倒裝焊缺陷高頻超聲診斷方法研究.pdf

1、隨著微電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，倒裝焊封裝技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)具有高自對(duì)準(zhǔn)度、短互連等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提高芯片封裝密度。隨著倒裝焊技術(shù)向高單位密度、超細(xì)間距方向發(fā)展，芯片功率密度極大增加，散熱更為困難，尺度效應(yīng)愈加顯著，同時(shí)Low-K及無(wú)鉛材料的應(yīng)用，芯片熱應(yīng)力失配問(wèn)題更為顯著，應(yīng)力集中更加明顯，致使芯片焊球缺陷產(chǎn)生。由于焊球倒置于芯片與基底之間，因此焊球缺陷的診斷更加困難。本學(xué)位論文利用高頻超聲檢測(cè)技術(shù)，對(duì)倒裝鍵合芯片缺球、裂紋

2、等典型缺陷以及自制的高密度Cu凸點(diǎn)倒裝鍵合樣片缺陷的診斷技術(shù)進(jìn)行了研究。具體內(nèi)容如下：
　?。?）研究了高頻超聲波傳播機(jī)理，建立了倒裝焊芯片超聲檢測(cè)有限元仿真模型，通過(guò)聲場(chǎng)-固體力學(xué)場(chǎng)耦合，分析了不同頻率對(duì)高頻超聲波在倒裝焊芯片中傳播的影響，提取高頻超聲回波信號(hào)，通過(guò)計(jì)算超聲回波信號(hào)不同峰值之間的時(shí)間差，得出不同界面與超聲回波信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了不同頻率下超聲波對(duì)倒裝焊芯片界面的分辨能力；進(jìn)一步建立了包括缺球、空洞和裂紋三種典型

3、缺陷的芯片有限元模型，仿真分析了垂直入射高頻超聲波在缺陷界面的傳播規(guī)律，揭示了缺球、空洞和裂紋缺陷對(duì)超聲波傳播的影響，為后續(xù)開(kāi)展倒裝焊芯片缺陷高頻超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究提供了依據(jù)。
　?。?）針對(duì)典型的FA10倒裝焊芯片缺球缺陷，利用超聲掃描顯微鏡獲取芯片超聲圖像，基于相關(guān)系數(shù)法對(duì)芯片超聲圖像進(jìn)行圖像分割；以分割的焊球圖像為目標(biāo)，通過(guò)邊緣檢測(cè)、內(nèi)部填充和特征提取，提取出焊球圖像的幾何特征和形狀因子特征，分析了缺球缺陷與不同焊球圖像特征的

4、對(duì)應(yīng)關(guān)系；建立了基于BP網(wǎng)絡(luò)的FA10芯片缺球缺陷分類(lèi)識(shí)別模型，分析得到了最優(yōu)隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；利用圖像特征值構(gòu)成的特征向量對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并對(duì)測(cè)試集進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，揭示了邊緣效應(yīng)對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)識(shí)別模型識(shí)別準(zhǔn)確率的影響。針對(duì)2個(gè)邊緣效應(yīng)影響較大的FA10芯片，建立了基于SVM的FA10芯片缺球缺陷分類(lèi)識(shí)別模型，提取FA10芯片高頻超聲回波信號(hào)中芯片-焊球界面和焊球-基底界面的信號(hào)幅值特征，結(jié)合焊球圖像特征構(gòu)建特征向量，對(duì)SVM模型進(jìn)行訓(xùn)

5、練；利用訓(xùn)練好的SVM模型對(duì)2個(gè)芯片缺陷進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，634個(gè)焊球中有18個(gè)識(shí)別錯(cuò)誤，同時(shí)僅有7個(gè)位于邊緣，結(jié)果表明，該方法進(jìn)一步弱化了邊緣效應(yīng)，并獲得較高的分類(lèi)識(shí)別準(zhǔn)確率。
　?。?）針對(duì)Pac2.1倒裝焊芯片中檢測(cè)難度較大的裂紋缺陷，獲取了芯片高頻超聲回波信號(hào)；通過(guò)信號(hào)處理提取高頻超聲回波信號(hào)時(shí)域、頻域和小波包分解特征，并構(gòu)成高維原始信號(hào)特征向量；利用PCA算法對(duì)高維特征向量進(jìn)行特征降維，通過(guò)設(shè)置閾值，獲得相應(yīng)的主元個(gè)數(shù)，構(gòu)建

6、新的特征向量；建立了基于SVM的Pac2.1芯片裂紋缺陷分類(lèi)識(shí)別模型，利用交叉驗(yàn)證法獲取分類(lèi)模型最優(yōu)參數(shù)c和g，結(jié)合主元構(gòu)成的特征向量，對(duì)SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練；利用訓(xùn)練好的SVM模型對(duì)4個(gè)芯片缺陷進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，完好焊球識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100％，裂紋焊球也達(dá)到98.4%，僅有2個(gè)裂紋缺陷識(shí)別錯(cuò)誤，結(jié)果表明，該裂紋缺陷診斷模型具有較高的分類(lèi)識(shí)別準(zhǔn)確率。
　?。?）制備出高密度 Cu凸點(diǎn)倒裝鍵合樣片，利用正交投影法對(duì)樣片進(jìn)行焊球圖像分割，并

7、構(gòu)建出分割模板；建立了基于BP網(wǎng)絡(luò)的高密度Cu凸點(diǎn)倒裝鍵合樣片缺陷分類(lèi)識(shí)別模型，利用圖像特征值構(gòu)成的特征向量對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并對(duì)測(cè)試集進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，4個(gè)樣片僅有7個(gè)焊球缺陷識(shí)別錯(cuò)誤，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)98.55%；利用X-ray檢測(cè)方法對(duì)分類(lèi)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該分類(lèi)模型具有較高的分類(lèi)識(shí)別準(zhǔn)確率。
　　本文利用高頻超聲檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了倒裝焊芯片缺陷的無(wú)損檢測(cè)，后續(xù)將著重研究倒裝焊缺陷的形成機(jī)理，進(jìn)一步建立多種缺陷融合的分類(lèi)識(shí)