三維X射線檢測技術在倒裝焊器件中的應用

王爽

（中國電子技術標準化研究院，北京，100176）

0 引言

本文選取塑封倒裝焊樣品分別進行二維和三維X射線無損檢測試驗，對比試驗結果，分析這兩種檢測手段的優缺點。三維X射線檢測技術在倒裝焊器件的缺陷檢測中可以很好的滿足復雜封裝的檢測需求，并可有效彌補二維X射線檢測手段的不足，拓展了電子元器件非破壞性檢測手段。

1 倒裝焊器件基本結構分析

圖1 倒裝焊封裝典型結構示意圖

倒裝焊封裝的典型結構如圖1所示。與傳統的引線鍵合工藝不同，倒裝焊封裝采用芯片和基底直接互連的封裝技術。首先在整個芯片表面按柵陣形狀用電鍍、化學鍍等方法生長I/O凸點，凸點材料一般為鉛錫、金或鎳等，然后將芯片拾取并翻轉，以倒扣方式安裝到基底上，通過柵陣凸點與基底上相應電極焊盤實現直接機械和電氣互連，凸點與基底的互連技術主要有熱壓/熱聲連接法、機械接觸互連法和可控塌陷芯片連接法等。在凸點間會填充環氧樹脂底充膠以增強界面粘接強度。倒裝焊器件按基板材料可分為陶瓷封裝和塑料封裝。

2 倒裝焊器件常見缺陷及檢測標準

目前，有關電子元器件X射線檢測的國軍標有：GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法2012、GJB128A-97《半導體分立器件試驗方法》方法2076、GJB360B-2009《電子及電氣元件試驗方法》方法209及GJB4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》。其中GJB548B和GJB128A分別針對了集成電路和半導體分立器件給出了檢測方法和具體判據。GJB360B中僅給出了試驗方法，沒有針對具體元件類型給出檢測內容，GJB4027A針對GJB360B進行了補充，對電阻器、電連接器、電感器等元件給出了檢測判據。

然而目前還沒有形成倒裝焊器件的缺陷檢測方法和判據。倒裝焊凸點、BGA焊球的質量對器件的可靠性影響很大。IPC-7905C《BGA設計與組裝工藝的實施》中討論了BGA焊球中空洞CT切片的評價參考標準，分別針對不同的焊球節距和空洞位置提出了相應的評價標準，如表1所示。倒裝焊凸點中的空洞目前還沒有統一的評判要求，業界目前的評判標準為：空洞面積在15%~30%可以接受。

表1 BGA焊球空洞CT切片的評價參考

倒裝焊凸點和BGA焊球中的裂紋會造成應力集中，影響器件的機械性能。此外，缺球、虛焊、焊球/凸點橋連等缺陷將直接影響器件的電性能，造成器件短路、開路等故障，在X射線檢測中均應拒收。

3 倒裝焊器件的二維與三維X射線檢測結果對比

圖2 倒裝焊器件二維X射線形貌

首先對塑封倒裝焊器件進行二維X射線檢測，分別對BGA焊球區域和倒裝焊凸點區域進行檢查，如圖2所示。可見二維X射線下，該塑封倒裝焊器件可檢查的缺陷較少，僅可檢查BGA焊球和倒裝焊凸點是否有缺失和橋連。因為焊球密度較大，對于其中的空洞和裂紋并不能完全檢出，需要根據樣品情況進行參數調整和角度變換才能看到。圖3是對BGA焊球區進行局部放大，增大X射線電壓、電流并傾斜樣品后觀察到的空洞缺陷。對于倒裝焊凸點，未被BGA焊球遮擋的區域通過放大圖像可檢查凸點內部是否有空洞，被BGA焊球遮擋區域，由于襯度原因，凸點很難被檢查。

圖3 倒裝焊器件二維X射線形貌（局部放大）

對該器件進行三維X射線檢查，建立三維模型并對模型進行切片分析，可得塑封倒裝焊器件各層CT形貌如圖4所示。可見，BGA焊球和倒裝焊凸點各層CT形貌清晰，無阻擋，可以直接觀察各種缺陷，不受襯度影響，圖像對比度均勻。對該三維模型進行局部放大、切片可觀察到該器件的內部缺陷，如BGA焊球中的裂紋和空洞、倒裝焊凸點中的裂紋，未見倒裝焊凸點中的裂紋。通過對塑封倒裝焊器件檢測試驗結果的分析，三維X射線無損檢測系統與二維X射線實時檢測系統的優點、缺點及適用范圍對比如表2所示。

圖4 倒裝焊器件三維CT射線形貌

圖5 倒裝焊器件三維CT射線形貌（局部放大）

表2 三維X射線無損檢測系統與二維X射線實時檢測系統對比分析

缺點背景灰度水平不均勻放大倍數較高時圖像邊緣變形適用范圍背景噪聲影響對比度和亮度是自動調節二維X射線檢測能力的限制樣品三維重構樣品深度分析失效分析 快速化、簡單化檢驗

三維X射線檢測技術可以更好的檢測出倒裝焊器件的內部缺陷，并可對缺陷進行尺寸測量和位置標定，圖像質量較好，不會出現邊緣畸變，在實際的生產檢測中可以更有效的反應產品的具體情況和工藝水平，但建模時間較長，只能逐一進行試驗，無法批量檢測。二維X射線檢測技術可以快速實時的對樣品進行分析，并可依據樣品的具體情況調整參數。當需要批量檢測時可以選擇二維X射線檢測手段，并輔以三維X射線檢測手段進行深入分析。當進行破壞性物理分析、失效分析時，可采用三維X射線檢測技術，可以精確檢測出缺陷。

4 結論

二維X射線檢測技術速度較快，可實時調整參數，對于觀察倒裝焊器件中的明顯缺陷較方便；三維X射線檢測技術可以更深層的分析器件內部的封裝缺陷并可應用于失效分析，且完成一次建模后可獲得樣品完整的信息，便于問題溯源，是一種更有效的復雜封裝器件缺陷檢測手段。