CN101813638A - 一种芯片焊点缺陷在线检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热和超声激励的芯片焊点缺陷在线检测方法及装置，其方法是采用红外非接触方式对被测芯片或基底表面进行均匀加热，同时施加超声激励，使芯片产生振动以改变缺陷处热阻属性，然后通过红外热像仪测量芯片或基底表面温度，并对热图像进行特征提取和分析，结合实现芯片焊点缺陷辨识和定位。其装置主要包括真空吸附式三维移动平台、红外加热模块、超声激振模块、热图像处理模块、缺陷标记模块、系统控制模块。本发明提供的方法及装置可对芯片焊点缺陷进行有效检测，具有实时、非接触、无破坏性的特点，适用于焊球阵列(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)和倒装芯片(FC)等高密度电子封装工艺的焊点缺陷检测。

Description

一种芯片焊点缺陷在线检测方法及装置
技术领域
本发明属于电子封装缺陷检测技术，具体涉及一种芯片焊点缺陷在线检测方法及装置，该方法及装置适用于球栅阵列(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)和倒装芯片(FC)等高密度电子封装工艺产品的焊点缺陷检测。
背景技术
集成电路(IC)产品微型化的发展趋势，对芯片集成尺寸和封装可靠性提出了更高的要求。目前IC产业广泛采用引线键合技术和倒装芯片技术来解决多层芯片间的互联问题，以满足电子产品的封装要求。无论采用引线键合技术还是倒装芯片技术，都需要在芯片上形成多个焊点，进而利用焊点完成互联。焊点缺陷(如焊点缺失、裂纹、虚焊等)会严重影响封装可靠性，甚至使电子产品失效。因此，芯片焊点的缺陷检测是必不可缺的。
通常，芯片焊点的缺陷检测主要有接触式和非接触式两种检测方法。接触式检测包括功能测试、电测试等，主要用来检测芯片的短路和开路，但不能有效地区别和定位出焊点缺陷。并且，接触式检测很容易对芯片表面造成损坏，检测效率也不高。
非接触式检测主要有：光学视觉检测、扫描声显微镜(SAM)检测、X射线检测。光学视觉检测方法用光学显微镜来检测芯片键合前的工艺缺陷，可以实时在线检测外部暴露焊点的缺陷。
对于球栅阵列(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)和倒装芯片(FC)等封装工艺产品，焊点缺陷隐藏于芯片内部，不能直接通过光学显微镜观测到，这就给焊点缺陷检测带来了困难。尤其是对于倒装芯片，随着焊点密度不断增加，其缺陷检测难度也将更大，对检测设备也要求也更高。目前，主要通过SAM检测和X射线检测来实现内部焊点的缺陷检测。
SAM检测利用声显微成像原理来检测样品的内部缺陷，即通过对样品内部反射超声波的分析来判断其缺陷状况。SAM检测是一种非接触、无破环、可靠且安全的检测方法。但是，其检测时间较长，且需要耦合介质(水)，而大部分芯片是不适宜放于耦合介质(水)中的。
X射线检测利用不同特性材料对X射线的吸收率不同，来对样品进行检测的。它也是一种非接触、无破环的检测技术，还可以进行3D微结构成像。不过，X射线检测设备比较昂贵，检测时间长，效率低，需要操作者具有较强的经验，并且X射线对人体也是有害的。
另外，红外热波无损检测技术是一种主要应用于航空材料内部缺陷(如空洞、裂纹等)检测的有效技术。它利用外部热源主动加热样品材料的表面，如通过闪光灯或接触式超声激振来加热样品表面，进而使样品表面产生热波。当表面热波向样品内部传播过程中遇到缺陷时会引起表面温差，通过红外热像仪检测样品表面的温差以识别出内部缺陷。这种检测技术有很强应用性和可拓展性，可应用于多种材料、结构和检测环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种芯片焊点缺陷在线检测方法，它采用红外非接触方式加热芯片或基底表面，同时施加超声激励，使芯片产生振动以改变缺陷处热阻属性，通过红外热像仪测量芯片或基底表面温度，然后对热图像进行处理，并结合被测芯片的热传导模型对其内部焊点状况进行分析和缺陷辨识。本发明还提供了实现该方法的检测装置(图1)，可对芯片焊点缺陷进行实时、有效地检测，具有非接触、无破坏的特点，适用于芯片缺陷的在线检测。
采用的具体技术方案如下：
一种热和超声激励的芯片焊点缺陷在线检测方法，包括如下步骤：
(1)对芯片或基底采用近红外非接触方式加热，同时对芯片或基底表面施加超声激励，使芯片产生谐振；
(2)测量所述芯片或基底的表面温度场，获取热图像；
(3)对所述热图像进行分析处理，判断热图像中有无异常区域即有无亮斑或暗斑，确定芯片内部焊点是否存在缺陷；
(4)若存在异常区域，则分割所述热图像中的亮斑或暗斑，提取异常区域里各像素点温度值，并与参考温度阈值进行比较，从而对缺陷进行确认和定位；
至此，即完成热和超声激励的芯片焊点缺陷在线检测过程。
本发明所述的对热图像的分析处理为对比度增强处理。
本发明所述的步骤(4)中，当所述的像素点温度值超出参考温度阈值的80％至120％范围时，确认该像素点为缺陷像素点。
本发明还可通过对缺陷芯片喷涂颜料以进行标记。
一种实现上述权利要求1-4之一所述的芯片焊点缺陷在线检测方法的装置，包括真空吸附式三维移动平台(1)、红外加热模块(3)、超声激振模块、热图像获取及处理模块和系统控制模块(6)，其中，所述三维移动平台(1)用于定位被测芯片(2)，并实现其在XYZ三个方向的平移，所述红外加热模块(3)和超声激振模块分别用于对所述芯片(2)进行热激励和超声激励，所述热图像获取理模块测量芯片(2)的表面温度信息，获取热图像，并进行处理和缺陷辨识，所述系统控制模块(6)协调控制各模块的操作。
本发明所述的超声激振模块包括聚焦式空气超声换能器(7)、功率放大器(8)和信号发生器(9)，所述聚焦式空气超声换能器(7)倾斜置于芯片(2)和红外加热模块(3)之间，所述信号发生器(9)产生的信号经功率放大器(8)放大后驱动超声换能器(7)工作。
本发明所述的红外加热模块(3)包括近红外灯，利用复合抛物面聚光器(CPC)将所述近红外灯产生的红外光线汇聚于基底或芯片(2)表面以加热。
本发明该装置还包括缺陷标记模块5，用以对缺陷芯片标记。
本发明所述的缺陷标记模块(5)为气压式可控喷头，当所述装置检测到所述芯片(2)存在缺陷时，系统控制模块(6)驱动所述三维移动平台(1)将芯片(2)移至喷头下方，然后喷涂颜料进行标记。
本发明方法及装置可对芯片焊点进行有效、可靠的在线检测，由于整个检测过程采用非接触方式加热、空气耦合超声激振及快速热图像处理，所以本发明完全实现了非接触、无损、实时检测。本发明适用于BGA、CSP和FC等工艺产品的焊点缺陷检测，并且跟SAM检测和X射线检测相比，本发明操作更简单、对人体无害、成本更低，更适合于工业应用。
附图说明
图1一种热和超声激励的芯片焊点缺陷在线检测装置
图2芯片焊点缺陷在线检测步骤
图3FC芯片热图像处理及缺陷类型辨识结果
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
根据热波理论可知，缺球、空洞、裂纹、虚焊等焊点缺陷的存在将会改变芯片焊点热阻属性。因此，对芯片或基底表面均匀加热后，由于热阻差异在芯片或基底表面会形成暂态温差。然而，芯片制备材料硅(Si)和焊球金属材料(如PbSn，Au等)均具有很高的热扩散率，使芯片或基底表面温度快速趋于平衡，对热图像采集系统具有极高的时间、空间、及温度分辨率要求，不易检测。
为了解决这一问题，本发明提供的芯片焊点缺陷在线检测方法首先采用近红外灯以非接触方式加热芯片或基底表面，同时利用空气超声换能器激励芯片，使芯片产生谐振，扩大缺陷对热传导的影响，通过红外热像仪采用透射或反射式测量芯片或基底表面温度场，然后使用对比度增强、缺陷分割等方法对热图像进行处理，以精确判断和定位缺陷。如图2所示，具体步骤如下：
步骤1对芯片或基底采用近红外非接触方式加热，同时对芯片或基底表面施加超声激励，使芯片产生谐振，将缺陷焊点拉伸或压缩以改变其热阻属性，放大缺陷对热传导的影响，从而扩大表面温差；
步骤2测量芯片或基底表面温度场，获取热图像，其中可以使用红外显微镜头提高热像仪空间分辨能力；
步骤3对热图像进行分析处理(如对比度增强等方法)，然后根据有无异常区域(即亮斑或暗斑)，判断芯片内部焊点是否存在缺陷；
由于芯片焊球尺寸较小，引入热激励和超声激励后，焊点缺陷引起的芯片或基底表面温差不大，所以步骤3中，需对热图像进行处理，进一步放大缺陷焊点与正常焊点的区别。若存在明显的亮斑或暗斑，则认为该异常区域存在异常焊点。
步骤4若存在异常区域，分割热图像中的亮点或暗点，并与参考温度阈值进行比较，对缺陷进行确认和精确定位；
为了对异常焊点进行精确判断和定位，首先分割热图像中的亮斑和暗斑，提取异常区域里各像素点温度值，与参考温度值(可取多个无缺陷焊点平均温度值，或理论计算值)进行比较，超出参考温度值80％至120％范围的像素点认定为缺陷像素点，并记录该像素点(缺陷焊点)。依此实现缺陷焊点的精确定位。
至此，即可完成热和超声激励的芯片焊点缺陷在线检测过程。
另外，还可以对缺陷芯片进行标记，如通过气压式可控喷头对缺陷芯片喷涂颜料以进行有效标记。
本发明还提供了一种实现以上检测方法的装置，如图1所示，包括真空吸附式三维移动平台、红外加热模块、超声激振模块、热图像获取及处理模块缺陷标记模块和系统控制模块。
本装置的真空吸附式三维移动平台1采用真空吸附方式，可固定多种形状和尺寸的被测芯片2，实现XYZ三个方向的精确定位及移动。另外，移动平台1上装有温度传感器，用来测量基底/芯片表面加热温度，并反馈给系统控制模块，以控制加热时间和温度。
本装置的红外加热模块3，采用红外非接触方式对被测芯片2进行加热，可通过近红外灯实现，并利用复合抛物面聚光器(CPC)将红外光线汇聚于基底或芯片表面，实现小面积的快速、均匀加热。近红外灯接有控制电路，可通过温度传感器的反馈来调节加热时间和温度。
本装置的超声激振模块，采用空气耦合方式对被测芯片2进行超声激励以拉伸或压缩焊点缺陷，改变其热阻属性。超声激振模块包括聚焦式空气超声换能器7、功率放大器8和信号发生器9，所述聚焦式空气超声换能器7倾斜置于芯片和红外热像仪之间，信号发生器9产生的信号经功率放大器8放大后驱动超声换能器7工作。对于不同尺寸的芯片，可以选择合适的激振频率以放大焊点缺陷对芯片或基底表面温度的影响。
本装置的热图像获取及处理模块使用高分辨率红外热像仪4获取芯片或基底表面温度信息，并进行热图像分析、处理及缺陷辨识。
本装置缺陷标记模块5，使用气压式可控喷头对缺陷芯片喷涂颜料以实现缺陷标记。喷嘴与芯片的夹角可调，以适用于不同大小芯片的标记。当检测装置判定被测芯片2存在缺陷时，系统控制模块6就驱动三维移动平台1将芯片2移至喷头下方，然后喷涂颜料进行标记。
本装置的系统控制模块6集成了移动平台驱动电路，加热控制电路、信号发生器、红外热像仪和缺陷标记电路的控制接口，用以协调各功能模块的操作。并且，系统控制模块根据检测方法提出的诊断步骤来完成对缺陷的识别、定位及类型判断。
本发明装置的实例：被测样品是FA10-200x200面阵型FC芯片，在未键合之前，人为划去芯片右上角的两个焊球，然后将芯片和基底通过回流焊方式键合在一起。调节三维移动平台使FC芯片中心位于聚焦式超声换能器焦点位置，并调节红外热像仪焦距以获取芯片表面温度。启动超声激振模块，并对芯片表面进行脉冲加热1秒，然后红外热像仪以每秒60帧的速率实时采集300帧热图像。选取热图并进行对比度增强、缺陷分割，得到缺陷位置(热图像中的像素坐标)。将缺陷像素点温度值与计算温度值进行比对，进一步得到亮点温度值与焊点缺失对应的温度计算值最接近，因此判断此处缺陷为焊点缺失。图3为FC芯片热图像处理及缺陷类型辨识结果。最后，利用可控喷头将FC缺陷芯片进行喷色标识。显然，本发明提供的芯片焊点缺陷在线检测方法和装置可以对芯片缺陷进行有效的检测。
本发明提供的芯片焊点缺陷在线检测装置，可与成熟封装设备集成为一体，在线完成对芯片，尤其是对高密度、超细间距倒装芯片的封装和检测。由于采用了非接触加热、空气耦合超声激振和高分辨率红外热像仪来检测芯片缺陷，所以完全达到了非接触、无破坏的在线检测目的，可用于工业上的生产。

Claims (9)

1.一种热和超声激励的芯片焊点缺陷在线检测方法，包括如下步骤：
(1)对芯片或基底采用近红外非接触方式加热，同时对芯片或基底表面施加超声激励，使芯片产生谐振；
(2)测量所述芯片或基底的表面温度场，获取热图像；
(3)对所述热图像进行分析处理，判断热图像中有无异常区域即有无亮斑或暗斑，确定芯片内部焊点是否存在缺陷；
(4)若存在异常区域，则分割所述热图像中的亮斑或暗斑，提取异常区域里各像素点温度值，并与参考温度阈值进行比较，从而对缺陷进行确认和定位；
至此，即完成热和超声激励的芯片焊点缺陷在线检测过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对热图像的分析处理为对比度增强处理。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，当所述的像素点温度值超出参考温度阈值的80％至120％范围时，确认该像素点为缺陷像素点。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，还可通过对缺陷芯片喷涂颜料以进行标记。
5.一种实现上述权利要求1-4之一所述的芯片焊点缺陷在线检测方法的装置，包括真空吸附式三维移动平台(1)、红外加热模块(3)、超声激振模块、热图像获取及处理模块和系统控制模块(6)，其中，
所述三维移动平台(1)用于定位被测芯片(2)，并实现其在XYZ三个方向的平移，所述红外加热模块(3)和超声激振模块分别用于对所述芯片(2)进行热激励和超声激励，所述热图像获取理模块测量芯片(2)的表面温度信息，获取热图像，并进行处理和缺陷辨识，所述系统控制模块(6)协调控制各模块的操作。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的超声激振模块包括聚焦式空气超声换能器(7)、功率放大器(8)和信号发生器(9)，所述聚焦式空气超声换能器(7)倾斜置于芯片(2)和红外加热模块(3)之间，所述信号发生器(9)产生的信号经功率放大器(8)放大后驱动超声换能器(7)工作。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述的红外加热模块(3)包括近红外灯，利用复合抛物面聚光器(CPC)将所述近红外灯产生的红外光线汇聚于基底或芯片(2)表面以加热。
8.根据权利要求5-7之一所述的装置，其特征在于，该装置还包括缺陷标记模块5，用以对缺陷芯片标记。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的缺陷标记模块(5)为气压式可控喷头，当所述装置检测到所述芯片(2)存在缺陷时，系统控制模块(6)驱动所述三维移动平台(1)将芯片(2)移至喷头下方，然后喷涂颜料进行标记。
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