曾 苗，廖廣蘭，張學(xué)坤，劉俊超，史鐵林

(華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074)

消費電子產(chǎn)品如手提電腦、移動電話等的迅速發(fā)展促使電子器件向小型化和高集成度方向發(fā)展，傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)已難以滿足要求。倒裝芯片(Flip Chip)技術(shù)以其良好的熱性能，小尺寸，更高的I/O密度，優(yōu)良的電性能，以及高可靠性和較好的可制造性，逐漸成為微電子封裝工業(yè)的主流技術(shù)［1-2］。FC封裝過程中由于封裝密度高、焊點間距小、芯片與基底熱膨脹系數(shù)失配，容易導(dǎo)致熱疲勞損傷，產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，從而給缺陷檢測帶來了很大的困難和挑戰(zhàn)［3-4］。FC封裝過程中常見的內(nèi)部缺陷有焊球脫開，短路，虛焊以及焊球缺失［5］，本文針對其中典型的焊球缺失檢測展開研究。

目前，倒裝芯片缺陷檢測主要分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式檢測容易對芯片表面造成損壞，而工業(yè)上主要采用非接觸式檢測，如掃描聲學(xué)顯微鏡(SAM)檢測和X射線檢測技術(shù)等。SAM［6-8］利用聲顯微成像原理可對焊點進行檢測，但是檢測過程中需要將芯片置于耦合介質(zhì)(通常采用去離子水)中以增強超聲波信號;X射線檢測技術(shù)［9-11］則利用不同材料對X射線透過率的不同來檢測焊點缺陷情況，但是X射線檢測成本較高，且X射線對人體危害性較大。

本文建立了空氣耦合超聲激勵系統(tǒng)，采用基于振動模態(tài)分析的方法用于FC的缺陷檢測，理論計算、仿真和實驗相互驗證了該檢測方法的有效性。

1 FC芯片振動模型及缺陷檢測原理

根據(jù)倒裝芯片特點，可以進行以下假設(shè)［12］:① 芯片(Die)材料各向同性，厚度相對于長度、寬度要小得多，可以把芯片作為薄板處理;② 凸點下金屬層(UBM)對FC芯片振動模態(tài)影響很小，可以忽略，認為焊球是直接和芯片焊接在一起;③ 將基板約束簡化為焊球底面固定不動;④ FC芯片振動變形很小，屬于線性彈性變形。基于上述假設(shè)，可以將芯片簡化為彈性薄板，焊球簡化為拉伸彈簧，整個FC芯片則簡化為由彈簧支撐的薄板振動系統(tǒng)，如圖1所示，其中圖1(b)為實際的FC芯片鼓狀焊球截面示意圖。

圖1 彈簧薄板振動模型及焊球示意圖Fig.1 Schematics of the plate and spring system and solder bump

根據(jù)振動力學(xué)理論［13-14］，振動系統(tǒng)可以用下式所示的振動方程來表示振動情況

式中:［M］為振動系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，［C］為振動系統(tǒng)阻尼矩陣，［K］為振動系統(tǒng)剛度矩陣，{q}、{}、{}分別為振動系統(tǒng)位移、速度、加速度向量，{F(t)}為振動系統(tǒng)作用力向量。

在上述假設(shè)中FC芯片振動在彈性變形范圍內(nèi)，且不考慮振動阻尼，則由彈簧支撐的薄板振動系統(tǒng)固有振動方程可以表示為

其中［K］為FC芯片剛度矩陣，是裸芯片與焊球剛度矩陣之和;［M］為FC芯片質(zhì)量矩陣，是裸芯片與焊球質(zhì)量矩陣之和。ω為FC芯片振動頻率，{λ}為瑞利-里茲多項式參變量構(gòu)成的列向量。

從振動方程中可以明顯看出，當(dāng)FC芯片存在缺陷如焊球缺失時，芯片的質(zhì)量和剛度都會發(fā)生變化，導(dǎo)致芯片的剛度矩陣［K］和質(zhì)量矩陣［M］發(fā)生變化，從而使得芯片的固有頻率產(chǎn)生變化，因此，測量芯片固有頻率的變化就可能檢測出面陣型芯片的焊球缺失情況。

2 FC芯片固有頻率分析

本研究中所使用的面陣型測試芯片為kulicke＆soffa公司生產(chǎn)的FA10［15］樣片，圖2(a)為參考面陣型樣片A1、A2(完整無缺陷)。為了便于對比，實驗設(shè)計中引入了缺球面陣型樣片如圖2(b)、2(c)，白色圓圈標(biāo)記缺球位置。A1、A2芯片焊球個數(shù)為18×18，其中右下角去掉1個、其余三個角落去掉2個焊球，總共有317個焊球，作為無缺陷參考芯片;B芯片有32個缺失焊球，成“X”分布;C芯片共有44個缺失焊球，除第一排缺2個焊球外，其余呈隔行缺球分布。

圖2 無缺陷參考FC芯片及缺球FC芯片F(xiàn)ig.2 Reference chips and chips with bump missing

FA10面陣型芯片相關(guān)尺寸為:裸芯片幾何尺寸5.08 ×5.08 ×0.635 mm、焊球半徑Rmax=67.5 μm、焊球高度hs=105 μm、焊球間距p=254 μm。FC芯片材料特性如表1所示。

表1 FC芯片材料特性Tab.1 Material properties of flip chip

表2 FC芯片固有頻率MATLAB計算值(頻率單位:kHz)Tab.2 Mode frequencies with bump missing defect from the analytical model

根據(jù)上述振動模型來計算倒裝芯片的固有頻率，利用MATLAB計算出無缺陷面陣型芯片A1、A2及缺球FC芯片B、C前6階固有頻率，如表2所示?？梢钥闯?，芯片的前6階固有頻率發(fā)生變化，相對于參考芯片，缺陷芯片B、C的固有頻率明顯下降。

3 基于模態(tài)分析的FC芯片焊球缺失檢測

3.1 FC芯片固有頻率的仿真分析

為驗證基于模態(tài)分析的FC芯片檢測方法的可行性，采用COMSOL有限元仿真軟件對FC芯片進行模態(tài)分析，如圖3所示為缺陷芯片B的有限元模型。建模過程中忽略了UBM，將焊球頂面直接連在芯片上，添加邊界條件時假定焊球底面全部固定，仿真過程中劃分網(wǎng)格時，由于焊球處應(yīng)力變化更迅速，因此在焊球、焊球與芯片接觸處網(wǎng)格密度要高。

圖3 缺陷芯片B的有限元模型Fig.3 Finite element model of the defective chip B

考慮實驗測量的是FC芯片離面振動的前6階固有頻率，因此仿真獲得無缺陷參考芯片及缺球芯片B和C離面振動的前6階固有頻率，如表3所示。通過表2、表3對比分析可以看出，A1、A2、B、C芯片的計算固有頻率與COMSOL仿真固有頻率非常吻合，差值一般在1%以下，可能是由于仿真自由度的不同、以及振動模型中將焊球簡化為彈簧引起的。根據(jù)振動模型簡化理論，當(dāng)有缺球出現(xiàn)時，芯片的剛度明顯降低，芯片質(zhì)量亦有所減少，從而導(dǎo)致固有頻率降低。Matlab計算和COMSOL仿真結(jié)果均表明缺球芯片B和C的固有頻率比無缺陷參考片的固有頻率要低。不同階固有頻率對FC芯片焊球缺失的敏感度不一樣。相對于無缺陷參考芯片，缺陷芯片B前4階固有頻率變化比較明顯，C芯片第1、2、5、6階固有頻率變化則較明顯。

表3 FC芯片固有頻率COMSOL仿真值(頻率單位:kHz)Tab.3 Mode frequencies with bump missing defect from the FE model

圖4為各芯片的仿真振型。其中第一、二、三列分別對應(yīng)為A1/A2、B、C芯片的前6階振型，紅色區(qū)域為Z向向上振幅最大區(qū)域，深藍區(qū)域為Z向向下振幅最大區(qū)域。結(jié)合表3固有頻率數(shù)據(jù)分析振型，可以發(fā)現(xiàn)實驗所用無缺陷參考芯片A1第1～4階振動主要集中在四個角落，可見1～4階固有頻率對面陣型芯片四個角缺球類的缺陷比較敏感，第5～6階振動主要集中在周邊，對周邊缺球類的缺陷比較敏感。實驗中缺陷芯片B在四個角有各有缺球，因此前4階固有頻率變化較大，相對于參考芯片頻率偏差可以達到18 kHz以上，而5、6階固有頻率則相對變化較小。C芯片左上角缺球，使其1～2階固有頻率降低比較明顯，相對于參考芯片A1頻率偏差甚至達30 kHz，其周邊第3排以及第2排存在缺球，使得第5、6階固有頻率變化也較大。本研究中采用的是面陣型FC芯片，從A1、B、C芯片振動情況也可以看出，振動變形主要集中四邊及角落，中間位置振動幅度較小，因此，對于芯片中間位置存在焊球缺失情況，需要結(jié)合頻率、振型等進一步的實驗研究。上述結(jié)論亦進一步驗證了振動模型的合理性及檢測原理、方法的可行性。

圖4 FC芯片振型示意圖，第一列為參考樣片A1(A2結(jié)果相同)、第二列為B芯片、第三列為C芯片的對應(yīng)各階振型Fig.4 Mode shapes of flip chips

3.2 FC芯片實驗測量分析

為了進一步對FC芯片缺陷進行有效檢測，搭建了基于空氣耦合超聲激勵的FC芯片缺陷檢測系統(tǒng)，如圖5所示。超聲激勵由電容超聲換能器CAP4提供，產(chǎn)生的超聲波經(jīng)空氣直接投射在芯片表面。檢測系統(tǒng)采用激光測振儀PSV-400測量芯片表面振動，其位移分辨率可達0.01 nm，振速分辨率 0.02 μm/s，頻率測量范圍在0-1 MHz，適合微振動測量。

圖5 FC芯片缺陷檢測系統(tǒng)Fig.5 Experimental setup of the solder bump missing defect detection system

實驗時，首先將芯片基板固定在氣浮臺上，然后利用超聲換能器驅(qū)動設(shè)備SIA-7驅(qū)動CAP4產(chǎn)生某一頻率下空氣耦合超聲波，將其以45°入射角投射在芯片表面，激起芯片微振動;同時，PSV-400掃描芯片表面各布點振動信號，測得芯片振動頻率及其對應(yīng)的振速大小。在一次掃描測量中，改變CAP4超聲波激振頻率，在不同的激振頻率下芯片振動速度不同;當(dāng)激振頻率等于固有頻率時，芯片的振速達到最大。

基于測試芯片的各階仿真與計算固有頻率值，在該頻率值附近對芯片進行頻率掃描激振，測得其對應(yīng)的振速大小，然后提取出最大振速對應(yīng)的振動頻率，就可以得到芯片固有頻率。表4為無缺陷參考樣片A1、A2及缺陷樣片B、C的各階模態(tài)頻率測量結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，實驗測量的FC芯片的固有頻率與仿真值和計算值較接近，趨勢一致。仿真和計算中忽略了芯片振動阻尼、UBM，而實際測量時考慮到環(huán)境影響、測量誤差等因素，使得仿真和計算數(shù)值比實驗測量值略大。這驗證了仿真和計算分析的合理性，也說明了仿真和計算對實驗具有較好的指導(dǎo)性。上述結(jié)果中，無缺陷參考片A1和A2的實驗測量固有頻率值基本一致，差值在±2 kHz內(nèi)，這可能是由于測量誤差以及環(huán)境因素的影響而導(dǎo)致。存在焊球缺失的缺陷芯片B、C前幾階固有頻率比無缺陷參考芯片的固有頻率明顯要低，差值最大可達到34 kHz。這說明固有頻率的變化能夠有效地檢測焊球缺失缺陷。

表4 實驗測量固有頻率值(頻率單位:kHz)Tab.4 Mode frequencies with missing bump defect from the experimental model

圖6為缺陷芯片相對于參考芯片固有頻率變化圖。

圖6 缺陷芯片相對參考芯片固有頻率變化圖Fig.6 Mode shift between chips with bump missing defect and reference chip

可以看出，有焊球缺失的芯片B、C與完好參考芯片相比較，固有頻率明顯降低，這說明固有頻率的降低可用于面陣型芯片的焊球缺失檢測。缺陷芯片B前3階固有頻率降低比較多，缺陷芯片C前2階以及5、6階固有頻率降低比較多，這說明前兩階固有頻率對缺球這種缺陷是比較敏感的。此外，當(dāng)缺球的數(shù)量不同、位置分布不同時，高階固有頻率的變化明顯不同，如類似于B缺陷芯片缺球時，第5階固有頻率降低不是很明顯，但當(dāng)出現(xiàn)C類型缺球情況時，第5階固有頻率變化卻很大。這也說明了當(dāng)缺球個數(shù)和位置不一樣時，各階固有頻率存在變化，但變化不盡相同，這可以用于進一步研究焊球缺失的位置和數(shù)量。

4 結(jié)論

本文以倒裝芯片為研究對象，推導(dǎo)出倒裝芯片的振動方程，闡述了芯片缺陷對振動的影響以及利用模態(tài)分析進行倒裝芯片缺陷檢測的原理。通過MATLAB理論計算出不同焊球缺失情況對倒裝芯片固有頻率的影響，進一步利用有限元分析軟件COMSOL對正常和焊球缺失芯片的固有頻率進行了仿真，分析了前六階的振型。同時，搭建了基于空氣耦合超聲激勵的FC芯片缺陷檢測實驗平臺，實驗測量了芯片的固有頻率變化。研究結(jié)論表明，針對實驗中所用面陣型FC芯片F(xiàn)A10，其理論模型計算、仿真振型分析和實驗測量結(jié)果非常吻合。當(dāng)芯片存在焊球缺失時，芯片的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣將發(fā)生變化，導(dǎo)致固有頻率降低:當(dāng)芯片四角存在焊球缺失缺陷時，其前3階固有頻率變化較大，固有頻率降低值在18 kHz以上，而第5、6階固有頻率變化較小;當(dāng)芯片邊角均有焊球缺失，則前2階固有頻率變化明顯，頻率降低30 kHz，并且5、6階固有頻率變化也比較大。因此，芯片缺陷導(dǎo)致各階固有頻率的變化不同，可用于缺陷芯片的檢測，結(jié)合各階振型分析，可進一步研究倒裝芯片焊球缺失的定位和定量檢測。

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