KSI超声波扫描显微镜在半导体行业的应用

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印制后Wafer上的分层缺陷（二）
分层缺陷
分层缺陷
无缺陷结构
分层缺陷
• 检测到的细小分层主要是位于Die下面 的分层 • 扫描面积: 123mm × 105 mm
分层缺陷
分层缺陷
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Mold Compound
封装塑封材料的检测
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封装材料中的裂纹（一）
裂纹
• 使用超声波显微镜可以检测到
3com_3b.bmp
3com_g2.b mp
X-Scan扫描模式可以一次同时扫描样品的不同层面，从而可以完整地观测到 样品内部缺陷，如分层缺陷在不同层面上的分布情况
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器件内部不同层面的超声波图象
Connecting wires
连接线
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Flip Chip
倒装焊芯片的检测
Package Type：
A-Scan窗口 相位图像
明亮的和暗的区域在中间的A-scan窗 口中可见清晰的看到反射波形有一个 180°的相位反转。这主要是由于材料 的声阻抗不同引起的（高的声阻抗材 料到低的声阻抗材料会引起相位反转， 如由Mold Compuond材料到一个空气 层就会发生相位反转）。
使用相位检测功能，可以使用特 殊的逻辑计算法则来自动的标识 出分层缺陷。如上图中，分层缺 陷用红色标识。
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半导体领域常见的应用范围
• Flip Chips • Chip Scale Packages (CSP) • Plastic Ball Grid Arrays • Metal Ball Grid Arrays • Plastic Encapsulated Integrated Circuits • Hybrids, Power Devices and Multi-Chip Modules • Automotive Applications • Bonded and Bumped Wafers • Ceramic Chip Capacitors • Ceramics • Printed Circuit Boards • Miscellaneous Applications
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封装Die top分层示例（三）
五个结构现同的样品 三个结构现同的IC
分层
三个结构现同的IC
分层导致了非常强的超声波反射，在上面的C-Scan图像中明亮的区域表示分层缺陷（用 红色箭头指出）。
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封装Die top分层示例（四）
无分层缺陷样品
在边界上的分层缺陷
在分层位置将会有反射波，因此对应 在图象上会显示出比较亮的区域 在顶部的分层缺陷
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Flip Chip的分层缺陷（一）
放大图像
分层
使用伪着色功能，甚至能很好 的显示出更深层的结构信息
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Flip Chip的分层缺陷（一）
分层
裂纹
使用专用的图像滤波方法，可 以使裂纹更加清晰的显示出
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Flip Chip的分层缺陷（二）
放大图像
放大图像
分层
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Flip Chip的分层缺陷（三）
样品分层缺陷的位置
Sample2a_50ksi.bmp
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Wafer涂层上的分层缺陷（二）
着色功能可增加对比度
样品一 分层缺陷
分层缺陷
样品二
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印制后Wafer上的分层缺陷（一）
所选区域的放大图象
• 单个晶圆的分层 • 在Wafer边缘上有大面积的分层缺陷(用绿色 箭头表示) • 在晶片中间单个晶圆的分层缺陷（用蓝色箭 头表示） • 在无分层晶圆上可以清晰地看到接触 点
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半导体领域常见检测项目使用的换能器频率范围
样品应用
T/X Receiver PLCC, QFP, PQFP Hybrids, Power Pak BGA Capacitors TSOP
换能器
10 MHz 15-50 MHz 15-50 MHz 50-100 MHz 75-100 MHz 75-100 MHz
Scanning Acoustic Microscopy 超声波扫描显微镜
Present by Dr. Ing. Klaus Krämer
Krämer Scientific Instruments
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Application examples for semiconductors
在半导体领域的应用举例
用普通光学显微镜所检测不到 的封装材料内部裂纹
• 封装器件内部结构可以被清晰
地看到
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封装材料中的裂纹（二）
裂纹
分层
填充物(mold compound)中的裂纹和分层能用超声波扫描显微镜检测出来
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封装材料中的孔洞（一）
Mold compound中的孔洞 着色后的孔洞
填充物(mold compound)呈现粒状结构。左图中亮的区域是填充物(mold compound)中的孔洞，在 右上角呈现出比较有规律的线性分布。在右图中，孔洞可以用特殊的运算标识成彩色(如右图中的红 色)。
数据门限设置在不同深度的三层。在每层中用箭头标示的白色 亮的区域是分层缺陷。 右下角的图片是第三层的局域部分放大的精细图像。 扫描尺寸：123mm × 105 mm
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Wafer涂层上的分层缺陷（二）
C-Scan图象
由于分层位置声阻抗的差别，超声 波将会在分层界面处反射，因此超 声波扫描图象中白色区域表示分层 缺陷的存在
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封装材料中的孔洞（二）
Mold compound
扫描尺寸： 16.4mm ×12.7 mm 箭头指向的亮的区域 是孔洞，孔洞是清晰 可见的。
孔洞导致一个更强的超声波反 射信号，在上面的C-Scan中明 亮的区域(某些样品中用红色的 圆圈来表示)
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Die top
粘晶层表面检测
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封装Die top分层示例（一）
Flip chips, Flip-on-board, Flip-on-flex
检查的失效类型： Underfill delamination Underfill voiding Underfill material characterization Solder joint voiding Solder joint delamination Solder joint cracking Die cracking Filler particle density distribution
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压焊点的压焊质量分析（一）
放大的图象
Hkgut1.bmp
压焊点的情况可以通过超声波反射波来检测。 ◎ 左图中有缺陷的压焊点用绿色圆圈标识出来。 ◎ 右侧的图像局部放大并着色后，可以看到压焊点的更精细的结构。
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压焊点的压焊质量分析（二）
分层缺陷区域可 以被自动标识出 来（图中蓝色所 标识的区域）
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Lead Frame
引线框的检测
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引线框的检测示例（一）
裂纹 引线框
分层
明亮的区域有很强的超声波反射，指示出分层缺陷。在旁边的孔式结构是清晰可见的。右上 角的一处裂纹被检测到。在右侧的两幅伪3D图像中，分层缺陷有更加清晰的对比，在右下的 伪着色的3D图像中，分层缺陷用红色标识出。
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压焊点的压焊质量分析（三）
使用伪着色和3D图像处理，可以更加清 晰的看到Bond界面的分层缺陷，图中用 红色表示分层缺陷
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滤波功能增强图像对比度（一）
明亮区域为分层缺陷
采用不同的滤波功能可以提高判别分层缺陷或其他结构的图象的对比度
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滤波功能增强图像对比度（二）
明亮区域为分层缺陷
采用不同的滤波功能可以提高判别分层缺陷或其他结构的图象的对比度
Mold compound Bonding wires, lead frame
不均匀 孔洞
尺寸： 29.7mm×16.3mm 孔洞和不均匀性用 红色圆圈及箭头标 识出来
尺寸： 29.7mm×16.3mm
明亮的区域指示出 分层缺陷（详细分 析见下页） A-Scan波形
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Flip Chip的分层缺陷（三）
检测半导体材料内部多种缺陷
Defects 缺陷 — Cracks 裂纹 — Delaminations 分层 — Inclusion 夹杂物 — Die Attach 附着物 — Voids 空隙
Contrast causing properties 通过图象对比度可以判别 — Differences in the acoustic impedances (reflection of the ultrasonic beam) 材料内部声阻抗差异（通过反射波幅度） — Defect shape and size 确定缺陷形状和尺寸 — Defect orientation 确定缺陷方位
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高通滤波图像
裂纹
sampleB_x2_pt80_back_mag_hpf.bmp
下图是使用相位检测图像
在使用相位检测得到的图像中，分层是用红色标 识的。一些裂纹也能被观察到（图中用红色箭头 标识）。在上面的高通滤波图像中，一些更精细 的结构能被观察到（如裂纹是清晰可见的）。
裂纹
图像尺寸：10.9 mm × 10.6 mm
引线框的检测示例（二）
分层
分层 分层
分层导致了很强的超声波反射，在上面的C-Scan图像中明亮 的区域表示分层缺陷（用红色箭头标识）
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Plastic Encapsulated Integrated Circuits 塑封集成电路
Package Type： PLCC, PQFP, SOIC, TQFP, TSOP, PAKs 检查的失效类型： Non-bonded interfaces Die tilt or cupping or carcks Porous die attach Delaminations Lack or insufficient die attach Molding compound voids Package cracks (Popcorning) Lead frame delamination Encapsulant material characterization
样品一 Die上表面，在 图中明亮的区 域表示分层缺 陷（图中的红 色箭头所指） 样品二
分层缺陷位 置被红色标 识出来
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封装Die top分层示例（二）
样品三 Die top 局部区域放大图像
明亮的区域指示出分层缺陷（有很强的超声波反射信号），暗的区域是比较好的结合区域。
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封装Die top分层示例（二）
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IC 研究
分层
使用相位检测功能，上图中的红色区域 表示有分层缺陷
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连接线的分层
Bonding线 相位检测图像
图像尺寸：20.3 mm ×15.7 mm 在左图中，明亮区域指示出分层缺陷。 在右侧的使用相位检测功能得到的图像中，这些分 层缺陷自动用红色标识出。
A-Scan窗口
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X-Scan扫描方式对样品不同层面的观察
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半导体领域检测器件的检查项目图例(三)
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半导体领域检测器件的检查项目图例(四)
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半导体领域检测器件的检查项目图例(五)
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Defects in Wafer
晶片的缺陷
Package Type：
SOI, Silicon Nitride, Silicon Carbide, coated wafers, Bare silicon or GaAs wafers, Printed wafers
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封装Die top分层示例（五）
在Die top界面上，分层缺陷是上图 中显示的比较亮的区域（红色圆圈指 出的部分）
在Die top界面下，分层缺陷（箭头标 出）在上图中显示的比较暗的区域， 是由于超声波在分层缺陷界面上所留 下的底纹（阴影）
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封装Die top分层示例（六）
用伪着色和伪3D处理得到的图像，使得有缺陷的结构得到更强的对比效果
检查的失效类型： Non-Bonded wafers Micro-cracks Bump integrity Contamination (excess flux) Delaminations
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Wafer涂层上的分层缺陷（一）
第一层 (110ns深度) 第二层 (330ns深度) 第三层 (550ns深度)
Flip Chip Underfill
Flip Chip Interconnect Bonded Wafer Bonded Wafer
100-230 MHz
230-400 MHz 100-230 MHz 230-400 MHz
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半导体领域检测器件的检查项目图例(一)
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半导体领域检测器件的检查项目图例(二)