超聲掃描檢測圖像處理方法研究

張繼靜，呂榮華，連軍莉

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京 100176)

在半導體產品中，裂紋、分層、氣孔、夾雜等缺陷在正常使用過程中會擴展或局部腐蝕，可能會進一步引起內部斷線，這些內部缺陷往往會產生可靠性問題導致電子產品的失效。超聲檢測技術是五大常規無損檢測方法（超聲檢測UT、射線檢測RT、磁粉檢測MT、滲透檢測PT 和渦流檢測ET）之一，由于其具備適用范圍廣、穿透能力強、缺陷定位準、可靠性高、靈敏度高、檢測效率高等優點，在半導體產品檢測中得到了越來越多的應用。超聲檢測用于對試件進行缺陷檢測、幾何特征定位、組織結構以及力學性能變化的檢測和表征，并進而對試件的使用特性進行評估。在控制產品質量、改進生產工藝、保證產品可靠性等方面都起著關鍵性作用[1]。

1 器件內部缺陷超聲檢測原理

1.1 超聲檢測原理

超聲波脈沖通過耦合介質（如去離子水、酒精等）到達樣品。由于超聲能量的傳遞要求介質是連續的，所以如氣孔、雜質、分層、裂紋等不連續界面都會干擾超聲信號傳播或導致超聲信號發生反射。當超聲波信號通過樣品時，由于不同材料聲阻抗的不同，在有缺陷或粘結不良的界面會出現反射波。超聲波換能器接收到的反射回波信號經過處理后，以波形的方式顯示在屏幕上。超聲檢測的基本原理如圖1 所示。

圖1 超聲檢測原理

1.2 超聲檢測方法

用于檢測器件內部結構的超聲檢測方法主要是反射法和透射法。

1.2.1 反射法

反射法使用一個換能器發射和接收超聲波信號，即將超聲脈沖入射到器件內部，超聲波在兩種不同的介質交界面上產生不同的脈沖回波，通過觀察來自內部缺陷或器件上下表面的反射波的情況來進行檢測。

為了適應不同的器件檢測需求，可選用的檢測方法分為A 波形顯示、B 掃描（對被測器件在豎直方向某個剖面進行觀察）、C 掃描（對被測器件在水平方向某一層進行掃描）、多層掃描、逐層掃描等[2]。

反射法具有靈敏度高、適用范圍廣、檢測方法多、缺陷定位精度高等優點。但當超聲波在兩種介質中傳播時，由于兩介質的阻抗特性不同，超聲波會發生反射和透射現象，還會因衍射、散射和吸收而發生衰減。盡管如此，反射法作為一種主要的超聲檢測方法，在各個行業中已得到廣泛應用。

1.2.2 透射法

透射法是將發射、接收換能器分別置于被測器件的上下兩側，使兩個換能器的聲軸線處于同一直線上，聚焦后進行檢測。超聲波發射信號進入被檢工件內部，若未遇到異常的反射面區域，聲波會穿透被檢器件，被接收探頭接收。如器件無缺陷，接收探頭接收聲波較多，接收信號較大，當缺陷較小時，部分聲能被反射，接收到的信號較弱；缺陷很大時，聲能被全部反射，接收探頭接收不到檢測信號，從而根據接收信號幅值變化判斷器件內部的缺陷。透射掃描方式如圖2 所示。

圖2 透射掃描方式

透射法幾乎不存在盲區，而且超聲波是單向傳播，衰減小。但其檢測靈敏度低，不能對缺陷的深度、類型等具體信息進行確定，檢測時需要專用換能器夾持裝置以對準兩個傳感器的聲軸線，操作不方便。

根據被測材料的類型和應用場合的需要，選擇不同類型、不同頻率、不同材質的超聲波探頭也會對檢測結果產生重要的影響[3]。

2 檢測圖像處理方法

目前，采用超聲檢測技術可對半導體器件中的分層、空洞、裂紋、夾雜物缺陷進行檢測，對缺陷能夠進行準確地定量評價。

超聲掃描的基本圖像處理功能包括：中值濾波、均值濾波、圖像增強、輪廓提取、邊界增強、浮雕顯示、反色處理、偽彩色處理、灰度波形統計、偽3D 顯示、量化分析等。隨著測試分析研究的深入，越來越多的圖像處理方法不斷涌現。

2.1 虛擬掃描

虛擬掃描模式又叫離線掃描模式，一次掃描后即可收集被測器件在X、Y 和Z 坐標方向全面的超聲掃描數據。掃描數據以矩陣形式存儲，便于器件被取走后，仍可以隨時對其內部結構進行各種模式的分析和成像處理。

對于安裝在高可靠性要求系統上的器件，使用虛擬掃描模式進行離線處理，能夠采集更多更全面的信息，便于對其進行進一步評估。

虛擬掃描的主要功能包括：C 掃描、B 掃描、逐層掃描、輪廓掃描、時域成像、頻域成像、3D 成像等。每種成像方式都能提供器件獨特的信息，多種信息整合起來即可形成一個器件的完整素材。一旦通過虛擬掃描的方式存儲了器件的內部信息，可以使用任何一臺安裝有相同掃描軟件和硬件結構的計算機對器件的內部結構進行分析。在不同的計算機上使用相同的掃描軟件，可以得出相同的結果。從原始的虛擬掃描數據中可以生成任何模式的掃描圖像，而且可以進行無限次的虛擬掃描。

可從保存的掃描數據調用得出的聚焦點波形及器件聚焦層掃描圖像，如圖3 所示。

圖3 虛擬掃描測試結果

2.2 時域成像法

時域成像法是一種以使用時間作為參照物的圖像，例如A 掃描、B 掃描、C 掃描等的成像，都是基于時間的圖像。

當虛擬掃描的數據已經被收集，可由存檔的數據創建時域的圖像，圖4 所示的圖像為單個PQFP 微電子器件（塑料方形扁平式封裝）的掃描圖像。為生成時域圖像，首先在虛擬掃描文件中打開A 掃描數據。由于A 掃描數據是對器件內部像素位置信息的數字存儲，可以調節數據門的位置以選擇聚焦深度來檢測器件內部結構，聚焦深度即時域信息。在A 掃描中選擇不同的數據門，以得到封裝上表面、頂層化合物、引線框架、芯片表面和芯片粘接層的圖像。

圖4 PQFP 器件掃描圖像

2.3 頻域成像

頻域成像法可以選擇某一頻率值或一個頻率范圍成像，這種方法可以提供傳統的脈沖回波法不容易檢測到的細節。虛擬掃描一個強大的功能是它可以創建頻域圖像。為了創建頻域成像數據，首先打開虛擬掃描得出的A 掃描數字化數據。A 掃描數據中包含的是頻域數據，這些數據與器件內部特征和缺陷的超聲波反射相關。因為一個頻率值往往與一個給定器件的內部厚度層相對應，所以頻域分析法可以得出器件內部獨特的信息。

圖5 為時域法展示的倒裝芯片凸點到底層填充層之間的粘接情況。圖6 則為通過頻域法檢測出的倒裝芯片內部的獨特信息。當使用頻域法分析數據時，可以看出通過選擇的頻率檢測器件可以得出額外的信息。使用時域法和頻域法對凸點質量、金屬鍍層和缺陷之間進行對比，即可明顯看出頻域法的強大功能。焊錫球內部的金屬鍍層之間的細微差別都能清晰地顯示出來。使用頻域法掃描模式，在高對比度情況下，對填充不足的缺陷都可以清晰展示。

圖5 時域法成像結果

圖6 頻域法成像結果

2.4 厚度測量[4]

根據超聲波頻率高，指向性好，在均勻介質中的聲速相同的特點對被測器件進行厚度測量。當超聲波換能器產生的超聲波脈沖透過耦合劑到達被測器件時，一部分超聲波信號穿透被測器件，另一部分超聲波信號被器件底面反射。超聲波探頭接收由被測層底面反射的回波，精確地計算超聲波的往返時間。按式(1)計算厚度值。

式(1)中：H 為器件厚度；v 為材料中聲速；t 為超聲波在被測器件中往返一次的傳播時間。

在超聲掃描的示波器顯示中添加3 個門:一個前表面門、厚度數據門1 和厚度數據門2。前表面門的作用是用來跟蹤前表面的波形；厚度數據門1的作用是用來獲取被測層的前表面的波形；厚度數據門2 的作用是用來獲取被測層后表面的波形。

當器件厚度均勻時，可以直接測量器件的厚度數據；當器件厚度不均勻時，可以把不同厚度的部分標志成不同的灰度，每一種灰度代表一種的厚度范圍，如圖7 所示。

圖7 某器件厚度分布圖

3 結 論

超聲掃描檢測得到的圖像再經過多種方法處理后，即可對器件內部缺陷進行準確采集和分析。隨著超聲檢測技術的發展和封裝形式的小型化、集成化，要檢測的缺陷越來越小，需要的檢測方式也會越來越多。目前的超聲掃描設備檢測對操作人員的經驗和波形的識別能力依賴性較強，隨著對測試分析研究的深入，更多的掃描方法、圖像處理方法和工具將不斷涌現，檢測方式也將向智能化和數據化發展。