Ведущий российский OEM производитель печатных плат
+7 (383) 209-02-84
многоканальный номер

Неразрущающие методы контроля качества монтажа полупроводниковых кристаллов и корпуса ИМС

26 января
В данной статье мы хотим раскрыть перед читателем новые возможности как традиционного метода неразрушающего контроля — лазерной микроинтерферометрии, так и уникального — лазерной фототермоакустической микроскопии.

Введение

Современные изделия электронной техники (ЭТ), микро- и наноэлектроники (МЭ, НЭ) представляют собой конструкции, состоящие из материалов с различными физическими, химическими и механическими характеристиками (кремний, алюминий, золото, нихром, медь и др.). Наличие технологических дефектов в исходных материалах, полуфабрикатах и изделиях, а также возникновение дефектов присоединении этих разнородных материалов на этапах сборочных операций (монтаж кристаллов и межсоединений, корпусирование) приводят к снижению эксплуатационной надежности изделий и ухудшению их технических характеристик. Ужесточение требований к качеству исходных материалов и технологических процессов изготовления разрабатываемых изделий ЭТ, МЭ и НЭ с целью расширения их функциональных возможностей, повышения технических и эксплуатационных характеристик стимулирует совершенствование традиционных и разработку новых методов неразрушающего контроля (НК).

Анализ традиционных методов диагностики

Традиционные методы исследования, такие как оптическая и электронная микроскопия, имеют ряд ограничений в области визуализации микрообъектов. Например, оптический и растровый электронный микроскопы обладают высокой разрешающей способностью, но они малопригодны для изучения внутренних областей непрозрачных материалов. Однако механические остаточные внутренние напряжения (ОВН) в монтажных конструкциях изделий ЭТ, МЭ и НЭ можно оценить (качественно и интегрально-количественно) по форме искажения профиля их планарной поверхности с помощью метода интерферометрии. 

рис.1.png

При наличии в монтажной конструкции равномерно распределенного механического ОВН сжатия искривление планарной поверхности полупроводникового (п/п) кристалла приобретает форму правильной сферической выпуклости (рис. 1а). Равномерно распределенное напряжение растяжения искривляет поверхность п/п кристаллов в обратную сторону. В данном случае образуется правильная сферическая вогнутость планарной поверхности (рис. 1б). Стрела прогиба прямо пропорциональна величине внутреннего напряжения:

r = m(l/2), (1)

где m — число интерференционных колец; l — длина волны излучения. В обоих этих случаях при равенстве модулей напряжения интерференционные картины идентичны, и кольца имеют вид правильных концентрических окружностей. Радиус кривизны определяется:

рис.2.png

R = ±(D 2/4ml), (2)

где D — диаметр бóльшего интерференционного кольца (рис. 2). Характер искривления поверхности ± (выпуклость/вогнутость) определяется эмпирическим путем по сбеганию/разбеганию интерференционных колец при незначительном увеличении пути пробега падающего светового пучка. Интегральная составляющая механических ОВН определяется по формуле:

s = (Ed)/[2(1–μ)R], (3)

где s — интегрированная величина механического напряжения; E — модуль упругости; d — толщина п/п кристалла; μ — коэффициент Пуассона. В случае деформации изгиба (рис. 1г), в отличие от вышеприведенных случаев, участки с выпуклым искривлением характеризуются приповерхностным напряжением растяжения, а с вогнутым искривлением — напряжением сжатия. Для анализа внутренней структуры изделий электронной техники применяются рентгено-телевизионные микроскопы. Однако при их использовании возникают сложности, связанные с расшифровкой получаемых изображений, а также с изучением слабоконтрастных объектов. Таким образом, всем перечисленным системам микроскопов присущ один общий недостаток — невозможность определения тепловых свойств микроструктур. Изучение тепловых свойств представляет большой интерес, поскольку оно дает новую информацию о составе и строении объектов. Потребность исследования тепловых свойств вещества в микромасштабах привела к созданию принципиально нового типа микроскопа — фототермоакустического, позволяющего существенно расширить и дополнить традиционные методы диагностики и контроля.

рис.3.png

Реализация лазерной фототермоакустической микроскопии

Принцип действия фотоакустического микроскопа основан на явлении генерации и распространения в объекте тепловых волн, возбуждаемых зондирующим лазерным излучением или электронным пучком, модулированными по интенсивности I0 (рис. 3). Поглощенное излучение Ia приводит к нагреву освещенной области и генерации периодических тепловых потоков Qs и Qg, распространяющихся соответственно в объекте и от его границы в окружающую газовую среду (рис. 3а). Решением уравнения термодиффузии, отвечающим данной ситуации, являются температурные волны, затухающие в е раз на длине распространения тепла μs,g в твердом теле и окружающей среде (рис. 3б и 5):

форм.4.png

где ks,g — теплопроводность; rs,g — плотность; сs,g — теплоемкость твердого тела и газа соответственно; w — угловая частота модуляции излучения. Вследствие периодического нагрева и тепловой деформации локальной области объекта в нем также возбуждаются и распространяются акустические волны той же частоты, что и температурные волны. 

рис.4.png рис.5.png

Это явление получило название фототермоакустического эффекта в твердом теле (рис. 4). Акустические колебания объекта регистрируются датчиком. Фотоакустический сигнал, снимаемый с датчика, для каждой выделенной области объекта зависит от ее локальных физических свойств.

При сканировании лазерным лучом в двух взаимно ортогональных направлениях формируется фотоакустическое изображение объекта, которое является следствием трех различных процессов:

• вариации поглощенной мощности излучения вследствие изменения от точки к точке оптических свойств объекта;

• взаимодействия температурных волн с тепловыми неоднородностями объекта;

• взаимодействия акустических волн с упругими неоднородностями объекта.

Первый процесс несет информацию только об абсорбционных и отражательных свойствах образца. При доминировании этого процесса фотоакустическое изображение по существу идентично оптическому изображению. Разрешающая способность определяется диаметром зондирующего луча, а глубина визуализации подповерхностной структуры — глубиной проникновения фотонов. Второй процесс не встречается ни в оптической, ни в акустической микроскопии и характеризуется переходом к новому типу волн, взаимодействующих с микронеоднородностями объекта и определяющих формирование изображения. Такой переход дает качественноновую информацию и позволяет существенно расширить наши познания о физических свойствах материалов. Определяется этот процесс термическими свойствами объекта:

• теплопроводностью;

• температуропроводностью: bs = ks /(rs cs); (5)

• коэффициентом теплового расширения ats.

Несмотря на сильное затухание, например, для меди 2 мм ≥ μs ≥ 2 мкм, при изменении частоты модуляции в диапазоне 10 Гц … 10 МГц (рис. 5) температурные волны обладают характеристиками обычных волн, и поэтому их взаимодействие с тепловыми неоднородностями твердого тела, по аналогии с оптическими и акустическими волнами, можно рассматривать как процессы рассеяния и отражения. Для используемых частот модуляции (до 10 МГц) акустические волны, генерируемые наряду с температурными, являются более длинными по сравнению с толщиной объекта, они не взаимодействуют с объектом и служат лишь носителями информации, полученной за счет распространения температурных волн. Микроскоп, изображение в котором формируется, главным образом, вследствие взаимодействия температурных волн с тепловыми неоднородностями объекта, наряду с определением «фототермоакустический» получил еще одно название — термоволновой микроскоп (ТВМ). Разрешающая способность ТВМ зависит от размера зондирующего луча, а также величины μs и определяется большим из этих двух параметров, а глубина визуализации оценивается значением μs. Третий процесс несет информацию о механических параметрах объекта. Его необходимо учитывать, если длина акустической волны того же порядка, что и размеры неоднородностей в объекте (обычно это происходит на частотах модуляции, превышающих 100 МГц).

При определяющем вкладе данного процесса фотоакустическое изображение идентично акустическому, а разрешающая способность имеет порядок длины звуковой волны. Акустические методы диагностики — акустическая микроскопия (АМ), сканирующая лазерная акустическая микроскопия (СЛАМ) и фототермоакустическая микроскопия (ФАМ) — наиболее перспективны при контроле контактных микросоединений в изделиях микроэлектроники и электронной техники, как на этапе разработки, так и в их производстве. В акустической микроскопии и сканирующей лазерной микроскопии первичную информацию можно получить в результате генерации, взаимодействия и приема чисто акустических колебаний, а в лазерной фототермоакустической микроскопии она возникает при оптическом взаимодействии импульсного лазерного излучения с поверхностью твердого тела. Амплитуда генерируемых акустических колебаний в ФАМ определяется, вопервых, коэффициентом оптического поглощения лазерного излучения в каждой точке поверхности сканируемого объекта и, вовторых, мощным фоновым сигналом, который возникает вследствие удаления с поверхности объекта различных окислов и загрязнений при первичном сканировании лазерным лучом. Однако оптические, акустические и фоновые составляющие принимаемого фотоакустического сигнала создают на результирующей то пограмме достаточно сложные изображения, для расшифровки которых требуется опыт и специальные методические разработки. Цель всех методов регистрации — получение достоверной информации о теплофизических неоднородностях объектов путем обработки параметров электрических сигналов (амплитуды, фазы, времени задержки, спектра сигналов и координат положения вспомогательного лазерного луча) и далее — получение изображения, доступного интерпретации. Лазерная фототермоакустическая микроскопия имеет следующие преимущества перед акустической и сканирующей лазерной акустической микроскопией:

• Сканирование объектов сложной конфигурации и относительно больших площадей вследствие бесконтактного возбуждения акустических колебаний в твердом теле сфокусированным лучом лазера.

• Так как фотоакустический сигнал зависит от величины оптического поглощения сканируемой поверхности — одновременное получение топограмм распределения оптического поглощения и видеоспектральных

топограмм поглощения при использовании лазера с перестройкой по длине волны.

• Упрощение конструкции и методики исследования, так как не требуется применение иммерсионного контакта акустической части с объектом, как в конструкциях АМ и СЛАМ, что в случае применения АМ значительно ограничивает площадь сканирования (не более 2×2 см), а для СЛАМ требует полного погружения объекта в ванну с жидкостью. Хотя все три метода контроля контактных микросоединений (ФАМ, АМ и СЛАМ) могут дать в известных пределах идентичные результаты, однако лазерный фотоакустический

метод предпочтителен благодаря перечисленным преимуществам. Для контроля качества и диагностирования скрытых дефектов неразъемных соединений в изделиях ЭТ, МЭ и НЭ в УП «КБТЭМ-СО»

рис.6.png

разработаны и активно используются лазерный микроинтерферометр (рис. 6а) и комплекс лазерного фототермоакустического диагностирования (рис. 6б). Основные технические характеристики комплекса лазерного фотоакустического диагностирования:

• увеличение геометрическое, крат — от 1:1 до 2500:1 на экране монитора 19×;

• число градаций отображаемого параметра — 16;

• максимальное поле сканирования — 100×100 мм;

• размеры образца — до 10 мм (микросканирование) и до 65 мм (макросканирование);

• пространственная разрешающая способность — 0,5–100 мкм;

• чувствительность к нарушению сплошности структуры — до 10 нм;

• число строк сканирования — 256.

Обработка параметров электрического сигнала обеспечивает возможность получения достоверной информации о неоднородностях внутренней структуры исследуемого объекта. 

рис.7.png

Для интерпретации результатов контроля данная информация визуализируется в виде цветной 16градационной двумерной фотоакустической топограммы, на которой уровень максимальной сплошности (диффузия, адгезия, смачиваемость) материалов представлен черным цветом, а по мере увеличения несплошности (расслоения, полости, инородные включения) цветовая гамма меняется вплоть до белого цвета, проходя все цветовые оттенки, показанные на шкале (рис. 7). Комплекс лазерного фотоакустического диагностирования позволяет производить диагностику и неразрушающий пооперационный контроль качества:

• присоединения кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем к основанию корпусов и кристаллодержателей с применением эвтектики, припойных и клеевых композиций;

• микросварных соединений золотой, алюминиевой, медной проволокой и проволокой из других материалов методами термозвуковой, термокомпрессионной, ультразвуковой микросварки;

• сварных и паяных швов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем;

• герметизации интегральных микросхем различными пресс-компаундами;

• монтажа электронных компонентов на различные подложки (SMD, COB);

• адгезии металлизированных покрытий к различным подложкам.

Экспериментальная часть

рис.8.png

При анализе причин параметрического отказа исследуемой интегральной микросхемы (ИМС) была получена лазерная интерферограмма (рис. 8) диагностируемого полупроводникового кристалла (9×8,5 мм). При качественном соединении кристалла с подложкой лазерная интерферограмма имеет вид симметричных концентрично расположенных колец. Всякий дефект в зоне спая/склейки кристалла с подложкой приводит к образованию асимметричных интерференционных полос с увеличением плотности их распределения в зоне с повышенной деформацией и наоборот. Расшифровка лазерной интерферограммы позволила реализовать матрицу деформации с последующим построением 3D-модели профиля деформированной планарной поверхности п/п кристалла (рис. 9). 

рис.9.png

Расчет максимального интегрированного остаточного механического напряжения структуры кристалла, вычисленного по концентрации интерференционных колец (рис. 8), не выявил критических напряжений разрушения, которые для кремния равны smax растяжения ≈ 90 МПа; smax сжатия ≈ 190 МПа, однако на участках с отрицательной кривизной (рис. 9, показано белыми стрелками) имеют место напряжения растяжения, способствующие возникновению концентраторов напряжения, вызываемых реальными дефектами кристалла, которые приводят к возникновению трещин и выколов во время монтажа проволочных межсоединений и корпусирования, что в дальнейшем резко снизит эксплуатационную надежность ИМС. На рис. 10 приведена грубая схема траекторий напряжений в равномерно растянутом стержне, содержащем трещину. На схеме видно, что атомы, изменяя свое положение под действием растягивающего напряжения, как бы тянут друг друга в стороны. Расчет коэффициентов концентрации напряжений, перпендикулярных плоскости трещины (параллельно приложенной растягивающей силе) длиной 2 мкм с радиусом кончика, равным 1 Å, показал, что максимальная величина концентрации напряжения может достигать величины 200 (рис. 11). Силы, которые стремятся разорвать материал, раскрывая трещину, очень велики, особенно в области, вплотную примыкающей к кончику трещины, и даже при небольших растягивающих усилиях могут приводить к разрушающим последствиям.

рис.10.png

      Лазерное фотоакустическое сканирующее зондирование выявило неоднородности в адгезионном слое монтажной конструкции, которые были зарегистрированы на топограмме в центральной области кристалла и по его краям (рис. 9), что хорошо согласовывается с результатами лазерной интерферометрии. Несплошность адгезионного слоя, согласно анализу лазерной фотоакустической топограммы, выступает как на уровне неравномерного взаимодействия адгезива с монтажными поверхностями, что связано с наличием поверхностных локальных загрязнений монтажных поверхностей и градиентом их поверхностной активности, так и на уровне отсутствия адгезии в центральной части п/п кристалла и по его периметру, что может быть вызвано неравномерным распределением адгезива в монтажной конструкции из-за неправильного его нанесения (неточная дозировка, недостаточное количество точек нанесения). Нельзя также исключать из списка влияющих факторов физико-химические свойства адгезива, геометрические особенности подложки (отклонение от плоскостности) и специфику технологического процесса.

Заключение

Средствами лазерной фотоакустической микроскопии и лазерной интерферометрии в адгезивном слое монтажной конструкции параметрически отказавшей ИМС обнаружены несплошности, которые стали причиной возникновения в п/п кристалле областей с механическими остаточными внутренними напряжениями растяжения (рис. 9, показано стрелками). 

рис.11.png

Исследования и расчеты показывают, что при наличии в материале внутренних напряжений растяжения возле дефектов возникают концентраторы напряжений. Значение коэффициента концентрации достигает величины 200 (рис. 11). Это говорит о том, что при появлении даже минимальных внутренних механических напряжений растяжения (≥0,45 МПа) в области дефектов возникают сверхкритические растягивающие напряжения разрушения (≥90 МПа), ухудшающие эксплуатационную надежность изделий и зачастую несовместимые с их функционированием.