基于模态分析的倒装芯片缺陷检测

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Defects detection for flip chip using modal analysisZENG Miao，LIAO Guang-lan，ZHANG Xue-kun，LIU Jun-chao，SHI Tie-lin(State Key Laboratory of Di舀tal Manufacturing Equipment and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)Abstract： Flip chip is becoming one of the mainstream technologies in microelectronic packaging，and the qualityinspection of flip chip is being gained more and more attention.The solder bump missing，a typical defect in flip chip，was concerned.The vibration equation of flip chip was deduced based on a special vibration mode1.The influence ofdefects on the vibration response was described，and the principle of defects inspection for flip chip using modal analysiswas presented.The influence of solder bumping missing on the variation of natural frequencies of flip chip used inexperiments was calculated. Then，the shifting of the natural frequencies of the referencial flip chip and flip chipscontaining defects was numerically simulated and also measured in experiments.The results validate the correctness of theanalytic model，indicating that the solder bump missing of flip chip can be detected using modal analysis，and theinspection technique can be satisfactoryly used to detect defects of flip chips。

Key words：flip chip；defects detection；solder bump missing；vibration model；modal analysis；natural frequency消费电子产品如手提电脑、移动电话等的迅速发展促使电子器件向小型化和高集成度方向发展，传统的引线键合技术 已难以满足要求。倒装芯片 (FlipChip)技术以其良好的热性能，小尺寸，更高的 I/O密度，优良的电性能，以及高可靠性和较好的可制造性，逐渐成为微电子封装工业的主流技术 。Fc封装过程中由于封装密度高、焊点间距孝芯片与基底热膨胀系数失配，容易导致热疲劳损伤，产生内部缺陷，从而给缺陷检测带来了很大的困难和挑战 J。FC封装过程中常见的内部缺陷有焊球脱开，短路，虚焊以及焊球缺失 j，本文针对其中典型的焊球缺失检测展开研究。

基金项目：国家重点基础研究973”计划资助项 目(2009CB724204)；国家自然科学基金资助项 目(51175210，51175211，50975106)收稿 日期 ：2012-02-28 修改稿收到 日期：2012-03-25第-作者 曾 苗 女，硕士生，1988年生通讯作者 史铁林 男，博士，教授 ，博士生导师，1964年生目前，倒装芯片缺陷检测主要分为接触式和非接触式两类∮触式检测容易对芯片表面造成损坏，而工业上主要采用非接触式检测，如扫描声学显微镜(SAM)检测和 x射线检测技术等。SAM 利用声显微成像原理可对焊点进行检测，但是检测过程中需要将芯片置于耦合介质(通常采用去离子水)中以增强超声波信号；x射线检测技术 则利用不同材料对 x射线透过率的不同来检测焊点缺陷情况，但是 x射线检测成本较高，且 x射线对人体危害性较大。

本文建立了空气耦合超声激励系统，采用基于振动模态分析的方法用于 Fc的缺陷检测，理论计算、仿真和实验相互验证了该检测方法的有效性。

1 FC芯片振动模型及缺陷检测原理根据倒装芯片特点，可以进行以下假设 ：① 芯片(Die)材料各向同性，厚度相对于长度、宽度要小得第6期 曾 苗等：基于模态分析的倒装芯片缺陷检测 27情况也可以看出，振动变形主要集中四边及角落，中间位置振动幅度较小，因此，对于芯片中间位置存在焊球缺失情况，需要结合频率、振型等进-步的实验研究。

上述结论亦进-步验证了振动模型的合理性及检测原理、方法的可行性。

3.2 FC芯片实验测量分析为了进-步对 Fc芯片缺陷进行有效检测，搭建了基于空气耦合超声激励的 FC芯片缺陷检测系统，如图5所示。超声激励由电容超声换能器 CAP4提供，产生的超声波经空气直接投射在芯片表面。检测系统采用激光测振仪PSV-400测量芯片表面振动，其位移分辨率可达0.01 nm，振速分辨率0.02 txm/s，频率测量范围在 0-1 MHz，适合微振动测量。

图5 FC芯片缺陷检测系统Fig.5 Experimental setup of the solderbump missing defect detection system实验时，首先将芯片基板固定在气浮台上，然后利用超声换能器驱动设备 SIA-7驱动 CAP4产生某-频率下空气耦合超声波，将其以45。人射角投射在芯片表面，激起芯片微振动；同时，PSV-400扫描芯片表面各布点振动信号，测得芯片振动频率及其对应的振速大校在-次扫描测量中，改变 CAP4超声波激振频率，在不同的激振频率下芯片振动速度不同；当激振频率等于固有频率时，芯片的振速达到最大。

基于测试芯片的各阶仿真与计算固有频率值，在该频率值附近对芯片进行频率扫描激振，测得其对应的振速大小，然后提取出最大振速对应的振动频率，就可以得到芯片固有频率。表4为无缺陷参考样片A1、A2及缺陷样片 B、c的各阶模态频率测量结果∩以发现，实验测量的 Fc芯片的固有频率与仿真值和计算值较接近，趋势-致。仿真和计算中忽略了芯片振动阻尼、UBM，而实际测量时考虑到环境影响、测量误差等因素，使得仿真和计算数值比实验测量值略大。这验证了仿真和计算分析的合理性，也说明了仿真和计算对实验具有较好的指导性。上述结果中，无缺陷参考片A1和 A2的实验测量固有频率值基本-致，差值在 ±2 kHz内，这可能是由于测量误差以及环境因素的影响而导致。存在焊球缺失的缺陷芯片 B、c前几阶固有频率比无缺陷参考芯片的固有频率明显要低，差值最大可达到 34 kHz。这说明固有频率的变化能够有效地检测焊球缺失缺陷。

表4 实验测量固有频率值(频率单位：kHz)Tab.4 Mode frequencies with missing bumpdefect from the experimental model图6为缺陷芯片相对于参考芯片 固有频率变化图。

n阶数(a)B芯片与参考芯片A1的固有频率差值n阶数(b)c芯片与参考芯片Al的固有频率差值图6 缺陷芯片相对参考芯片固有频率变化图Fig.6 Mode shih between chips withbump missing defect and reference chip可以看出，有焊球缺失的芯片 B、C与完好参考芯片相比较，固有频率明显降低，这说明固有频率的降低可用于面阵型芯片的焊球缺失检测。缺陷芯片B前3Z 斟 哺28 振 动 与 冲 击 2013年第 32卷阶固有频率降低比较多，缺陷芯片 c前2阶以及5、6阶固有频率降低比较多，这说明前两阶固有频率对缺球这种缺陷是比较敏感的。此外，当缺球的数量不同、位置分布不同时，高阶固有频率的变化明显不同，如类似于 B缺陷芯片缺球时，第 5阶固有频率降低不是很明显，但当出现 c类型缺球情况时，第 5阶固有频率变化却很大。这也说明了当缺球个数和位置不-样时，各阶固有频率存在变化，但变化不尽相同，这可以用于进-步研究焊球缺失的位置和数量。

4 结 论本文以倒装芯片为研究对象，推导出倒装芯片的振动方程，阐述了芯片缺陷对振动的影响以及利用模态分析进行倒装芯片缺陷检测 的原理。通过 MAT。

LAB理论计算出不同焊球缺失情况对倒装芯片固有频率的影响，进-步利用有限元分析软件 COMSOL对正常和焊球缺失芯片的固有频率进行了仿真，分析了前六阶的振型。同时，搭建了基于空气耦合超声激励的 FC芯片缺陷检测实验平台，实验测量了芯片的固有频率变化。研究结论表明，针对实验中所用面阵型Fc芯片 FA10，其理论模型计算、仿真振型分析和实验测量结果非常吻合。当芯片存在焊球缺失时，芯片的刚度矩阵和质量矩阵将发生变化，导致固有频率降低：当芯片四角存在焊球缺失缺陷时，其前 3阶固有频率变化较大，固有频率降低值在 18 kHz以上，而第5、6阶固有频率变化较小；当芯片边角均有焊球缺失，则前2阶固有频率变化明显，频率降低30 kHz，并且 5、6阶固有频率变化也比较大。因此，芯片缺陷导致各阶固有频率的变化不同，可用于缺陷芯片的检测 ，结合各阶振型分析，可进-步研究倒装芯片焊球缺失的定位和定量检测。