超声波在集成电路中的分析应用

精品文档 1欢迎下载 超声波在集成电路中的分析应用超声波在集成电路中的分析应用 姓 名 贺国成 工 卡 号 SN0292 部 门 研发部 指导工程师 宋关强 精品文档 1欢迎下载 目录目录 摘要摘要 1 关键词关键词 1 1 1 超声波工作原理超声波工作原理 1 2 2 脉冲反射和穿透扫描模式特点比较脉冲反射和穿透扫描模式特点比较 1 2 1 检测灵敏度 1 2 2 缺陷精确定位 1 2 3 操作方便性 2 2 4 采用纵波垂直入射检查时 2 2 5 声波由发射到接收 2 3 3 超声波在集成电路中的失效分析超声波在集成电路中的失效分析 2 3 1 PCB 分层检测 2 3 2 PCBA 烧接均匀性检测 4 3 3 封装断裂分层检测 5 4 04 0 结论结论 7 参考文献参考文献 7 精品文档 1欢迎下载 摘要 摘要 本文主要介绍超声波扫描声学显微镜的工作原理 并针对脉冲反射和穿透扫 描模式探讨超声波在 PCB 分层检测 PCBA 烧接均匀性 封装分层检测和封装芯片断 裂中的应用 展现超声波声学显微镜无损检测在集成电路中的应用 关键词 关键词 无损检测 脉冲反射扫描 穿透扫描 分层 均匀性 断裂 1 1 超声波的工作原理 超声波的工作原理 超声波的本质是将材料层间的反射通量变化 成像为缺陷特征 由超声波探头 发射出一定频率的超声波 经过水 树脂 Si 金属等良好传播媒介 当通过两种 不同介质时 在结合界面处 超声波部分穿透界面继续传播 并有不同反射率的反 射波 反射率R是关键参数之一 定义其为物体表面的反射辐射通量r与入射辐射 通量i之比 2 且有 1 1 2 2 2 式中 Z为声波在材料中的声阻 满足Z 材料密度 传播速率 且Z1为先通过 的材料声阻 Z2为后通过的材料声阻 Z1 Z2时R为正 与入射脉冲同相位 Z1 Z2时 R为负 与入射脉冲反相位 3 通过对入射和反射两种声波的接收 可以得到两种扫描模式 即脉冲反射和穿 透扫描 因为接收方式不同 又存在各自的特点 2 2 脉冲反射和穿透扫描模式特点比较 脉冲反射和穿透扫描模式特点比较 2 12 1 检测灵敏度检测灵敏度 脉冲反射法根椐缺陷脉冲的出现 判断缺陷存在 只要小缺陷信号能够引起明 显高于噪声的回波 就可以通过提高增益 很容易观察并记录 而穿透法显示缺陷 利用的是缺陷的处底波的降低量 当缺陷尺寸相对于探头声束直径较小时 引起声 波变化的分贝数是很小的 由于衍射的原因 小缺陷不能引起穿透波的变化 但对 非均匀性线路板穿透扫描效果较好 1 2 22 2 缺陷精确定位缺陷精确定位 脉冲反射法利用传播时间与距离的线性关系 通过扫描的时间基线的精确定标 精品文档 2欢迎下载 或根据已知声速 由脉冲波在时间基线上的位置可进行缺陷的精确定位 操作方便 穿透法只能判断该区域是否出现缺陷 不能得到缺陷深度信息 1 2 32 3 操作方便性操作方便性 脉冲反射法只需单面近试件进行扫描 可采用手动检测 自动扫描也简单 穿 透法需将一收一发的探头准确对中 同样尺寸大小也有限定 相对于脉冲反射扫描 尺寸较小 1 2 42 4 采用纵波垂直入射检查时采用纵波垂直入射检查时 脉冲反射法 存在一定的盲区 对位于表面和近表面的 平行于表面的缺陷的 检出能力低 对薄试件的检测难以实现 而穿透扫描却这方面的强项 1 2 52 5 声波由发射到接收声波由发射到接收 脉冲反射法要通过双倍的声程 相当于材料对声能有两倍的衰减 对于高衰减 的材料的检测是不利的 而穿透法一次穿透的声能衰减 相对脉冲反射法声能损耗 较少 1 3 3 超声波在集成电路中的失效分析 超声波在集成电路中的失效分析 3 13 1 PCBPCB 分层检测分层检测 在 PCB 生产检测或新工艺研究都需对 PCB 可靠性进行检测 而超声波是在检验 产品是否通过可靠性检测的必要手段 PCB 经过可靠性测试后 线路板内部出现分 层起泡 这些分层起泡在线路板里的位置及大小情况 肉眼是无法识别的 以下示 例为使用脉冲反射对局部金属基板进行扫描 得到非正常板与正常板的分层起泡扫 描图片 精品文档 3欢迎下载 a 脉冲反射扫描铜基分层图片 b 脉冲反射扫描正常铜基图片 c 穿透扫描分层图片 d 穿透扫描正常图片 图 1 PCB 超声波扫描图片 通过超声波脉冲反射无损检测可以看金属基与 PCB 结合处树脂的分层情况 图 a 中的白色区域是分层区域 灰白色是结合较好的地方 图 b 是正常无分层的 PCB 图 c 是穿透扫描分层的 PCB 图片中的黑色区域是分层处 相对于正常 PCB 板图 d 我们不难发现分层的位置非常明显 且区域较大 通过两种不同的扫描方式 得到 两种不同的图片效果 在这里脉冲反射适合金属基板件板件扫描 其原因是金属基 本身是一块均匀平整的铜板 声波在金属基均匀物质中传输反射信号时 损耗是一 样的 所以在分层处才会显示声波反射信号异常 在分层处声波全部反射 反映在 图片中为白的区域 PCB 板分层选用穿透扫描 是因为 PCB 板本身是一个混合材料 精品文档 4欢迎下载 板 含有油墨 玻纤 树脂 铜 用脉冲反射扫描时 定位深度后 得到的反射信 号比较杂乱 无法准确判断 而穿透扫描的好处是因为声波在 PCB 板内传输时 遇 到分层声波完全反射 没有入射声波 在下方探头接收信号为 0 显示图片为黑色 与其它区域的反射 损耗 散射影响得到的灰色区域 是有明显区别的 通过不同 的扫描模式可以判断出不同参数材料好坏 对 PCB 板可靠性改进提供可靠的分析图 片 同时根据分层的面积大小与分层位置 为生产工艺改善提供方向 3 23 2 PCBAPCBA 烧接均匀性检测烧接均匀性检测 面对 PCBA 产品不断更新 也给产品检测提出了新的要求 PCB 板与金属基烧接 解决散热不良的工艺也越来越多 但在生产中难免会遇到许多难题 比如烧接层不 均匀 PCB 板内壤金属基与散热金属基处烧接不良等检测 这些不是 X Ray 可以检 测到的 金属基本身价格较贵 不能作破坏性检测 就得先用超声波无损检测 a 脉冲反射扫描不均匀图片 b 脉冲反射扫描正常图片 图 2 超声波脉冲反射扫描 PCBA 锡膏烧接图片 图片中 PCBA 板属于大功率散热板 在烧接过程中由于回流参数 板厚等原因导 致烧接不均情况 图 a 中的白色区域较大地方就是由于炉温升温过快 导致助焊剂 迅速挥发 出现锡被驱走的情况 如果此 PCB 上带有壤埋铜块 那么铜块表面的发 热器件的散热一定达不到要求 利用超声波脉冲反射扫描 能够快速检测出 PCBA 板 的烧接情况 加强质量控制 同时可以验证不同的回流参数对不同板的烧接情况 得出一个良好的回流参数 为生产提供指导 精品文档 5欢迎下载 3 33 3 封装断裂分层检测封装断裂分层检测 封装形式和工艺种类繁多 其中将电容电阻等器件与芯片封在一起的复杂的封 装模式称为 SIP 封装 检测方式也多种多样 超声脉冲反射扫描是最常用的无损检 测方式之一 在失效分析中能快速度准确的定位失效点 超声波检测不仅能够分析 载板与 Solder Mask Solder Mask 与 molding 胶之间的分层 还能分层出芯片断裂 和芯片分层等情况 如下图所示 a 超声波扫描基板与 molding 分层图片 b 切片分析分层截面图片 c 超声波扫描芯片断裂图片 d 切片分层芯片断裂截面图片 精品文档 6欢迎下载 e 超声波扫描芯片分层图片 f 切片分析芯片分层截面图片 图 3 超声波扫描封装产品失效图片及对应切片图片 通过上述产品失效分析图片 不难看到三种常见的失效模式 molding 胶与基 板油墨分层 芯片断裂 芯片硅层分层 这种三种情况在超声波脉冲反射扫描模式 能够清晰的看到失效点的位置 准确的做相关分析 查找失效的原因 图 a 中不规则的白色区域为分层区域 并通过切片 图 b 验证了分层出现在 油墨和 Molding 料相接的地方 通过检验等手段最终确定为做 SMT 时有助焊剂残留 在 Molding 时残留焊剂在基板表面形成隔离 同时在后续可靠性测试时 经历回流 焊导致残留在基板表面及焊脚锡球里面的助焊剂二次熔解挥发 封装内部压力增大 导致封装产品分层 在超声波图片表现白色区域 原因为当声波遇到分层气泡时 在这时间段声波信号全部反射 能量表现在图片为白区域 而图 a 一些特别黑的区 域是因为电容电阻声阻太大 声波在到达基板与 molding 胶接合处位置时要经过电 容电阻 反射的时候也要经过电容电阻 这样能量减弱 在图片上显示为黑色区域 图 c 为芯片断裂 图片中一条灰色裂痕是断裂地方 大小位置清晰可见 通过 切片图 d 可以看到裂痕的深度 对图 c 进行解析 图上的黑点为 Molding 胶层中 的小气泡 因为芯片的大小为 3 3mm 在超波声显微镜下 材料均匀的条件下 微 小的气泡缝隙都能显示出来 通过对时间轴上的声波信号选取 选取在芯片与银胶 层的反射信号 而先前通过气泡时声波 因反射而无法到达芯片与银胶层位置 即 精品文档 7欢迎下载 声波未到达指定获取信号的时间轴位置 无信号能量形成黑色的区域 而断痕也一 样 也表现为黑色 只是裂痕不规则及深度对声波的损耗影响 表现为灰色裂痕 当用超声波准确分析到失效点 对失效点进行研究分析 最终发现为芯片下方的导 电孔排布不均 孔内油墨塞孔有气泡等原因 使得芯片在高温下受到两边的导电孔 内的气泡油墨推顶而断裂 再通过对基板图形分析 偏移芯片的位置 最终解决芯 片断裂问题 也为我们后继加工产品提供了丰富的经验 图 e 为芯片分层 在图 f 中看到与图 d 不一样 扫描芯片分层 需要对时间轴 不同点取图 图 e 只是其中的一幅图 图 e 的反射信号层定位在硅片上 因分层的 深度不一 即有白色和黑色 白色为芯片硅层分层反射区域 黑色为声波透过分层 区域 通过选取不同的时间点获取反射信号 即得到不同的深度图片 就可准备判 断分层的深度位置 这样可以排除扫描银胶层时图片全是灰黑色效果 无法判定分 层的位置情况 这种芯片分层属于典型的材料膨胀系数不符 导致芯片受到的应力 过大而分层例子 4 4 结论结论 通过以上超声波无损检测案例分析 集合超声波的两种扫描方式原理特点 充 分发挥超声波无损检测技术在我司几大类产品中的应用 增强公司的生产检测能力 在技术日新月异材料与工艺的不断更新的今天 让大家更多的了解超声波分析原理 和产品失效模式 积极发挥超声波无损检测声学显微镜的能力 研究并分析产品的 可靠性 解决产品失效的难题 以实现公司能力的提升和技术的进步 为公司带来 新的飞跃 参考文献 参考文献 1 史亦伟 超声检测 M 北京 机械工业出版社 2005 2 SEMMENS J KESSLER L Higher resolution acoustic images using frequency domain imaging C proceedings of the 10th I