Акустический метод обнаружения дефектов микросхем

В статье описан разработанный фирмой Sonoscan метод создания трехмерного акустического изображения микросхем в корпусах BGA, используемый для отбраков­ки изделий с дефектами, которые могут привести к их отказу.

А. Мельниченко

Одним из методов неразрушающего исследования внутреннего строения микросхем является создание акустического изображения с помощью ультразвука. Этот метод позволяет обнаруживать дефекты в пласт­массовых корпусах, кристалле и подложке микросхем, которые могут привести к отказу.

Отказы в работе микросхем в процессе эксплуата­ции нередко являются следствием скрытых дефектов, возникающих в их корпусах на этапе изготовления и монтажа микросхем. Если отказ возник непосредствен­но после изготовления или монтажа микросхемы, он мо­жет быть выявлен в процессе тестирования. Однако бы­вает так, что дефект проявляется не сразу.

Наиболее типичными дефектами являются расслаи­вания, трещины и пустоты. Все эти дефекты связаны с нарушением однородности структуры корпуса. Их про­явление достаточно предсказуемо. В процессе эксплуа­тации в результате циклических изменений температу­ры размеры дефекта постепенно увеличиваются пока он не достигнет проводника, это может привести к наруше­нию электрического контакта и отказу микросхемы.

Наиболее щадящим является акустический метод обнаружения скрытых дефектов в корпусах. Необхо­димость в его применении непрерывно растет, пос­кольку с внедрением бессвинцовой технологии мон­тажа увеличивается вероятность возникновения де­фектов, обусловленных более высокими температу­рами пайки, а также появлением новых материалов корпусов микросхем.

В пластмассовых корпусах (BGA и других) дефекты могут возникать на различной глубине. Дефекты в объе­ме компаунда (например, изолированная каверна) не представляют большой опасности. Дефекты на границе компаунда и подложки (наиболее частым дефектом здесь является расслаивание) можно также рассматри­вать как имеющие малое влияние на надежность, если они расположены вдали от проводников и площадок. Однако расслаивания на границе компаунда и кристалла представляют наибольшую опасность, так как они мо­гут повредить как сам кристалл, так и подложку.

Акустическое изображение создается благодаря то­му, что ультразвук отражается от границы двух сред, имеющих различную плотность. Так, каверна внутри корпуса видна из-за отражения ультразвука от границы компаунда и находящегося внутри каверны воздуха. Следует заметить, что время запаздывания сигнала, от­раженного от объектов, находящихся на различной глу­бине, неодинаково. Ограничивая прием отраженных сигналов лишь узким временным интервалом, оператор может исследовать слой микросхемы, находящийся на определенной глубине, например, на границе компаун­да и подложки.

Акустическое изображение слоя микросхемы в кор­пусе BGA, находящегося на границе компаунда и под­ложки, показано на рис. 1. На нем видны кристалл, дорожки на поверхности подложки, площадки для присо­единения проводников. Кроме того, на изображении видно несколько белых пятен – это места отслоения ком­паунда от подложки. Белый цвет обусловлен большой амплитудой отраженного сигнала. Уровень этого сигнала зависит от разности акусти­ческого сопротивления двух сред, представляющего со­бой произведение плотности материала на скорость рас­пространения звука в нем.

Рис. 1. Акустическое изображение микросхемы BGA в зоне контакта компаунда и подложки (белые пятна – области расслоения)

Как видно из рис. 1, боль­шинство расслоений имеют малые размеры и находятся вдали от критических зон. Ни одно из расслоений не со­прикасается с кристаллом, однако несколько из них со­седствуют с ним, а некото­рые находятся на контактных площадках. Кроме того, предполагается наличие дефекта в месте расположения кристалла (небольшая область с повышенной яркостью посреди него), который находится за пределами иссле­дуемого слоя.

В разработанном фирмой Sonoscan методе исполь­зуются данные послойного исследования микросхем на различной глубине для создания их трехмерного изо­бражения. На рис. 2 представлено трехмерное изображение микросхемы, показанной на рис. 1. На нем удален компаунд, но оставлены расслоения в толще под­ложки. Удалена также часть кристал­ла для исследования возникшего на нем дефекта.

Рис. 2. Трехмерное акустическое изображение той же микросхемы с вырезанным сегментом

Расслоения в подложке окраше­ны в красный цвет, поскольку выб­рана цветовая шкала, в которой красным обозначен отраженный сигнал с наибольшей амплитудой. Дефект на поверхности кристалла также окрашен красным цветом и представляет собой область расслоения между компа­ундом и кристаллом. Такие дефекты считаются намно­го опаснее, чем расслаивания на подложке, так как, расширяясь, они могут нарушить целостность провод­ников на поверхности кристалла.

Часть кристалла, расположенная слева от области расслоения, удалена. Правая стенка образовавшейся выемки проходит как раз по месту расслоения. Голубое кольцо представляет собой акустическую тень, отбра­сываемую на кристалл находящейся сверху областью расслоения. Однако в видимой части кристалла дефек­ты не наблюдаются. При необходимости могут быть “вы­резаны” и другие части кристалла. Одним из преиму­ществ этого метода является возможность исследова­ния микросхем под различными углами зрения и с обра­зованием срезов любого вида.

Поверхность кристалла другой микросхемы в кор­пусе BGA показана на рис. 3. Дефект здесь весьма зна­чителен: около 70% поверхности кристалла (обозначенной красным цветом) отслоилось от компаунда, из-за чего вероятность на­рушения целостности про­водников на поверхности кристалла очень велика. Здесь красным цветом обозначены области с наи­большим “отрицатель­ным” отражением, т.е. об­ласти, где ультразвук, рас­пространяясь в среде с высоким акустическим сопротивлением (напри­мер, компаунде), встречает среду с низким акустическим сопротивлением (нап­ример, воздух в зоне расслоения).

Рис. 3. Акустическое изображение поверхности кристалла микросхемы в корпусе BGA (красным цветом обозначена зона расслоения между компаундом и кристаллом)

При создании акустической картины толщина рас­слоения не имеет большого значения. Эксперименты показали, что уровень отраженного сигнала при измене­нии толщины воздушного промежутка в пределах от 100 до 1000 ангстрем почти не меняется. Края расслоения окрашены в желтый цвет, что свидетельствует о некотором уменьшении уровня отраженно­го сигнала. Это может означать, что расслоение в них появилось совсем недавно. Проводники вокруг крис­талла также окрашены в желтый цвет, но не из-за наличия дефекта, а из-за неравномерности их профиля и ма­лого диаметра.

В микросхемах, выполненных в корпусе BGA, дефекты обнаружива­ются не только в кристалле или ком­паунде корпуса. На рис. 4 показано акустическое изображение подложки микросхемы. Чтобы получить это изображение, ульт­развук должен пройти сквозь компаунд, кристалл и под­ложку. Поэтому для исследования была выбрана более низкая частота ультразвука (30 МГц), т.к. с понижением частоты затухание сигнала уменьшается.

Рис. 4. Акустическое изображение подложки микросхемы BGA (белые пятна – расслоения между слоями подложки)

Два светлых пятна на рис. 4 представляют собой рас­слоения между слоями подложки. Возможно, они появились в результате механических на­пряжений, возник­ших в результате нагревания. Расши­ряясь, эти расслое­ния могут привести к нарушению цело­стности проводни­ков в переходных отверстиях.

Акустический метод исследова­ния микросхем в корпусах BGA име­ет два преимущест­ва: во-первых, он позволяет отбраковать микросхемы с дефектами, кото­рые могут снизить их надежность, и, во-вторых, полу­чить информацию, используемую для корректировки технологического процесса их изготовления. На многих предприятиях по изготовлению микросхем он широко используется для оперативного контроля процесса про­изводства не содержащих свинец компонентов. Там, где вопросы надежности являются первоочередными, этот метод позволяет своевременно отбраковывать компо­ненты с дефектами, которые могут привести к отказу.