芯片粘接空洞的超声检测工艺研究
周庆波 王晓敏
（中国工程物理研究院计量测试中心）
摘要：
基于超声检测原理，提出一套针对芯片粘接空洞的超声检测工艺，并通过理论分析与试验结果进行检测工艺适用性的验证，为利用超声检测手段检测和评价芯片粘接质量提供保证。
引言
随着电子封装技术朝小型化方向的发展，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［１－４］。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，需要掌握超声检测原理、器件内部封装结构和粘接空洞的分析辨认方法，因此，文中对芯片粘接空洞的超声检测工艺进行分析研究。
１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［５］。
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。
２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。
３芯片粘接空洞的超声检测工艺
３．１超声反射回波信号
依据超声检测原理可知，对于被测物内部缺陷的判定主要是基于对超声反射回波信号的分析与处理，因此，对于芯片粘接空洞缺陷，其主要的超声检测工艺也是获取并分析超声反射回波信号。
获取超声反射回波信号：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。
分析超声反射回波信号：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，因此，为便于分析，对芯片粘接结构中各层材料进行简化处理（热沉材料为Ｃｕ、陶瓷基板材料为Ａｌ２Ｏ３、粘接层材料为环氧树脂、粘接空洞为空气、芯片材料为Ｓｉ），芯片粘接结构中各层材料声阻抗值见表１。
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％，如图２所示。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％，如图３所示。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。
３．２Ｃ模式扫描声学形貌图
（１）灰度等级
选取整个芯片粘接层作为检测对象，收集超声反射回波信号，分析后获取其Ｃ模式扫描声学形貌图。形貌图的灰度等级由反射回波信号强度决定：反射回波信号强则声学形貌图白，反射回波信号弱则声学形貌图灰，无反射回波信号则声学形貌图黑。因此，粘接空洞处由于超声波近似全反射，其声学形貌图与粘接良好处相比颜色更白，如图４所示。
（２）特定标志
由于空洞的边缘往往都是收拢的，空洞的上表层和下表层回合在一起，形成一个曲面，超声波在这一位置被散射消耗，无反射回波信号，因此，粘接空洞周围有一个黑色的轮廓线，可作为区分是否为粘接空洞的特定标志。
３．３Ｂ模式扫描声学形貌图
超声波在某个纵向剖面传播过程中由于存在异质界面会产生反射，又由于材料对超声波的散射和吸收原因，故随着传播距离的增加其能量逐渐减弱。因此，根据整个纵向深度范围内超声反射回波信号的幅度差异可以构建某个纵向剖面的声学形貌图，即Ｂ模式扫描声学形貌图。
按图５中横线所在位置对其纵向剖面进行Ｂ模式扫描，扫描结果见图６，可以看到在空洞处对应有短白线，且其下方全黑，其原因在于空洞界面处超声波全反射，反射回波信号强，空洞下方的材料无超声波传播，也就无反射回波信号，表现为全黑。
３．４仿真３Ｄ形貌图
根据超声反射回波信号的幅度以及接收时间差异，对被检测界面构建仿真３Ｄ形貌图。对图４所示的芯片粘接质量构建的仿真３Ｄ形貌图如图７所示，从图中可以看到粘接空洞与粘接良好处存在明显的立体差异。
基于上述分析，提出以分析超声回波信号和Ｃ模式扫描声学形貌图为主，通过Ｂ模式扫描声学形貌图和仿真３Ｄ形貌图进一步验证为辅的超声检测工艺，用于芯片粘接质量的超声检测，其检测工艺流程及原则见表２。
４检测工艺的应用
应用上述超声检测工艺，对图８所示结构的塑封器件进行粘接质量检测。图８所示器件内包含４块芯片，其两侧是大功率的场效应管，输出功率较大，４块芯片粘接在陶瓷基板上，再与热沉进行粘接。由于塑封料与芯片较厚，且４块芯片表面不在一个平面上，超声检测时器件背面朝上。需对两个粘接层（陶瓷基板与热沉的粘接层、芯片与陶瓷基板的粘接层）进行检测。
４．１陶瓷基板与热沉粘接层的超声检测
陶瓷基板与热沉粘接层的Ｃ模式扫描声学形貌图如图９所示，图中有轮廓线的白点为粘接空洞，空洞处超声回波信号见图１０，粘接良好处超声回波信号见图１１，可见，空洞处超声回波信号幅度远大于粘接良好处。
按图１２中横线所在位置对器件进行纵向剖面的Ｂ模式扫描，其声学形貌图见图１３。图１３中最上面的第一条白线是由热沉背面与去离子水界面处较强反射回波形成，第二条线是由粘接层与热沉界面处反射回波形成，３条短白线分别是３个不同位置的空洞对超声波全反射形成，且下方全黑，其他灰线下方有较暗的形貌。
图１４是陶瓷基板粘接层仿真３Ｄ形貌图，空洞处与粘接良好处相比，颜色白且有立体差异。
４．２芯片与陶瓷基板粘接层的超声检测
由于热沉与陶瓷基板界面对超声波信号有反射，且芯片粘接层处于器件纵向深度中间部位，故选取频率较低的长焦距探头进行检测，以保证超声波信号能到达被检测界面且形貌图分辨率较高。
图１５是芯片粘接层的Ｃ模式扫描声学形貌图，图中白点为芯片粘接空洞，空洞处超声回波信号见图１６，粘接良好处超声回波信号见图１７。
可见，空洞处超声回波信号幅度远大于无空洞处。图中散落的黑圆点是由于热沉与陶瓷基板的粘接层空洞对入射超声波全反射，导致无超声波信号向下传播到芯片与陶瓷基板粘接层，故无反射回波信号，在该检测层留下黑色“投影”。
按图１８中横线所在位置对器件进行纵向剖面的Ｂ模式扫描，其声学形貌图见图１９。图１９中最上面的第一条白线是由热沉背面与去离子水界面处较强反射回波形成，第二条线是由热沉与陶瓷基板粘接层界面处反射回波形成，第三条线是陶瓷基板与芯片粘接层界面处反射回波形成，最右侧芯片位置处空洞形成的短白线下方全黑，其他灰线下方有较暗的形貌。
图２０是芯片粘接层仿真３Ｄ形貌图，空洞处与粘接良好相比，颜色白且有立体差异。
５结束语
针对芯片粘接空洞，文中提出了一套以分析超声回波信号和Ｃ模式扫描声学形貌图为主，通过Ｂ模式扫描声学形貌图和仿真３Ｄ形貌图进一步验证为辅的超声检测工艺，并通过理论分析与试验结果验证其检测工艺的适用性，为利用超声检测手段检测和评价芯片粘接质量提供保证。
