18、球栅阵列（BGA）封装的穿透式声学检测技术解析

球栅阵列（BGA）封装的穿透式声学检测技术解析

1. 声学检测背景与优势

自20世纪80年代中期行业向表面贴装封装转变以来，集成电路（IC）制造商一直依赖脉冲回波声学检测进行封装开发和过程控制。与同样无损的X射线成像相比，声学检测具有显著优势。它对内部裂纹等重要封装缺陷更为敏感，而这些缺陷在X射线检测中几乎不可见。此外，脉冲回波声学检测的独特之处在于能够检测内部界面的分层，这基于分层处压力脉冲的反转（180°相移）。

扫描声学显微镜研究发现，大尺寸芯片表面贴装封装在温度循环测试中失效的主要原因是芯片表面分层导致的引线键合退化。对于许多封装工艺，声学显微镜在检测引线键合退化方面比物理切片或传统电气测试更可靠，迅速成为确定湿度敏感性的首选方法。

2. 脉冲回波声学检测原理与局限性

• 原理 ：在脉冲回波检测中，仅需一个换能器，它既发射声脉冲又接收样品的回波。通过最大化所需反射的幅度来实现轴向聚焦，使用测角仪调整换能器的方向可以补偿其离轴聚焦特性。这种检测方式在IC封装检测中通常能取得良好效果。
• 局限性 ：随着芯片复杂度和引脚数量的增加，出现了球栅阵列（BGA）和倒装芯片等新的封装策略。传统的脉冲回波声学技术在检测BGA层压板缺陷时面临新挑战。
  • 脉冲重叠问题 ：BGA层压板通常由多层图案化金属、双马来酰亚胺三嗪（BT）层压板、胶膜、阻焊层和金属互连过孔组成。BT层压板本身是玻璃纤维增强复合材料，会产生许多纤维/基体界面反射。这种复杂的分层结构产生的声共振周期从薄铜迹线的7ns到单个BT层的160ns不等，导致时域信号中存在大量脉冲重叠，难以分离特定界面的反射。
  • 干扰效应 ：多个回波信号在时间上重叠可能会产生干扰效应，包括建设性和破坏性干扰。这些干扰可能误导显微镜操作员错误地选择看似较大的内部反射，或者忽略几乎完全被抵消的正确反射。
  • 相位反转问题 ：在检测BGA封装时，相位反转并不总是能可靠地用于分层检测。在有引脚的表面贴装封装中，内部分层处声压脉冲的相位反转有助于检测分层和裂纹，但在BGA封装的键合界面处，也常常会出现相位反转，容易被误判为分层。
  • 聚焦困难 ：对于多步腔式BGA封装的每个步骤进行脉冲回波检测时，由于高聚焦探头的景深限制，通常需要多次图像迭代才能在每个步骤获得聚焦良好的图像。而且，由于共振和干扰效应，正确聚焦往往难以实现。如果没有选择正确的反射，可能会忽略缺陷。

3. 穿透式声学检测原理与优势

• 原理 ：穿透式声学检测使用单独的换能器来发射和接收声脉冲。当接收换能器是聚焦换能器时，其焦点独立于发射器设置。不同类型的换能器可用于发射和接收，每个换能器的离轴方向会影响信号强度、空间分辨率和图像质量。在穿透式成像中，通常只选择到达接收器的第一个信号的第一个周期进行成像，因此轴向分辨率不是主要问题。
• 优势 ：穿透式声学检测可以避免传统脉冲回波检测在BGA封装中遇到的许多问题，提供更快速可靠的缺陷筛选。它能够清晰地显示分层发生的位置，与通过正确成像第二个次表面（芯片附着）回波获得的脉冲回波数据相匹配。即使在缺陷深度处可能会有一定的空间分辨率损失，并且所有步骤可能无法达到最佳聚焦，但在一次穿透式成像中可以检测到任何界面的分层。

4. 穿透式声学检测的实际应用考虑

• 换能器选择与聚焦 ：为了在穿透式模式下获得最佳空间分辨率，发射换能器应选择在第一层中光斑尺寸最小的，并将焦点设置在第一层/第二层界面。接收换能器的中心频率通常与发射器匹配，以确保收集整个发射带宽。但由于测试材料中的频率相关吸收，接收信号的中心频率可能会显著低于入射脉冲。
• 聚焦位置计算 ：最小光斑尺寸可以通过水中的衍射极限光斑尺寸公式估算：$o = 1.03 \lambda / N.A.$，其中$\lambda$是水中的波长，$N.A.$是数值孔径（定义为透镜直径与焦距之比）。发射器的聚焦位置会受到第一层的速度、厚度以及水/第一层界面折射的影响，接收器的聚焦位置在穿透式检测中会受到第一层/第二层界面折射的影响，与脉冲回波模式下的聚焦位置有所不同。

以下是一些材料的声学阻抗值表格：
|材料|密度 $\rho$ (g/cm³)|纵向速度 $U$ (m/sec)|阻抗 $Z$ (x10⁶ kg/m²s)|
|----|----|----|----|
|Cu|8.90|4700|41.83|
|Si <100>|2.33|8400|19.57|
|Mold Compound|1.72|3930|6.76|
|BT(50% resin)|1.77|2270|4.02|
|Air|0.00|344|0.00|

下面是穿透式声学检测的流程mermaid图：

graph LR
    A[开始] --> B[选择发射和接收换能器]
    B --> C[设置发射换能器焦点]
    C --> D[设置接收换能器焦点]
    D --> E[发射声脉冲]
    E --> F[接收信号]
    F --> G[选择第一个信号的第一个周期成像]
    G --> H[分析图像检测缺陷]
    H --> I[结束]

综上所述，脉冲回波声学检测在有引脚表面贴装封装的开发中是一种有价值的工具，但BGA封装的复杂多层结构对传统脉冲回波成像提出了挑战。穿透式声学检测通常能为BGA等薄层层压基板封装提供快速可靠的缺陷筛选，尽管它不能像脉冲回波声学检测那样精确确定特定界面的分层，但分层的形状往往能提示是哪个界面发生了分层。在穿透式检测中，正确聚焦发射和接收换能器对于穿透2.4mm厚的多步BGA封装至关重要，聚焦的接收换能器在空间分辨率和信号强度方面优于非聚焦换能器。

球栅阵列（BGA）封装的穿透式声学检测技术解析

5. 穿透式声学检测的实验验证

为了验证穿透式声学检测的有效性，进行了一系列实验。以一个2.4mm厚的腔式BGA封装为例，通过对比脉冲回波检测和穿透式检测的结果，进一步说明了穿透式检测的优势。
- 脉冲回波检测结果分析 ：在脉冲回波检测中，对不同位置的A扫描（回波信号）进行分析。当换能器位于层压板位置A（如图3所示）时，A扫描显示出复杂的回波模式，这是由于层压板的复杂结构导致的脉冲重叠。在模具化合物/层压板界面位置B的A扫描也呈现出类似的复杂性。在芯片附着检测中，由于回波重叠和干扰效应，很难准确选择正确的反射来成像。例如，在选择第二个次表面回波时，可能会误选来自更深层的回波，导致对芯片附着状态的错误判断。
- 穿透式检测结果分析 ：穿透式检测图像清晰地显示了分层的位置，与通过正确选择第二个次表面（芯片附着）回波获得的脉冲回波数据相匹配。在穿透式图像中，分层区域通常显示为黑色，与脉冲回波图像中分层区域较亮的特征相对应。这表明穿透式检测能够更准确地检测出分层缺陷，避免了脉冲回波检测中可能出现的误判。

以下是不同检测方式的对比表格：
|检测方式|优势|局限性|
| ---- | ---- | ---- |
|脉冲回波声学检测|在有引脚表面贴装封装检测中效果好，能检测内部界面分层|BGA封装中存在脉冲重叠、干扰效应、相位反转误判和聚焦困难等问题|
|穿透式声学检测|能快速可靠地筛选BGA等薄层层压基板封装的缺陷，可检测任何界面分层|在缺陷深度处可能有空间分辨率损失，不能精确确定特定界面分层|

6. 穿透式声学检测的实际操作要点

在实际应用穿透式声学检测时，需要注意以下操作要点：
- 换能器的选择 ：
- 发射换能器：应选择能够在测试层中产生最小光斑尺寸的换能器，以提高空间分辨率。同时，要考虑其中心频率在测试材料中的吸收情况，避免过高频率导致信号衰减过大。
- 接收换能器：中心频率应与发射换能器匹配，以确保能够收集到完整的发射带宽。优先选择聚焦的接收换能器，因为它在空间分辨率和信号强度方面优于非聚焦换能器。
- 聚焦设置 ：
- 发射换能器聚焦：将焦点设置在第一层/第二层界面，以获得最佳的空间分辨率。同时，要考虑第一层的速度、厚度以及水/第一层界面的折射对聚焦位置的影响。
- 接收换能器聚焦：在穿透式模式下，通过最大化到达接收器的第一个传输脉冲的第一个周期的幅度来设置聚焦。与脉冲回波模式下的聚焦方式不同，应避免使用脉冲回波模式来设置接收换能器的聚焦，以免影响检测效果。

下面是穿透式声学检测操作要点的mermaid流程图：

graph LR
    A[准备检测] --> B[选择发射换能器]
    B --> C[选择接收换能器]
    C --> D[设置发射换能器焦点]
    D --> E[设置接收换能器焦点]
    E --> F[进行检测]
    F --> G[分析检测结果]
    G --> H{是否有缺陷}
    H -- 是 --> I[进一步分析缺陷]
    H -- 否 --> J[结束检测]

7. 总结与展望

穿透式声学检测为BGA等复杂封装的缺陷检测提供了一种快速、可靠的方法。与传统的脉冲回波声学检测相比，它能够有效解决脉冲重叠、干扰效应和相位反转误判等问题，更准确地检测出分层等缺陷。在实际应用中，正确选择和聚焦换能器是确保检测效果的关键。

尽管穿透式声学检测具有诸多优势，但也存在一些局限性。例如，在缺陷深度处可能会有一定的空间分辨率损失，并且不能像脉冲回波检测那样精确确定特定界面的分层。未来的研究可以致力于进一步提高穿透式检测的空间分辨率，以及开发结合多种检测技术的综合检测方法，以更全面、准确地检测BGA封装中的缺陷。同时，可以探索如何利用机器学习等技术对检测结果进行更智能的分析，提高检测的效率和准确性。

总之，穿透式声学检测在BGA封装检测领域具有广阔的应用前景，随着技术的不断发展和完善，它将为集成电路封装的质量控制提供更有力的支持。