技术分享 | 芯片粘接空洞的超声检测

        随着电子封装技术向小型化发展，芯片散热问题逐渐成为阻碍其具有高可靠性的瓶颈，特别是功率器件，芯片粘接空洞是造成器件散热不良而失效的主要原因。因此，在对元器件的筛选检测工作中，往往需要通过超声检测手段，检测并评价芯片粘接质量，一旦粘接空洞达到相关标准的规定，均会被判为不合格并剔除，以保障其使用可靠性。要开展好芯片粘接质量的超声检测工作，正确分析辨认粘接空洞，需要掌握器件内部封装结构、超声检测原理、超声检测信号处理和分析等知识，本文逐一进行介绍并展示具体案例。

芯片粘接结构

        目前芯片粘接主要有两种结构，一种是芯片直接粘接在热沉上；另一种是芯片粘接在陶瓷基板上，陶瓷基板再粘接在热沉上。两种粘接结构示意图如图1所示。粘接层材料根据其热导率、电导率、机械强度等要求选择环氧树脂类或共晶焊料等。器件封装类型根据装机尺寸和可靠性等要求选择塑料封装或气密封装。

图1 芯片粘接结构示意图

超声检测原理

        超声波是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。当超声波与被测物及其中的缺陷相互作用时，反射、透射和散射特性使其传播方向和特征被改变；接收反射回波，并对其处理和分析，就可得到一张被测物的声学图像；通过分析接收的超声波特征和声学图像，即可检测出被测物及其内部是否存在缺陷及缺陷的特征。超声波在无限大的介质中传播时，将一直向前传播，并不改变方向；但如果遇到异质界面时，由于界面两侧介质材料声阻抗的差异，会产生反射和透射，一部分超声波在界面上被反射回第一种介质（入射材料），另一部分透过界面进入到第二种介质（反射材料）中。其反射和透射的声强按一定比例分配， 由声压反射率和声压透射率来表示，如公式（1）和（2）所示。

图2 公式（1）和公式（2）

        式中：R为声压反射率；T为声压透射率；Z1为入射材料的声阻抗值；Z2为反射材料的声阻抗值。

超声检测信号分析与处理

        超声反射回波信号分析：对于塑封器件，由于塑封料、芯片以及异质界面对超声波有反射与吸收作用，传播到芯片粘接层的超声波强度较弱，因此，需要将塑封器件倒置，从器件背面的热沉入射超声波，从而获取信号较强的芯片粘接层处超声反射回波信号；对于密封空腔器件，由于腔体内保护气体对超声波有全反射的原因，也需要将密封器件倒置，从器件背面的热沉入射超声波，从而获取芯片粘接层处的超声反射回波信号。

        超声反射回波信号处理：由于超声反射回波信号的相位及幅度特性是基于异质界面两侧的材料声阻抗差异。假设入射超声波为正弦波，超声波从热沉或陶瓷基板向粘接层传播过程中，在界面处超声波存在反射和透射两种传播特性，由于热沉或陶瓷基板的声阻抗大于粘接层声阻抗，声压反射率为负值，因此，在热沉或陶瓷基板与粘接层的界面处超声反射回波与入射波相位翻转，表现为余弦波，且幅度小于100%。若芯片粘接层有空洞，不管是内聚空洞还是粘接空洞，超声波的传播路径均是从高阻抗材料到低阻抗材料，声压反射率约为-100%，因此，粘接空洞界面处超声回波相位翻转表现为余弦波，且幅度约为100%。基于此，根据热沉或陶瓷基板与芯片粘接层界面处反射回波信号幅度大小可以区分是否为粘接空洞。对共晶粘接而言，粘接界面处不同材料相互渗透，无严格意义上的异质界面，且材料声阻抗差异较小，因此，粘接层的超声回波信号较弱。但是，粘接空洞界面处超声回波信号与入射波相位翻转，表现为余弦波，且幅度约为100%，依然可以作为区分是否为粘接空洞的依据。

典型案例1：WLCSP封装芯片SAT分析

        在HAST试验后对WLCSP封装芯片样品进行SAT检查。如下图3所示，观察到Si芯片上层与塑封料粘接区域、芯片与基板粘接区域无异常，砷化镓芯片反射图像无异常，而T-Scan观察到芯片存在分层，因此能初步预计芯片在经过HAST试验后与基板粘接区域发生分层。

图3 SAT检测设备

图4 芯片DIE（左）、PADDLE（中）、T-Scan（右）形貌图

典型案例2：FCBGA倒装芯片SAT分析

        对于FCBGA倒装芯片，SAT也能对内部结构形貌进行比较详细的分析，包括LID和TIM胶、TIM胶和芯片的粘接情况，以及TIM胶覆盖率、散热情况、占比等。如下图4、5所示，在芯片Reflow试验后进行SAT检查，芯片各粘接区域未见分层、裂纹或空洞，芯片经试验后并无异常。

图5 芯片LID-TIM(左)、TIM-DIE（中）、T-Scan（右）形貌图

图6 芯片Q-BAM

        总之，SAT在在半导体检测领域中的应用很多，能够及时发现缺陷，为后续试验以及生产工艺改进提供帮助。

广电计量半导体服务优势

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工业和信息化部“面向制造业的传感器等关键元器件创新成果产业化公共服务平台。

国家发展和改革委员会“导航产品板级组件质量检测公共服务平台”。

广东省工业和信息化厅“汽车芯片检测公共服务平台”。

江苏省发展和改革委员会“第三代半导体器件性能测试与材料分析工程研究中心。

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