技術分享 | 芯片粘接空洞的超聲檢測

隨著電子封裝技術向小型化發(fā)展，芯片散熱問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，在對元器件的篩選檢測工作中，往往需要通過超聲檢測手段，檢測并評價芯片粘接質量，一旦粘接空洞達到相關標準的規(guī)定，均會被判為不合格并剔除，以保障其使用可靠性。要開展好芯片粘接質量的超聲檢測工作，正確分析辨認粘接空洞，需要掌握器件內(nèi)部封裝結構、超聲檢測原理、超聲檢測信號處理和分析等知識，本文逐一進行介紹并展示具體案例。

芯片粘接結構

目前芯片粘接主要有兩種結構，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。兩種粘接結構示意圖如圖1所示。粘接層材料根據(jù)其熱導率、電導率、機械強度等要求選擇環(huán)氧樹脂類或共晶焊料等。器件封裝類型根據(jù)裝機尺寸和可靠性等要求選擇塑料封裝或氣密封裝。

圖1 芯片粘接結構示意圖

超聲檢測原理

超聲波是以波動形式在彈性介質中傳播的機械振動。當超聲波與被測物及其中的缺陷相互作用時，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，并對其處理和分析，就可得到一張被測物的聲學圖像；通過分析接收的超聲波特征和聲學圖像，即可檢測出被測物及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特征。超聲波在無限大的介質中傳播時，將一直向前傳播，并不改變方向；但如果遇到異質界面時，由于界面兩側介質材料聲阻抗的差異，會產(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（入射材料），另一部分透過界面進入到第二種介質（反射材料）中。其反射和透射的聲強按一定比例分配， 由聲壓反射率和聲壓透射率來表示，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。

超聲檢測信號分析與處理

超聲反射回波信號分析：對于塑封器件，由于塑封料、芯片以及異質界面對超聲波有反射與吸收作用，傳播到芯片粘接層的超聲波強度較弱，因此，需要將塑封器件倒置，從器件背面的熱沉入射超聲波，從而獲取信號較強的芯片粘接層處超聲反射回波信號；對于密封空腔器件，由于腔體內(nèi)保護氣體對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。

超聲反射回波信號處理：由于超聲反射回波信號的相位及幅度特性是基于異質界面兩側的材料聲阻抗差異。假設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，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表現(xiàn)為余弦波，且幅度約為100%?；诖耍鶕?jù)熱沉或陶瓷基板與芯片粘接層界面處反射回波信號幅度大小可以區(qū)分是否為粘接空洞。對共晶粘接而言，粘接界面處不同材料相互滲透，無嚴格意義上的異質界面，且材料聲阻抗差異較小，因此，粘接層的超聲回波信號較弱。但是，粘接空洞界面處超聲回波信號與入射波相位翻轉，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試驗后對WLCSP封裝芯片樣品進行SAT檢查。如下圖3所示，觀察到Si芯片上層與塑封料粘接區(qū)域、芯片與基板粘接區(qū)域無異常，砷化鎵芯片反射圖像無異常，而T-Scan觀察到芯片存在分層，因此能初步預計芯片在經(jīng)過HAST試驗后與基板粘接區(qū)域發(fā)生分層。

圖3 SAT檢測設備

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

對于FCBGA倒裝芯片，SAT也能對內(nèi)部結構形貌進行比較詳細的分析，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試驗后進行SAT檢查，芯片各粘接區(qū)域未見分層、裂紋或空洞，芯片經(jīng)試驗后并無異常。

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在在半導體檢測領域中的應用很多，能夠及時發(fā)現(xiàn)缺陷，為后續(xù)試驗以及生產(chǎn)工藝改進提供幫助。

廣電計量半導體服務優(yōu)勢

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

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

國家發(fā)展和改革委員會“導航產(chǎn)品板級組件質量檢測公共服務平臺”。

廣東省工業(yè)和信息化廳“汽車芯片檢測公共服務平臺”。

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

上海市科學技術委員會“大規(guī)模集成電路分析測試平臺”。

在集成電路及SiC領域是技術能力最全面、知名度最高的第三方檢測機構之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個型號的芯片驗證，并支持完成多款型號芯片的工程化和量產(chǎn)。

在車規(guī)領域擁有AEC-Q及AQG324全套服務能力，獲得了近50家車廠的認可，出具近400份AEC-Q及AQG324報告，助力100多款車規(guī)元器件量產(chǎn)。