的情况。

3.     共振频谱分析法：该方法通对芯片实现扫频激励后将接收信号进行频谱绘制，得到一段频率范围内的芯片共振频率谱。通过对比完好芯片和具有缺陷芯片的共振频率谱将发现：带有缺陷芯片的共振频率峰相对完好芯片会有相对频率偏移。通过测量频率偏移量评估芯片是否带有缺陷。该方法可以极其快速的评估信号是否合格。但无法确定不合格的原因（可能是键合不完整，可能是芯片尺寸有偏差甚至原材料的偏差等等）。

芯片样品：

实验对象采用如下图 180mm x 180mm 大小的PWB板，倒装芯片（18.5mm x 20mm）封装于中间位置的FCBGA（52.5mm x 52.5mm），整个芯片有2597个键合点以1mm间距分布在51 X 51的矩阵中，每个键合点直径约0.5-0.6 mm。

图1. 倒装芯片实物图及内部结构示意图

实验采用了三块相同完好的芯片，其中一块完好芯片作为参考对象。另外两块芯片通过跌落实验使其内部键合部因裂缝产生键合不完整缺陷。

表1. 芯片跌落实验

激光超声芯片检测系统：

图2. 激光超声芯片封装质量检测装置 及 示意图

激励激光功率需设置足够高以产生足够强的超声信号进入芯片，同时也需足够低以避免在芯片表面造成烧蚀。本文采用5 ns脉冲宽度，80 mW激励激光在芯片表面以45°入射产生超声信号。芯片入射点表面温度在被激光激励后迅速达到最高值，且在40-50 ns时间内迅速降低。

硅片表面的温度曲线T（t）可以公式表达如下：

I₀代表表面激光吸收通量密度

K代表热导率

k代表热扩散率

T代表时间

本文中激励激光光斑面积A约6.14 mm²,激光吸收能量E₀=（1-R）E，E代表入射激光强度，R代表反射率。当1064 nm波长激光以45°入射硅片时光子反射率约0.43。

为了保证激励激光在芯片表面产生热-弹性效应使超声波在芯片内部和表面传播且不产生烧蚀，基于以上公式，分析了5 ns脉冲宽度，80 mW激励激光在硅片表面不同深度温度曲线。

图3. 硅片表面不同深度温度曲线

从曲线可以看出，硅片表面最大温度约在640 K，远低于硅片熔点，且在约50 ns极短的时间内下降到350 K,因此该激励激光不会在硅片表面引起烧蚀损伤。

图4. 激光激励超声和瞬态平面外位移干涉接收示意图

检测方式：

离激励激光点越远，超声衰减随之增大，同时软材料，多层结构和不平整的测试面也会导致超声信号在短距离内迅速衰减。本次实验芯片内有大量灌装填充软材料并采用的是11层基板。为了保证激光干涉仪能接收到足够强的信号，可虑采用两种方式：1）采用非常高功率的激光入射到芯片中心表面，2）将芯片分层9个子区域，如图5左，并采用相对低功率的激光激励到每个子区域表面中心位置，同时激光干涉仪在该子区域接收超声信号。考虑到平衡热弹性效应和烧蚀效应本文采用第二种方式进行检测。

图5. 芯片检测区域划分1-9（左），区域5信号采集方式对应X射线成像（右）

若采用激光超声显微镜成像方法，需要进行全场扫描对每个键合点进行超声信号采集。该芯片有2597个键合点，耗时很长。为了实现快速检测，每隔3x3键合点矩阵进行一次信号采集并假设该键合矩阵内有缺陷或异常键合时会影响干涉仪接收信号。如图5右，黑色为键合焊点，蓝色为激光干涉仪信号采集点。

表2. 检测参数表

为了定量分析激光干涉仪接收到信号并评估信号的键合质量，设计了如下时域幅值相关系数修正法：

公式中：Rn代表完好芯片参考板的接收信号，R代表Rn的平均值

                  An代表被测位置接收信号，Ā代表An的平均值

                  n代表信号采样点数

从公式可以，当计算结果为0时，测试信号和参考信号完美匹配，表示芯片没有缺陷或异常。同样的当该结果大于一定阈值时，表明芯片存在异常。

由于不是全场扫描的方式进行检测，完成整个芯片检测的时间将大大小于激光超声显微镜逐点扫描成像所需的时间。

检测结果：

图6. #2芯片沿边51检测结果（左）                                        #3芯片沿边1检测结果（右）

图6. #2芯片沿边51检测结果（左）                                        #3芯片沿边1检测结果（右）

从检测结果分析，两块测试芯片在四个角落出现了键合失效的可能。同时还发现#3测试芯片的2和6区出线了异常值，经过分析该异常数值是由于芯片表面的不平整和粗糙导致。

结果验证：

1.     为了核验该检测方式是否准确有效，首先对跌落实验后的芯片进行了有限元仿真，结果图8。仿真结果和激光超声检测结果具有高度的一致性。

图8. 芯片有限元仿真结果

2.     通过200 MHz 水浸高频超声显微镜对芯片角落进行高精度扫描成像发现，超声显微镜可以检测第一层缺陷，但无法实现第二层缺陷的检测和识别。同样的X射线2D成像结果表面，微裂缝隐藏在键合点或其他结构投影中无法准确识别提取。

图9. 超声显微镜芯片角落扫描成像(左)    X射线2D成像（右）

3.     为了得到确实的证据以证明这种激光超声检测芯片的可行性，将检测后的芯片进行切割后打磨再通过扫描电镜观察剖面，如图10和11，可见芯片四个角落均出现了明显键合不完整的裂缝缺陷。

图10. #2芯片边角键合位置扫描电镜成像，可见明显微裂缝出线在键合部

图11. #3芯片边角键合位置扫描电镜成像，可见明显裂缝出线焊点下方基板表面、

其他几种潜在的芯片无损检测技术：

1.     共振频谱分析法

共振频谱分析法有多种形式实现，如图12，采用了空气耦合超声作为激励信号源对芯片样品进行超声共振激励，并采用激光测振仪对芯片表面进行测振扫描振动速度（频率），实现发现在高阶共振模态下带有缺陷的芯片位置出现了明显的频移现象。

图12. 空气耦合激励，激光测振检测芯片封装质量实验装置

图13.共振频率VS共振频率阶数曲线（左），单个和多个键合失效点不同频率下频移分布（右）

接触法扫频共振通过将芯片轻轻的夹持在两个共振超声换能器之间，并对其中一个换能器激励扫频信号，当扫频信号与芯片某个共振模态频率相同时，芯片产生频率共振，接收换能器将接收到较强的频率峰。通过扫描一段频率范围，可以得到芯片在该频率范围内的共振频率谱，每个频率峰对应芯片的一个共振模态。当芯片内部存在缺陷时，共振频率峰会相对完好芯片的共振频率峰发生偏移现象。利用该现象可以评估芯片质量是否合格，但无法判定缺陷种类，位置以及大小。

图14.接触扫频共振实验装置 及 连接示意图

图15.不同缺陷共振频率峰偏移对比

2.     厚度共振分析法

     厚度共振法是通过对芯片激励一个超声信号，通过回波或者透射的方式接收经过芯片的超声信号。当在芯片内部来回反射的超声信号波长等于芯片厚度一半的整数倍时，会发生厚度共振。通过对采集到的超声时域信号做FFT可以得到厚度共振频率。当芯片内部出线裂缝时，共振厚度发生变化，厚度共振频率也将随之发生变化。

图16.      2mm 厚  硅-橡胶板（声速967 m/s）厚度共振频率分析（左）,不同厚度试样共振频率C扫描成像

3.     激光激励-光声接收检测法

       激光激励-光声接收检测芯片相对于常规水浸超声显微镜而言，免除了泡水的困扰。且检测速度相对较快。受限于光声接收模块的带宽最高只能2 MHz,成像的分辨率相对超声显微镜而言较低，但从检测结果来看也可达到200 um左右。

图17. 激光激励-光声接收芯片质量检测系统 及 示意图

图18. 被检测芯片（红色框）左，水浸超声显微镜检测结果a中，激光-光声检测结果b右

总结：

芯片封装质量的无损检测技术虽然很多，但目前能实现全场扫描且能够实现多层键合质量检测的技术手段并不多见。激光超声作为一种非接触免耦合的无损检测技术在芯片检测行业具有较大的潜力。虽然本文表明了激光超声共振时域幅值分析法可以实现快速，无损，免耦合的检测芯片多层键合质量。但其检测扫描方式局限于有限局部场的瞬态平面外位移。无法对缺陷确切的定位和大小当量进行准确的评估。激光超声显微镜虽然能实现更为精准的检测，但尚有大量技术难题需要攻克。

参考文献：

Assessment of 2nd level interconnect quality in flip chip ball grid array (FCBGA) package using laser ultrasonic inspection technique

Detection of solder bump defects on a flip chip using vibration analysis, DOI 10.1007/s11465-012-0314-7

Enhanced non-contact ultrasonic testing using an air-coupled optical microphone

Air-Coupled and Resonant Pulse-Echo Ultrasonic Technique