倒裝芯片焊點缺陷無損檢測技術

倒裝芯片技術因其高封裝密度和高可靠性等優勢，已成為微電子封裝的主要發展方向。然 而，隨著倒裝芯片焊點尺寸和間距迅速減小，焊點往往容易出現裂紋、空洞、缺球等微缺陷，嚴重 影響芯片性能并導致芯片失效。因此，對倒裝芯片進行缺陷檢測以提高電子封裝的可靠性至關重要。無損檢測技術作為工業領域一種重要的缺陷檢測手段，已被成功應用于檢測焊點缺陷，常用方法包 括光學檢測、熱紅外檢測、X 射線檢測、超聲檢測、振動檢測等。分別闡述了以上無損檢測方法的 原理及其在焊點缺陷檢測領域應用的主要成果，并總結了無損檢測方法的優缺點。

與傳統的引線鍵合相比，倒裝芯片技術具有高 I/O 計數、短互連長度及小互連電阻等優點，能夠更好 地滿足微電子制造集成化和小型化的需求。然而，隨 著倒裝芯片趨于超細間距和高密度化，容易引發芯片 可靠性問題。焊點服役環境主要包括冷熱循環、電 壓電流負載等，冷熱循環會導致熱失配變形，進而產 生熱疲勞，而電壓電流負載會引起電遷移現象，導致 芯片性能下降甚至失效。焊點作為芯片應力-應變響 應的主要集中區域，是最易損壞的結構之一，芯片可 靠性與焊點失效密切相關。因此，焊點的缺陷檢測對 于提高倒裝芯片的可靠性非常重要。 

針對芯片焊點的缺陷分析，有多種不同的檢測方 法可供選擇。電氣測試是其中常用的一種檢測方法， 通過對芯片進行電性能測試，以檢測芯片是否存在焊 點缺陷和功能故障。此外，功能測試、剪切測試、橫截 面法等破壞性方法也被廣泛應用于芯片焊點的缺陷檢測。這些方法雖然在一定程度上能夠有效地檢測 芯片缺陷，但也存在一些局限性，例如微裂紋缺陷可 能在初始階段并不影響芯片的電性能測試結果，導 致電氣檢測方法會忽略部分裂紋的存在。并且，傳統 的接觸檢測方法還存在受檢測人員手動操作的影響、 檢測效率低且精度低等問題，無法滿足電子行業的檢 測需求。相比之下，無損檢測方法可以彌補傳統方法的不足，其通過非破壞性手段獲取芯片內部結構，有 助于檢測隱蔽的缺陷，提高檢測效率與可靠性。因此， 對倒裝芯片焊點缺陷進行無損檢測至關重要。 

目前，無損檢測技術在焊點檢測方面已得到了廣 泛應用，包括光學檢測、紅外熱成像技術、X 射線檢測、 超聲檢測和振動檢測。傳統光學檢測的光線難以直接 照射到焊點區域，不適用于封裝芯片的檢測。然而，通 過將光學檢測與其他技術結合，使其得到了進一步的 發展，例如光聲成像是一種新型的混合技術，其結合 了光學成像的高對比度和超聲成像的深穿透能力，可 以實現非侵入性可視化檢測，能夠克服深度限制并實 現高空間分辨率。紅外熱成像技術通過測量芯片表面 的溫度變化來進行焊點檢測。LU 等提出一種基于脈 沖相位熱成像的焊點缺陷識別方法，能夠有效檢測高 密度封裝中的焊點，但硅材料的高熱導率和熱擴散率 不利于準確測量溫度分布情況，紅外熱成像技術有待 進一步改善。X 射線能夠穿透材料并檢測焊點是否存 在裂紋、空洞等缺陷，但其檢測采集速度低、存在大量 有害輻射，并且無法確定缺陷的深度。而超聲波 C 掃 描技術可在檢測焊點缺陷的同時提供關于缺陷位置 和深度的詳細信息，彌補了 X 射線的不足，但超聲檢 測本身也存在掃描時間長、需要耦合劑覆蓋芯片以及 圖像邊緣模糊的缺點。由于上述方法的局限性，許多學者 針對振動檢測技術開展了大量研究。LIU 等將激光 超聲和干涉儀應用于倒裝芯片焊點的質量檢測，為之 后激光超聲在半導體領域的廣泛應用奠定了基礎。本 文分別概述了上述無損檢測方法的原理，并介紹其在 焊點缺陷檢測領域取得的主要成果，總結并分析各種 無損檢測方法的特點，為芯片的無損檢測提供參考。 

隨著焊點尺寸的不斷減小，熱應力和電流密度迅 速增加。熱疲勞和電遷移是導致焊點失效的常見因 素，可能產生的缺陷包括缺球、空洞、裂紋等，典型的焊 點缺陷類型如圖 1 所示，這些缺陷將嚴重影響焊點的 穩定性與可靠性。在后固化熱循環期間，芯片和基板 之間的熱膨脹系數不匹配，引起熱失配變形，在焊點 處產生較高的應力和應變，導致焊點熱疲勞失效。目 前已有許多學者從底部填充、基板柔性、焊點材料等角度研究了熱疲勞可靠性的改進方法。針對倒裝芯片焊點，由于焊點的橫截面遠大于互連線的橫截 面，在焊點與導線接觸處會發生電流擁擠，導致電遷移失效。由于陰極處的電流密度較高，金屬原子迅速 遷移至陽極處，導致陰極區域產生空洞。此外，電遷移 還會引起焦耳熱過大，導致焊料合金局部熔化。為了 提高焊點穩定性，需要研究結構幾何形狀和材料特性等因素的影響。

目前，耦合條件下的焊點可靠性受到了廣泛關注。李勝利等[26]研究了在極端熱沖擊和電流密度耦 合條件下 Sn3.0Ag0.5Cu（SAC305）焊點的失效機理， 回流焊后的焊點微觀組織形貌如圖 2 所示。

當沖擊次數達到 35 次時，兩側焊點的微觀結構如 圖 3 所示。圖 3（a）為電遷移測試樣品示意圖，箭頭指 示電子運動方向。圖 3（b）為左側焊點失效圖，由圖 3 （b）可知，陰極處由于 Sn 原子擴散導致電阻率增加， 產生了大量焦耳熱，導致 Cu 焊盤即將熔斷；陽極處有 大量界面金屬間化合物（IMC）Cu6Sn5 堆積，不同材料 間的熱失配會引起應力集中，導致焊點處產生貫穿裂 紋。圖 3（c）為右側焊點失效圖，由圖 3（c）可知，陽極輸 入端拐角處出現電流擁擠，導致焊盤嚴重溶解；陰極 處存在大量 IMC Cu6Sn5，其和 Cu 基板之間同樣存在 裂紋，最終導致焊點失效。 

缺球缺陷通常是由于在組裝之前未放置焊點，以 及在組裝和運輸過程中，焊點由于外部載荷和內應力 而分離，將直接導致芯片側與基板之間的機械和電氣 互連失效。為了避免缺球缺陷，常見的方法是使用底 部填充物填補芯片側和基板之間的間隙，以提供更穩 固的機械支撐，并能夠抑制熱疲勞失效。 

隨著集成電路的迅猛發展，芯片尺寸進入亞微米 和納米級，對微小缺陷的檢測精度提出了更高的要 求。目前針對倒裝芯片焊球缺陷的檢測方法已相對成 熟，可分為接觸式和非接觸式方法。接觸式方法包括 功能測試、電氣測試、剪切測試等，雖然可以提供有關 焊點質量的直觀信息，但存在無法定位缺陷、檢測不 夠全面、損壞試樣等限制。因此，在實際使用中常使用 非接觸式無損檢測方法，包括光學檢測、熱紅外檢測、 X 射線檢測、超聲檢測及振動檢測等。 

非接觸式無損檢測方法包括光學檢測、紅外熱成像、X 射線檢測、掃描聲學顯微鏡和振動檢測技術，這 些技術是指利用光、紅外、X 射線、超聲波、電磁等原 理，對試件的內部結構進行評估和檢測。無損檢測技 術是最常見且有效的缺陷檢測方法，在現代工業領域 發揮著重要作用。此外，無損檢測方法可用于倒裝芯 片的整體測試，包括對材料、工藝和最終產品的全面檢測，以提高倒裝芯片的可靠性。

2.1 光學檢測 

光學視覺檢測方法主要可以分為光學 2D 視覺檢 測和 3D 結構光視覺檢測。光學 2D 視覺檢測通過高性 能相機來捕捉被測物體圖像，具有操作簡便、成本較 低的優點，但其受到視野范圍限制，無法直接提供關 于焊點內部結構的詳細信息。3D 結構光視覺檢測基 于三角測量原理，能夠獲取物體的 3D 形狀和深度信 息，與共聚焦激光掃描顯微鏡、原子力顯微鏡等 3D 顯 微成像方式相比，該技術具有較高的成像速度。 

數字光處理（DLP）技術是結構光 3D 成像中最為 流行的一種調制技術，具有可編程、靈活性強、清晰度高等優勢。YEN 等使用基于 DLP 的相移技術搭建了針對倒裝芯片焊點的三維測量系統，如圖 4 所示。該測量系統能夠快速、高精度地實現焊點的三維測量。VARGAS 等利用格雷碼和相移措施來提高成像系統的動態范圍，實現了對集成電路的密集 3D 測量， 該方法適用于微芯片的在線快速檢測。以上檢測方法 只適用于未封裝的芯片，對于已封裝的芯片，可使用內表面光學檢測技術。該技術借鑒了醫學內窺鏡檢查的原理，通過特殊的光學系統設計，可以實現對倒裝芯片焊點完整性的檢測。

光學目視檢測主要用于在倒裝焊點接合前，檢測 其外表面的完整性、一致性，識別可能存在的空洞、畸 形及不對中缺陷。此外，光學檢測還適用于檢測圓周 邊緣中焊點的缺陷。然而，隨著倒裝芯片向高密度方 向發展，焊點檢測變得更加困難。由于倒裝芯片的焊 點位于芯片底部，與 PCB 的接觸面不可見，不透明的 物體給光學檢測帶來了很大困難。同時，焊點材料具 有較高的反射和散射特性，會影響光學檢測的精度與 準確性。因此，在實際生產中，更常使用 X 射線檢測、 紅外熱成像和聲學顯微鏡成像技術進行缺陷檢測。 

2.2 紅外熱成像技術 

紅外熱成像技術基于熱輻射現象，物體在不同溫 度下會發射出不同強度和頻率的紅外輻射，通過顯微 紅外熱像儀檢測物體的紅外輻射來獲取溫度分布信 息，并生成相應的熱圖像。紅外熱成像技術可分為主 動和被動 2 種方式。被動紅外熱成像技術利用物體自 身的溫度變化來進行成像，但在實際檢測中，由于試 件的內部結構和缺陷一般不會改變其表面溫度，因此 常使用主動紅外熱成像技術。主動紅外熱成像技術通 過施加熱激勵，更容易檢測出芯片內部缺陷。 

紅外熱成像技術具有方便快速、靈敏度高、溫度 測量范圍廣等優點，被廣泛應用于倒裝芯片焊點缺 球、裂紋缺陷的檢測，分辨率可達微米級，圖 5 為采用主動紅外熱成像技術檢測倒裝芯片焊點缺陷示意 圖。MAIK 等針對焊點熱循環失效問題，采用紅外熱 成像技術測定倒裝芯片焊點的熔化和凝固溫度，證明 了該技術測量焊點的準確性。ZHAO 等利用主動紅 外熱成像技術檢測已封裝芯片，結果表明，缺球缺陷 會阻礙垂直熱傳導，導致倒裝芯片熱圖中出現溫度分 布異常。CHAI 等對倒裝芯片施加電流，焊點裂紋的 存在會導致焊點接觸不良，由于電阻增大會促使局部 溫度升高，因此通過紅外熱成像技術能夠預測焊點裂紋的位置。

紅外熱成像技術易受到環境反射、發射率變化、 不均勻輻射、固定模式噪聲等因素的強烈影響，導致 其信噪比和像素分辨率下降，影響缺陷檢測的準確率。為解決該問題，需要將先進的數據處理方法應用 于紅外熱成像技術以提取有用信息，例如脈沖相位熱 成像、主成分熱成像、偏最小二乘熱成像等。智能診 斷方法在倒裝芯片焊點缺陷檢測領域也發揮了重要 作用。HE 等采用移動平均技術處理溫度曲線以去除 峰值噪聲，通過主成分分析法重構熱圖像，從而清晰 地識別出缺球缺陷，并結合概率神經網絡實現了缺陷 的智能識別。 

盡管紅外熱成像技術展現出很大優勢，但仍存在 一些不足。紅外熱成像技術受到紅外波長限制，對識 別微缺陷造成挑戰，并且其空間分辨率隨成像深度的 增加而降低，導致更深處的結構出現成像模糊問題。此外，在采用主動紅外熱成像技術檢測時，熱傳播可 能會導致試樣損壞。 

2.3 X 射線檢測 

X 射線檢測技術主要分為 X 射線照相和 X 射線 計算機斷層掃描 2 種檢測形式。X 射線照相技術利用射線穿透物體并傳輸到探測器上，由于芯片結構不 同位置的厚度與材料有所差異，射線會產生不同程度 的衰減，這些差異最終在探測器上形成二維圖像。計 算機斷層掃描（CT）技術通過多次旋轉被測物體并將 獲得的多個斷面圖像進行三維重建，能夠提供詳細三維結構信息。 

現代 X 射線照相技術能實現高分辨率成像，在垂 直方向上表現出良好的缺陷檢測性能。CHIU 等利用X 射線檢測來研究倒裝芯片焊點在電遷移過程中 空洞的形成和傳播機制，清楚地觀察到各個階段的空 隙形狀。微焦點和納米焦點 X 射線系統的分辨率能夠 達到亞微米級別，被廣泛用于集成電路封裝的缺陷檢測。然而，由于這種成像方式是在二維平面上進行的，無法完全檢測出焊點空洞、裂紋等缺陷，需要根據 實際情況進行參數調整、角度傾斜等操作，以獲取更 全面的信息，導致成像過程較為復雜。 

相比之下，利用 CT 技術進行切片分析，能夠更清 晰、直觀地檢測倒裝芯片焊點缺陷，分辨率可達亞微 米級別。TIAN 等研究電遷移引起的可靠性問題，定 量測量出三維圖像中倒裝芯片焊點空洞的形貌變化。GAO 等利用三維 X 射線顯微技術研究不同焊點在 熱循環過程中的失效機制，檢測到了焊點擠壓和疲勞 裂紋 2 種失效模式。BARIK 等利用 CT 技術跟蹤焊 點在焊接過程剛結束后的演變情況，以觀察焊點內部 缺陷的演變過程。為了實現極高的空間分辨率，一種 名為 X 射線計算機斷層掃描（PXCT） 的技術應運而 生，該技術將相干衍射成像方法（Ptychography）與 CT 技術相結合，圖 6 為 PXCT 幾何結構的布局示意圖， 該技術的分辨率能夠達到幾納米范圍，已被應用于 大體積的集成電路成像。

X 射線檢測技術具有靈敏度高、穩定性高、適用性 廣等優點，在半導體行業的缺陷檢測中具有獨特優勢。但斷層掃描技術存在建模時間長的缺點，無法滿 足批量檢測的需求。此外，X 射線會產生電離輻射，會對人體造成危害，因此在使用時需要采取適當的防護 措施。

2.4 掃描聲學顯微鏡 

掃描聲學顯微鏡（SAM）利用壓電換能器產生超 聲波脈沖，并將其發送到樣品中，聲波在內部各材料 交界面處發生反射、折射和散射。SAM 的掃描工作模 式被分為 A 掃描、B 掃描和 C 掃描。A 掃描可以顯示 在單個點處從內部結構反射的信號，通過分析波形可 以得到缺陷的位置和大小；B 掃描由同一截面的 A 掃 描信號按空間順序排列形成，能夠反映缺陷的位置和 形狀；C 掃描是對樣品整個平面的所有截面進行移動 掃描，取其中某一深度的截面進行成像，可以直觀地 觀察到樣品內部缺陷。SAM 通過不同頻率的超聲波來 實現不同的檢測深度和分辨率，頻率在 100 MHz 以上 的 SAM 能夠提供高軸向、高橫向分辨率以及適中的穿透深度。 

高頻超聲技術在倒裝芯片焊點缺陷檢測領域已 得到廣泛應用，圖 7 為 SAM 檢測示意圖。陸向寧等針對通過 SAM 獲取的芯片圖像的空間分辨率受超聲 波頻率與穿透深度限制的問題，提出一種基于稀疏表 示的圖像超分辨率重構方法，提高了倒裝芯片焊點缺 陷檢測的準確率。WANG 等利用 SAM 檢測倒裝芯 片，并對圖像中的焊點進行了分割與分類處理，證明 了廣義回歸神經網絡在芯片缺陷檢測領域的可行性。FAN 等將模糊支持向量機算法應用于倒裝芯片焊 點的分類與識別，實現了較高的識別精度。SAM 是一種可以有效檢測芯片焊點缺陷的方法。即使缺陷尺寸小于檢測分辨率極限，高頻超聲仍然可 以有效地檢測出材料中的空隙，這是因為空隙中充滿 了氣體，其聲阻抗與固體材料存在顯著差異，導致超 聲波到達空隙時會發生反射，從而導致信號出現明顯的變化。

然而，SAM 方法依賴于超聲波換能器，需要耦合 劑來填充換能器與芯片間的空隙，以消除由于空氣存 在導致的聲阻抗差異。常用的耦合劑包括水和超聲凝 膠，可能會損壞芯片，因此在工業應用中并不理想。此外，由于超聲波的波動特性，換能器的焦點大小與 波長相當，大約為數十微米，而成像系統的掃描步長 可以被設置得更小，導致微小缺陷的反射回波在焦點 平面內擴散，因此缺陷的 C 掃描圖像通常會出現邊緣 模糊的情況，降低了缺陷檢測的精度。 

2.5 振動檢測技術 

激光多普勒測振法基于多普勒效應，通過測量物 體振動時的反射激光頻率變化，可以得到物體的振動 速度與位移。焊點缺陷的存在會改變封裝的邊界條件 或剛度，從而改變振動響應。激光多普勒測振法具有 高分辨率和靈活性的特點，已被廣泛應用于電子封裝領域。振動檢測技術可以使用多種激振方式，激光超 聲技術和超聲激勵技術是 2 種常用的有效方法。 

激光超聲技術通過脈沖激光聚焦在芯片表面，在 封裝中產生超聲波，其傳播導致封裝振動，使用激光多普勒測振儀測量芯片表面的瞬態平面外位移。由于 缺陷的存在會引起結構振動的變化，將被測芯片的振 動響應與已知良好參考芯片的振動響應進行比較，可 以評估芯片的封裝質量。已有許多基于激光超聲技 術的振動分析系統被成功用于倒裝芯片焊點缺陷的檢測。典型的基于激光超聲技術的激光超聲干涉檢 測系統如圖 8 所示。激光超聲技術無需進行全場掃描， 僅需在幾個特定的檢測點處采集信號，即可精確地確 定內部缺陷的位置和性質。局部檢測的優勢是能夠在很大程度上節省時間與成本，從而提高檢測效率。為了提高檢測分辨率，可以增加檢測點的數量，其精 度最高可達亞微米級。

超聲激勵技術通過信號發生器發出激勵信號，信號經功率放大器后被傳輸到電容式空氣耦合超聲換能器，產生的超聲波聚焦在芯片表面引起振動，基于超聲激勵技術的檢測系統如圖 9 所示。與激光超聲技術相比，超聲激勵技術具有較窄的帶寬，可以將激勵 能量集中在測試所需的頻率范圍內，從而有助于提 高信號的質量和分辨率。此外，激光超聲技術中使用 的高功率脈沖激光可能會導致芯片損壞，并且對人眼 存在安全風險，而超聲激勵技術能夠避免上述問題， 彌補激光超聲技術的不足。相較于其他無損檢測方法，超聲激勵技術具有高靈敏度、高分辨率、快速實時及無損傷性等綜合優勢， 在倒裝芯片焊點檢測領域有巨大應用前景。

目前的檢測系統通常包括數據采集、數據分析和 數據處理等主要環節。數據處理是減少數據噪聲、提 高信號質量的重要步驟，如稀疏重構、流形學習等，能 夠有效增強信號。數據處理還可通過提取信號特征實 現缺陷分類，常用的分類算法有支持向量機、神經網 絡算法等。傳統檢測手段需要以人工方式來識別缺 陷，但隨著芯片產量和檢測精度的不斷提高，傳統人 工檢測已經難以滿足現代工業的檢測需求。 

隨著人工智能技術在數據處理領域的迅速發展， 智能算法表現出強大優勢，能夠快速、高效地完成缺 陷檢測。例如，在基于超聲激勵技術的倒裝芯片缺陷 檢測中，許多智能算法已被成功用于量化倒裝芯片中 由焊點未對準、缺失、裂紋引起的振動響應變化，例如 知識蒸餾、遺傳算法、深度森林等算法，實現了對倒裝芯片焊點缺陷的精準識別與分類。 

隨著倒裝芯片的封裝密度日益增大，需要進一步 開發出速度更快、精度更高且成本更低的高分辨率檢 測方法，例如考慮使用混合原理方法（如光聲遙感顯 微鏡），該方法可以消除超聲成像對耦合劑的需求，具 有高深度分辨率、高靈敏度和大視野范圍等優點，并能夠實現快速成像。此外，在保證檢測質量的前提 下，可以尋求硬件優化，同時開發智能算法以降低硬 件成本并提高檢測系統的性能。倒裝芯片焊點無損檢 測方法的優缺點如表 1 所示。

焊點是倒裝芯片中最易損壞的結構之一，其缺陷 檢測對于提高芯片可靠性至關重要。本文闡述了各種 無損檢測方法及其應用于焊點缺陷檢測領域取得的 主要成果，以及這些方法的優點和局限性。所有檢測 方法都是通過與焊點內部缺陷的相互作用來實現的， 并且能夠有效地檢測空洞、裂紋、缺球和分層等缺陷。 

由于倒裝芯片向超細間距和高密度方向不斷發 展，需要檢測的速度更快、精度更高、分辨率更高、成本 更低，因此可考慮使用光聲遙感顯微鏡等混合原理新 方法來消除現有檢測技術的局限性，也可以通過優化 硬件的方式來提升速度。同時，各種有效的數字處理 方法也能夠幫助提高檢測效率和檢測精度。 

超聲激勵技術的精度可達亞微米級，在微結構檢 測方面表現出強大的競爭力。并且，相較于紅外熱成 像、X 射線、SAM、激光超聲技術仍有可能會對芯片本 身或人體造成損傷，超聲激勵技術可實現真正的安全 無損檢測。因此，超聲激勵技術是一種理想的倒裝芯 片缺陷檢測方法，具有廣闊的發展前景。