專利名稱：一種芯片焊點缺陷在線檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子封裝缺陷檢測技術(shù)，具體涉及一種芯片焊點缺陷在線檢測方法及裝置，該方法及裝置適用于球柵陣列(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)和倒裝芯片(FC)等高密度 電子封裝工藝產(chǎn)品的焊點缺陷檢測。
背景技術(shù)：
集成電路(IC)產(chǎn)品微型化的發(fā)展趨勢，對芯片集成尺寸和封裝可靠性提出了更 高的要求。目前IC產(chǎn)業(yè)廣泛采用引線鍵合技術(shù)和倒裝芯片技術(shù)來解決多層芯片間的互聯(lián) 問題，以滿足電子產(chǎn)品的封裝要求。無論采用引線鍵合技術(shù)還是倒裝芯片技術(shù)，都需要在芯 片上形成多個焊點，進而利用焊點完成互聯(lián)。焊點缺陷(如焊點缺失、裂紋、虛焊等)會嚴(yán) 重影響封裝可靠性，甚至使電子產(chǎn)品失效。因此，芯片焊點的缺陷檢測是必不可缺的。通常，芯片焊點的缺陷檢測主要有接觸式和非接觸式兩種檢測方法。接觸式檢測 包括功能測試、電測試等，主要用來檢測芯片的短路和開路，但不能有效地區(qū)別和定位出焊 點缺陷。并且，接觸式檢測很容易對芯片表面造成損壞，檢測效率也不高。非接觸式檢測主要有光學(xué)視覺檢測、掃描聲顯微鏡(SAM)檢測、X射線檢測。光 學(xué)視覺檢測方法用光學(xué)顯微鏡來檢測芯片鍵合前的工藝缺陷，可以實時在線檢測外部暴露 焊點的缺陷。對于球柵陣列(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)和倒裝芯片(FC)等封裝工藝產(chǎn)品，焊點 缺陷隱藏于芯片內(nèi)部，不能直接通過光學(xué)顯微鏡觀測到，這就給焊點缺陷檢測帶來了困難。 尤其是對于倒裝芯片，隨著焊點密度不斷增加，其缺陷檢測難度也將更大，對檢測設(shè)備也要 求也更高。目前，主要通過SAM檢測和X射線檢測來實現(xiàn)內(nèi)部焊點的缺陷檢測。SAM檢測利用聲顯微成像原理來檢測樣品的內(nèi)部缺陷，即通過對樣品內(nèi)部反射超 聲波的分析來判斷其缺陷狀況。SAM檢測是一種非接觸、無破環(huán)、可靠且安全的檢測方法。 但是，其檢測時間較長，且需要耦合介質(zhì)(水)，而大部分芯片是不適宜放于耦合介質(zhì)(水) 中的。X射線檢測利用不同特性材料對X射線的吸收率不同，來對樣品進行檢測的。它也 是一種非接觸、無破環(huán)的檢測技術(shù)，還可以進行3D微結(jié)構(gòu)成像。不過，X射線檢測設(shè)備比較 昂貴，檢測時間長，效率低，需要操作者具有較強的經(jīng)驗，并且X射線對人體也是有害的。另外，紅外熱波無損檢測技術(shù)是一種主要應(yīng)用于航空材料內(nèi)部缺陷(如空洞、裂 紋等)檢測的有效技術(shù)。它利用外部熱源主動加熱樣品材料的表面，如通過閃光燈或接觸 式超聲激振來加熱樣品表面，進而使樣品表面產(chǎn)生熱波。當(dāng)表面熱波向樣品內(nèi)部傳播過程 中遇到缺陷時會引起表面溫差，通過紅外熱像儀檢測樣品表面的溫差以識別出內(nèi)部缺陷。 這種檢測技術(shù)有很強應(yīng)用性和可拓展性，可應(yīng)用于多種材料、結(jié)構(gòu)和檢測環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種芯片焊點缺陷在線檢測方法，它采用紅外非接觸方式加熱芯片或基底表面，同時施加超聲激勵，使芯片產(chǎn)生振動以改變?nèi)毕萏師嶙鑼傩裕ㄟ^紅外 熱像儀測量芯片或基底表面溫度，然后對熱圖像進行處理，并結(jié)合被測芯片的熱傳導(dǎo)模型 對其內(nèi)部焊點狀況進行分析和缺陷辨識。本發(fā)明還提供了實現(xiàn)該方法的檢測裝置(圖1)， 可對芯片焊點缺陷進行實時、有效地檢測，具有非接觸、無破壞的特點，適用于芯片缺陷的 在線檢測。采用的具體技術(shù)方案如下一種熱和超聲激勵的芯片焊點缺陷在線檢測方法，包括如下步驟(1)對芯片或基底采用近紅外非接觸方式加熱，同時對芯片或基底表面施加超聲 激勵，使芯片產(chǎn)生諧振；(2)測量所述芯片或基底的表面溫度場，獲取熱圖像；(3)對所述熱圖像進行分析處理，判斷熱圖像中有無異常區(qū)域即有無亮斑或暗斑， 確定芯片內(nèi)部焊點是否存在缺陷；(4)若存在異常區(qū)域，則分割所述熱圖像中的亮斑或暗斑，提取異常區(qū)域里各像素 點溫度值，并與參考溫度閾值進行比較，從而對缺陷進行確認(rèn)和定位；至此，即完成熱和超聲激勵的芯片焊點缺陷在線檢測過程。本發(fā)明所述的對熱圖像的分析處理為對比度增強處理。本發(fā)明所述的步驟(4)中，當(dāng)所述的像素點溫度值超出參考溫度閾值的80%至 120%范圍時，確認(rèn)該像素點為缺陷像素點。本發(fā)明還可通過對缺陷芯片噴涂顏料以進行標(biāo)記。一種實現(xiàn)上述權(quán)利要求1-4之一所述的芯片焊點缺陷在線檢測方法的裝置，包括 真空吸附式三維移動平臺(1)、紅外加熱模塊(3)、超聲激振模塊、熱圖像獲取及處理模塊 和系統(tǒng)控制模塊(6)，其中，所述三維移動平臺(1)用于定位被測芯片(2)，并實現(xiàn)其在XYZ 三個方向的平移，所述紅外加熱模塊(3)和超聲激振模塊分別用于對所述芯片(2)進行熱 激勵和超聲激勵，所述熱圖像獲取理模塊測量芯片(2)的表面溫度信息，獲取熱圖像，并進 行處理和缺陷辨識，所述系統(tǒng)控制模塊(6)協(xié)調(diào)控制各模塊的操作。本發(fā)明所述的超聲激振模塊包括聚焦式空氣超聲換能器(7)、功率放大器(8)和 信號發(fā)生器(9)，所述聚焦式空氣超聲換能器(7)傾斜置于芯片(2)和紅外加熱模塊(3)之 間，所述信號發(fā)生器(9)產(chǎn)生的信號經(jīng)功率放大器(8)放大后驅(qū)動超聲換能器(7)工作。本發(fā)明所述的紅外加熱模塊(3)包括近紅外燈，利用復(fù)合拋物面聚光器(CPC)將 所述近紅外燈產(chǎn)生的紅外光線匯聚于基底或芯片(2)表面以加熱。本發(fā)明該裝置還包括缺陷標(biāo)記模塊5，用以對缺陷芯片標(biāo)記。本發(fā)明所述的缺陷標(biāo)記模塊(5)為氣壓式可控噴頭，當(dāng)所述裝置檢測到所述芯片 (2)存在缺陷時，系統(tǒng)控制模塊(6)驅(qū)動所述三維移動平臺(1)將芯片(2)移至噴頭下方， 然后噴涂顏料進行標(biāo)記。本發(fā)明方法及裝置可對芯片焊點進行有效、可靠的在線檢測，由于整個檢測過程 采用非接觸方式加熱、空氣耦合超聲激振及快速熱圖像處理，所以本發(fā)明完全實現(xiàn)了非接 觸、無損、實時檢測。本發(fā)明適用于BGA、CSP和FC等工藝產(chǎn)品的焊點缺陷檢測，并且跟SAM 檢測和X射線檢測相比，本發(fā)明操作更簡單、對人體無害、成本更低，更適合于工業(yè)應(yīng)用。


圖1 一種熱和超聲激勵的芯片焊點缺陷在線檢測裝置圖2芯片焊點缺陷在線檢測步驟圖3FC芯片熱圖像處理及缺陷類型辨識結(jié)果
具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。根據(jù)熱波理論可知，缺球、空洞、裂紋、虛焊等焊點缺陷的存在將會改變芯片焊點 熱阻屬性。因此，對芯片或基底表面均勻加熱后，由于熱阻差異在芯片或基底表面會形成暫 態(tài)溫差。然而，芯片制備材料硅(Si)和焊球金屬材料(如PbSn，Au等)均具有很高的熱擴 散率，使芯片或基底表面溫度快速趨于平衡，對熱圖像采集系統(tǒng)具有極高的時間、空間、及 溫度分辨率要求，不易檢測。為了解決這一問題，本發(fā)明提供的芯片焊點缺陷在線檢測方法首先采用近紅外燈 以非接觸方式加熱芯片或基底表面，同時利用空氣超聲換能器激勵芯片，使芯片產(chǎn)生諧振， 擴大缺陷對熱傳導(dǎo)的影響，通過紅外熱像儀采用透射或反射式測量芯片或基底表面溫度 場，然后使用對比度增強、缺陷分割等方法對熱圖像進行處理，以精確判斷和定位缺陷。如 圖2所示，具體步驟如下步驟1對芯片或基底采用近紅外非接觸方式加熱，同時對芯片或基底表面施加超 聲激勵，使芯片產(chǎn)生諧振，將缺陷焊點拉伸或壓縮以改變其熱阻屬性，放大缺陷對熱傳導(dǎo)的 影響，從而擴大表面溫差；步驟2測量芯片或基底表面溫度場，獲取熱圖像，其中可以使用紅外顯微鏡頭提 高熱像儀空間分辨能力；步驟3對熱圖像進行分析處理(如對比度增強等方法)，然后根據(jù)有無異常區(qū)域 (即亮斑或暗斑)，判斷芯片內(nèi)部焊點是否存在缺陷；由于芯片焊球尺寸較小，引入熱激勵和超聲激勵后，焊點缺陷引起的芯片或基底 表面溫差不大，所以步驟3中，需對熱圖像進行處理，進一步放大缺陷焊點與正常焊點的區(qū) 另O。若存在明顯的亮斑或暗斑，則認(rèn)為該異常區(qū)域存在異常焊點。步驟4若存在異常區(qū)域，分割熱圖像中的亮點或暗點，并與參考溫度閾值進行比 較，對缺陷進行確認(rèn)和精確定位；為了對異常焊點進行精確判斷和定位，首先分割熱圖像中的亮斑和暗斑，提取異 常區(qū)域里各像素點溫度值，與參考溫度值(可取多個無缺陷焊點平均溫度值，或理論計算 值)進行比較，超出參考溫度值80%至120%范圍的像素點認(rèn)定為缺陷像素點，并記錄該像 素點(缺陷焊點)。依此實現(xiàn)缺陷焊點的精確定位。至此，即可完成熱和超聲激勵的芯片焊點缺陷在線檢測過程。另外，還可以對缺陷芯片進行標(biāo)記，如通過氣壓式可控噴頭對缺陷芯片噴涂顏料 以進行有效標(biāo)記。本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)以上檢測方法的裝置，如圖1所示，包括真空吸附式三 維移動平臺、紅外加熱模塊、超聲激振模塊、熱圖像獲取及處理模塊缺陷標(biāo)記模塊和系統(tǒng)控 制模塊。
本裝置的真空吸附式三維移動平臺1采用真空吸附方式，可固定多種形狀和尺寸 的被測芯片2，實現(xiàn)XYZ三個方向的精確定位及移動。另外，移動平臺1上裝有溫度傳感器，用來測量基底/芯片表面加熱溫度，并反饋給系統(tǒng)控制模塊，以控制加熱時間和溫度。
本裝置的紅外加熱模塊3，采用紅外非接觸方式對被測芯片2進行加熱，可通過近 紅外燈實現(xiàn)，并利用復(fù)合拋物面聚光器(CPC)將紅外光線匯聚于基底或芯片表面，實現(xiàn)小 面積的快速、均勻加熱。近紅外燈接有控制電路，可通過溫度傳感器的反饋來調(diào)節(jié)加熱時間 和溫度。本裝置的超聲激振模塊，采用空氣耦合方式對被測芯片2進行超聲激勵以拉伸或 壓縮焊點缺陷，改變其熱阻屬性。超聲激振模塊包括聚焦式空氣超聲換能器7、功率放大器 8和信號發(fā)生器9，所述聚焦式空氣超聲換能器7傾斜置于芯片和紅外熱像儀之間，信號發(fā) 生器9產(chǎn)生的信號經(jīng)功率放大器8放大后驅(qū)動超聲換能器7工作。對于不同尺寸的芯片， 可以選擇合適的激振頻率以放大焊點缺陷對芯片或基底表面溫度的影響。本裝置的熱圖像獲取及處理模塊使用高分辨率紅外熱像儀4獲取芯片或基底表 面溫度信息，并進行熱圖像分析、處理及缺陷辨識。本裝置缺陷標(biāo)記模塊5，使用氣壓式可控噴頭對缺陷芯片噴涂顏料以實現(xiàn)缺陷標(biāo) 記。噴嘴與芯片的夾角可調(diào)，以適用于不同大小芯片的標(biāo)記。當(dāng)檢測裝置判定被測芯片2 存在缺陷時，系統(tǒng)控制模塊6就驅(qū)動三維移動平臺1將芯片2移至噴頭下方，然后噴涂顏料 進行標(biāo)記。本裝置的系統(tǒng)控制模塊6集成了移動平臺驅(qū)動電路，加熱控制電路、信號發(fā)生器、 紅外熱像儀和缺陷標(biāo)記電路的控制接口，用以協(xié)調(diào)各功能模塊的操作。并且，系統(tǒng)控制模塊 根據(jù)檢測方法提出的診斷步驟來完成對缺陷的識別、定位及類型判斷。本發(fā)明裝置的實例被測樣品是FA10-200x200面陣型FC芯片，在未鍵合之前，人 為劃去芯片右上角的兩個焊球，然后將芯片和基底通過回流焊方式鍵合在一起。調(diào)節(jié)三維 移動平臺使FC芯片中心位于聚焦式超聲換能器焦點位置，并調(diào)節(jié)紅外熱像儀焦距以獲取 芯片表面溫度。啟動超聲激振模塊，并對芯片表面進行脈沖加熱1秒，然后紅外熱像儀以每 秒60幀的速率實時采集300幀熱圖像。選取熱圖并進行對比度增強、缺陷分割，得到缺陷 位置(熱圖像中的像素坐標(biāo))。將缺陷像素點溫度值與計算溫度值進行比對，進一步得到亮 點溫度值與焊點缺失對應(yīng)的溫度計算值最接近，因此判斷此處缺陷為焊點缺失。圖3為FC 芯片熱圖像處理及缺陷類型辨識結(jié)果。最后，利用可控噴頭將FC缺陷芯片進行噴色標(biāo)識。 顯然，本發(fā)明提供的芯片焊點缺陷在線檢測方法和裝置可以對芯片缺陷進行有效的檢測。本發(fā)明提供的芯片焊點缺陷在線檢測裝置，可與成熟封裝設(shè)備集成為一體，在線 完成對芯片，尤其是對高密度、超細(xì)間距倒裝芯片的封裝和檢測。由于采用了非接觸加熱、 空氣耦合超聲激振和高分辨率紅外熱像儀來檢測芯片缺陷，所以完全達(dá)到了非接觸、無破 壞的在線檢測目的，可用于工業(yè)上的生產(chǎn)。
權(quán)利要求
一種熱和超聲激勵的芯片焊點缺陷在線檢測方法，包括如下步驟(1)對芯片或基底采用近紅外非接觸方式加熱，同時對芯片或基底表面施加超聲激勵，使芯片產(chǎn)生諧振；(2)測量所述芯片或基底的表面溫度場，獲取熱圖像；(3)對所述熱圖像進行分析處理，判斷熱圖像中有無異常區(qū)域即有無亮斑或暗斑，確定芯片內(nèi)部焊點是否存在缺陷；(4)若存在異常區(qū)域，則分割所述熱圖像中的亮斑或暗斑，提取異常區(qū)域里各像素點溫度值，并與參考溫度閾值進行比較，從而對缺陷進行確認(rèn)和定位；至此，即完成熱和超聲激勵的芯片焊點缺陷在線檢測過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的對熱圖像的分析處理為對比度增 強處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步驟(4)中，當(dāng)所述的像素點 溫度值超出參考溫度閾值的80%至120%范圍時，確認(rèn)該像素點為缺陷像素點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，還可通過對缺陷芯片噴涂顏料以 進行標(biāo)記。
5.一種實現(xiàn)上述權(quán)利要求1-4之一所述的芯片焊點缺陷在線檢測方法的裝置，包括真 空吸附式三維移動平臺(1)、紅外加熱模塊(3)、超聲激振模塊、熱圖像獲取及處理模塊和 系統(tǒng)控制模塊(6)，其中，所述三維移動平臺(1)用于定位被測芯片(2)，并實現(xiàn)其在XYZ三個方向的平移，所述 紅外加熱模塊(3)和超聲激振模塊分別用于對所述芯片(2)進行熱激勵和超聲激勵，所述 熱圖像獲取理模塊測量芯片(2)的表面溫度信息，獲取熱圖像，并進行處理和缺陷辨識，所 述系統(tǒng)控制模塊(6)協(xié)調(diào)控制各模塊的操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述的超聲激振模塊包括聚焦式空氣超 聲換能器(7)、功率放大器(8)和信號發(fā)生器(9)，所述聚焦式空氣超聲換能器(7)傾斜置 于芯片(2)和紅外加熱模塊(3)之間，所述信號發(fā)生器(9)產(chǎn)生的信號經(jīng)功率放大器(8) 放大后驅(qū)動超聲換能器(7)工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的裝置，其特征在于，所述的紅外加熱模塊(3)包括近紅外 燈，利用復(fù)合拋物面聚光器(CPC)將所述近紅外燈產(chǎn)生的紅外光線匯聚于基底或芯片(2) 表面以加熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7之一所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括缺陷標(biāo)記模塊5，用 以對缺陷芯片標(biāo)記。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述的缺陷標(biāo)記模塊(5)為氣壓式可控噴 頭，當(dāng)所述裝置檢測到所述芯片(2)存在缺陷時，系統(tǒng)控制模塊(6)驅(qū)動所述三維移動平臺 (1)將芯片(2)移至噴頭下方，然后噴涂顏料進行標(biāo)記。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱和超聲激勵的芯片焊點缺陷在線檢測方法及裝置，其方法是采用紅外非接觸方式對被測芯片或基底表面進行均勻加熱，同時施加超聲激勵，使芯片產(chǎn)生振動以改變?nèi)毕萏師嶙鑼傩?，然后通過紅外熱像儀測量芯片或基底表面溫度，并對熱圖像進行特征提取和分析，結(jié)合實現(xiàn)芯片焊點缺陷辨識和定位。其裝置主要包括真空吸附式三維移動平臺、紅外加熱模塊、超聲激振模塊、熱圖像處理模塊、缺陷標(biāo)記模塊、系統(tǒng)控制模塊。本發(fā)明提供的方法及裝置可對芯片焊點缺陷進行有效檢測，具有實時、非接觸、無破壞性的特點，適用于焊球陣列(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)和倒裝芯片(FC)等高密度電子封裝工藝的焊點缺陷檢測。
文檔編號G01N21/88GK101813638SQ20101016053
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者史鐵林, 廖廣蘭, 張學(xué)坤, 查哲瑜, 聶磊, 陸向?qū)?申請人:華中科技大學(xué)