一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像方法及系統與流程
2024-04-13 01:35:05
1.本發明屬於微電子可靠性試驗與失效技術領域，更具體地，涉及一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像方法及系統。
背景技術：
2.超聲掃描顯微鏡掃描成像是對塑封集成電路電子元器件進行破壞性物理分析(dpa)的重要手段，其原理是利用材料內部組織因密度不同而對超聲波聲阻抗、超聲波吸收與反射程度產生差異的特點，由特定的聲學組件發射和接收高重複率的短超聲脈衝，聲波與被測樣品發生相互作用後，反射波被接收並轉換為視頻信號。要形成一幅聲學圖像，掃描機構需在樣品上方來回做掃描運動，樣品每一點反射波的強度及相位均被按順序同步記錄，並轉換為一定灰度值的像素點，顯示在高解析度顯示屏上。
3.超聲掃描可以對半導體器件內部的夾雜物、裂紋、空氣分層和空洞等缺陷進行無損檢測，實現對材料內部缺陷的定性與定量分析，是電子元器件破壞性物理分析(dpa)試驗中重要的一環。
4.常規的半導體器件超聲掃描需要調試聲波探頭的垂直位置以得到器件的反射波，再通過反射波波段選擇和對焦，實現對特定層界面的超聲波清晰成像。由於不同元器件的外部封裝尺寸、厚度和材料的不同，反射波出現的位置也差異很大，另外元器件內部結構不同，晶片層、粘接層、基板及引腳層與封裝上表面距離都會有差異，對這些特定界面進行超聲掃描時，需要大量反覆的選波段和對焦調試才能得到對應層面的清晰成像。根據元器件的不同以及操作員經驗能力的不同，整個調試過程耗時在數個小時至一天不等，時間成本很大，特別是對於需要對不同種類的元器件進行聲掃試驗時，時間成本巨大。
技術實現要素：
5.針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像方法及系統，旨在解決現有的半導體器件超聲掃描效率較低的問題。
6.為實現上述目的，一方面，本發明提供了一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像方法，包括以下步驟：
7.對待測集成電路電子元器件進行目檢，獲取待測集成電路電子元器件的厚度；
8.採用x射線對待測集成電路電子元器件進行側面掃描，對晶片或基板層進行定位，獲取封裝材料的厚度；其中，晶片或基板層與待測集成電路電子元器件的上表面之間採用封裝材料封裝；
9.根據待測集成電路電子元器件的厚度選擇換能器；
10.根據封裝材料和超聲波掃描測試介質，獲取封裝材料與測試介質中超聲波的傳播速度；其中，待測集成電路電子元器件在進行超聲掃描成像時置於測試介質中；
11.利用封裝材料的厚度、換能器的焦距、超聲波在封裝材料與測試介質中的傳播速度，根據超聲掃描成像原理，計算超聲波在晶片層或基板層成像時換能器探頭距待測集成
電路電子元器件上表面的高度；
12.根據探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度和待測集成電路電子元器件的厚度，計算探頭與測試介質底部之間的距離；
13.根據超聲波在封裝材料中的傳播速度和封裝材料厚度，計算超聲波在封裝材料中的渡越時間；
14.且根據超聲波在測試介質中的傳播速度和探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度，計算超聲波在測試介質中的渡越時間。
15.進一步優選地，探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度wp為：
16.wp＝f-d(c
tm
/cw)
17.其中，f為換能器的焦距；d為封裝材料的厚度；測試介質為純淨水；c
tm
和cw分別為超聲波在封裝材料和純淨水中的傳播速度。
18.進一步優選地，探頭與水槽底部之間的距離為：
19.l＝wp+t
20.其中，wp為探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度；t為待測集成電路電子元器件的厚度。
21.進一步優選地，超聲波在封裝材料中的渡越時間tof1為：
22.c
tm
*tof1＝d*2
23.其中，c
tm
為超聲波在封裝材料中的速度；d為封裝材料厚度；
24.超聲波在純淨水中的渡越時間tof2為：
25.cw*tof2＝wp*2
26.其中，cw為超聲波在水中的傳播速度；wp為探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度。
27.另一方面，本發明提供了一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像系統，包括：
28.顯微鏡，用於對待測集成電路電子元器件進行目檢，獲取待測集成電路電子元器件的厚度；
29.x射線檢測儀，用於採用x射線對所述待測集成電路電子元器件進行側面掃描，對晶片或基板層進行定位，獲取封裝材料的厚度；其中，晶片或基板層與待測集成電路電子元器件的上表面之間採用封裝材料封裝；
30.換能器，用於根據待測集成電路電子元器件的厚度選擇，用於對待測集成電路電子元器件進行超聲掃描成像；
31.物質聲阻抗表存儲模塊，用於存儲有物質聲阻抗表，根據封裝材料和超聲波掃描測試介質，獲取封裝材料與測試介質中超聲波的傳播速度；其中，所述待測集成電路電子元器件在進行超聲掃描成像時置於測試介質中；
32.測試介質槽，用於存儲有測試介質，提供超聲波測試介質環境；內置待測集成電路電子元件器；
33.數據處理模塊，用於利用封裝材料的厚度、換能器的焦距、超聲波在封裝材料與測試介質中的傳播速度，根據超聲掃描成像原理，計算超聲波在晶片層或基板層成像時換能器探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度；且根據探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度和待測集成電路電子元器件的厚度，計算探頭與測試介質底部之間的距離；
且根據超聲波在封裝材料中的傳播速度和封裝材料厚度，計算超聲波在封裝材料中的渡越時間；且根據超聲波在測試介質中的傳播速度和探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度，計算超聲波在測試介質中的渡越時間。
34.進一步優選地，探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度wp為：
35.wp＝f-d(c
tm
/cw)
36.其中，f為換能器的焦距；d為封裝材料的厚度；測試介質為純淨水；c
tm
和cw分別為超聲波在封裝材料和純淨水中的傳播速度。
37.進一步優選地，探頭與水槽底部之間的距離為：
38.l＝wp+t
39.其中，wp為探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度；t為待測集成電路電子元器件的厚度。
40.進一步優選地，超聲波在封裝材料中的渡越時間tof1為：
41.c
tm
*tof1＝d*2
42.其中，c
tm
為超聲波在封裝材料中的速度；d為封裝材料厚度；
43.超聲波在純淨水中的渡越時間tof2為：
44.cw*tof2＝wp*2
45.其中，cw為超聲波在水中的傳播速度；wp為探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度。
46.總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下
47.有益效果：
48.本發明提供了一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像方法及系統，通過對收集電子元器件破壞性物理分析(dfa)試驗中外部尺寸與x射線透射量測中的厚度尺寸及間距等參數指標，結合聲波探頭(即換能器)的焦距，計算出目標層清晰成像時聲波探頭的垂直位置；再結合超聲波掃描原理，計算表面波及晶片層反射波出現的大概位置，計算所得參數，對反射波波段進行選擇，從而實現超聲掃描顯微鏡迅速定位晶片內部特定層面的掃描成像，節省待測集成電路電子元器件進行dpa試驗中超聲掃描所需要的時間，提高了集成電路電子元器件dpa試驗中超聲掃描試驗效率。
附圖說明
49.圖1是本發明實施例提供的電子元器件超聲掃描工作原理的示意圖；
50.圖2是本發明實施例提供的超聲掃描波形產生示意圖；
51.圖3是本發明實施例提供的超聲掃描波形產生原理示意圖；
52.圖4是本發明實施例提供的x射線測量樣品相關距離參數；
53.圖5是本發明實施例提供的超聲掃描圖像及反射波形圖。
具體實施方式
54.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
55.一方面，本發明提供了一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像方法，其中，超聲掃描成像的工作示意圖如圖1所示，包括以下步驟：
56.s1：對待測集成電路電子元器件進行dpa常規試驗項目外部目檢，測量並記錄待測集成電路電子元器件的厚度，厚度為t，該數據也可參考其他表徵手段或器件資料獲得；
57.s2：在dpa常規試驗項目中採用x射線對待測集成電路電子元器件進行側面掃描，進而對晶片或基板等層面進行定位，測量並記錄層面到晶片上表面的距離d(封裝材料的厚度)；其中，晶片或基板等層面與待測集成電路電子元器件的上表面之間採用封裝材料封裝；待測集成電路電子元器件在進行超聲掃描成像時置於水槽底；
58.s3：根據待測集成電路電子元器件的厚度判斷使用合適頻率的換能器，找出換能器的焦距f，探頭頻率與焦距關係為已知，可通過設備廠家提供，如表1所示；
59.表1
60.頻率(mhz)焦距(mm)2520.03012.7809.01008.0
61.s4：根據待測集成電路電子元器件的封裝材料和超聲波掃描測試介質(通常為純淨水)，通過物質聲阻抗表，參考表2，查找出被測封裝材料與水中超聲波的傳播速度c
tm
、cw；
62.s5：利用上述待測集成電路電子元器件的層面到晶片上表面的距離、換能器的焦距、超聲波在被測封裝材料與水中的傳播速度，根據超聲掃面成像原理，基於公式(1)可以計算出利用超聲波在晶片層或其他界面成像時探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度wp；
63.wp＝f-d(c
tm
/cw)
ꢀꢀꢀ
(1)
64.結合樣品厚度，利用公式(2)得出設備探頭與水槽底部距離l；
65.l＝wp+t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
66.s6：根據超聲波在封裝材料中的速度c
tm
和封裝材料厚度d，根據公式(3)，計算出超聲波在封裝材料中的渡越時間tof1，即反射波波段出現的位置tof1：
67.c
tm
*tof1＝d*2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
68.根據超聲波在水中的傳播速度和探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度wp，根據公式(4)，計算出超聲波在水中的渡越時間tof2，即反射波波段出現的位置tof2；
69.cw*tof2＝wp*2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
70.反射波波段出現的位置整體公式為：
71.c*tof＝th*2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
72.其中，c代入cw和c
tm
、th代入wp和d可以分別計算出超聲波在材料中的渡越時間tof1，tof2，也即表面波與界面波反射波波段出現的位置；如圖2和圖3所示，在聲掃的反射波形圖中，掃描信號代表的是縱坐標實時超聲信號強度，能量單位為v，橫坐標代表樣品的渡越時間信息，單位為ns；
73.算出相應的測試條件，即設備探頭與水槽底部距離l、表面波與界面波反射波波段出現的位置tof1，tof2，即可以根據設定上述參數以進行待測集成電路電子元器件的超聲
掃描，省去大部分調試時間；即在水槽中放置待測集成電路電子元器件，使用對應的換能器，垂直調節換能器高度，使之與水槽底部距離l；在波形圖中選擇反射波波段，在tof1處定義表面波，tof2處定義被測界面層(如晶片層、基板層等)波段，對待測集成電路電子元器件進行掃描成像，根據圖像效果決定是否進行最後的微調，得到完整而清晰的界面聲掃圖像，從而判斷其是否存在分層空洞等缺陷。
74.另一方面，本發明提供了一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像系統，包括：
75.顯微鏡，用於對待測集成電路電子元器件進行目檢，獲取待測集成電路電子元器件的厚度；
76.x射線檢測儀，用於採用x射線對所述待測集成電路電子元器件進行側面掃描，對晶片或基板層進行定位，獲取封裝材料的厚度；其中，晶片或基板層與待測集成電路電子元器件的上表面之間採用封裝材料封裝；
77.換能器，用於根據待測集成電路電子元器件的厚度選擇，用於對待測集成電路電子元器件進行超聲掃描成像；
78.物質聲阻抗表存儲模塊，用於存儲有物質聲阻抗表，根據封裝材料和超聲波掃描測試介質，獲取封裝材料與測試介質中超聲波的傳播速度；其中，所述待測集成電路電子元器件在進行超聲掃描成像時置於測試介質中；
79.測試介質槽，用於存儲有測試介質，提供超聲波測試介質環境；內置待測集成電路電子元件器；
80.數據處理模塊，用於利用封裝材料的厚度、換能器的焦距、超聲波在封裝材料與測試介質中的傳播速度，根據超聲掃描成像原理，計算超聲波在晶片層或基板層成像時換能器探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度；且根據探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度和待測集成電路電子元器件的厚度，計算探頭與測試介質底部之間的距離；且根據超聲波在封裝材料中的傳播速度和封裝材料厚度，計算超聲波在封裝材料中的渡越時間；且根據超聲波在測試介質中的傳播速度和探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度，計算超聲波在測試介質中的渡越時間。
81.進一步優選地，探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度wp為：
82.wp＝f-d(c
tm
/cw)
83.其中，f為換能器的焦距；d為封裝材料的厚度；測試介質為純淨水；c
tm
和cw分別為超聲波在封裝材料和純淨水中的傳播速度。
84.進一步優選地，探頭與水槽底部之間的距離為：
85.l＝wp+t；
86.其中，wp為探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度；t為待測集成電路電子元器件的厚度。
87.進一步優選地，超聲波在封裝材料中的渡越時間tof1為：
88.c
tm
*tof1＝d*2
89.其中，c
tm
為超聲波在封裝材料中的速度；d為封裝材料厚度；
90.超聲波在純淨水中的渡越時間tof2為：
91.cw*tof2＝wp*2
92.其中，cw為超聲波在水中的傳播速度；wp為探頭距待測集成電路電子元器件上表
面的高度。
93.實施例
94.以某bga封裝的數字電路晶片為實例進行超聲掃描；
95.如圖4所示，通過外觀尺寸測量出該晶片厚度為t＝1.279mm；通過x射線檢查中側面掃描，得出晶片層到待測集成電路電子元器件表面的距離為d＝0.371mm；
96.根據待測集成電路電子元器件選擇某品牌超聲掃描設備80mhz換能參照表1換能器頻率及焦距規格，找出換能器的焦距f＝9.0mm；
97.待測集成電路電子元器件的封裝材料為環氧樹脂，其超聲波傳播速度c
tm
＝2830m/s，純水中超聲波傳播速度cw＝1500m/s；
98.代入公式(1)可以得出超聲波在晶片層成像時探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度wp＝8.30mm，公式(2)得出設備探頭與水槽底部距離l＝9.579mm；
99.將聲波在封裝材料中的速度c
tm
，純水中超聲波傳播速度cw分別代入公式(3)中c，探頭距待測集成電路電子元器件上表面的高度wp、以及晶片層面到晶片上表面的距離d對應分別代入公式(3)中的th，可計算出聲波在水中的渡越時間tof1＝11067ns，在樣品晶片上部塑封料中渡越時間tof2＝262.19ns；
100.放置待測集成電路電子元器件在聲掃水槽中，調整探頭垂直位置，使設備探頭與水槽底部距離l＝9.579mm，並選擇晶片層波段為表面波出現時間(即tof1)後262ns(即tof2)左右位置，掃描晶片區域得到圖像，再經過微調焦距和晶片層波段可得到清晰完整的晶片層圖像如圖5所示，此時可以看到實際tof1值為10993ns，tof2(即圖5中gate position)為251ns，與計算值誤差分別為0.7％和4％，接近計算值。由此證明本發明作為元器件快速進行超聲掃描方法的有效性。
101.綜上所述，本發明與現有技術相比，存在以下優勢：
102.本發明提供了一種精準定位晶片內部界面的超聲掃描成像方法及系統，通過對收集電子元器件破壞性物理分析(dfa)試驗中外部尺寸與x射線透射量測中的厚度尺寸及間距等參數指標，結合聲波探頭(即換能器)的焦距，計算出目標層清晰成像時聲波探頭的垂直位置；再結合超聲波掃描原理，計算表面波及晶片層反射波出現的大概位置，計算所得參數，對反射波波段進行選擇，從而實現超聲掃描顯微鏡迅速定位晶片內部特定層面的掃描成像，節省待測集成電路電子元器件進行dpa試驗中超聲掃描所需要的時間，提高了集成電路電子元器件dpa試驗中超聲掃描試驗效率。
103.本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。