© 2012由Elsevier B.V.出版。信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取IERI Procedia 1（2012）87 - 932012第二届机械、工业与制造工程国际会议基于振动和模态分析的倒装芯片故障诊断Miao Zeng，Junchao Liu，Xuekun Zhang，Tielin Shi，and Guanglan Liao*华中科技大学数字化制造装备与技术国家重点实验室，武汉，中国摘要随着倒装芯片封装技术在微电子封装工业中的广泛应用，倒装芯片焊点的检测越来越受到重视。针对倒装焊中的典型缺陷--焊球缺失，提出了一种基于超声激励和模态分析的无损检测方法。建立了具有阵列焊点的倒装芯片模型，研究了焊点缺失对模态频率的影响。在实验中模拟和测量了参考倒装芯片和缺陷倒装芯片的固有频率的偏移。理论计算、仿真和实验分析结果均表明，缺陷芯片的固有频率小于正常芯片的固有频率，可用于缺陷倒装芯片的检测。因此，模态分析可以作为倒装芯片故障诊断的有效工具。© 2012由Elsevier B. V.发布。CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：倒装芯片;缺陷检测;焊点缺失;振动;模态分析;固有频率1. 介绍倒装芯片封装以其体积小、I/O密度高、电性能优良等优点成为微电子封装行业的主流技术[1]。但是，包接口很容易* 通讯作者。联系电话：电话：027 -87792413传真：027 -87792413电子邮箱：guanglan. mail.hust.edu.cn2212-6678© 2012由Elsevier B. V.出版信息工程研究院负责评选和同行评议在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi：10.1016/j.ieri.2012.06.01588Miao Zeng等/ IERI Procedia 1（2012）87由于芯片和衬底的热膨胀系数不匹配而变形，这将导致倒装芯片的内部缺陷，如焊料凸点缺失、空隙和裂纹等[2]。目前，焊点的检测已经成为电子制造业中的一个重要环节。倒装芯片缺陷检测技术有很多种，如扫描声学显微镜（SAM）、X射线衍射等. SAM检测方法依赖于超声波在材料中的传播以及通过材料或界面的信号的相应变化，而测试样品通常需要放置在耦合介质（例如去离子水）中[3]。X射线方法依赖于X射线穿过的材料厚度的变化[4]。此外，激光超声和热成像技术也被引入到焊料凸点检测中[5，6]。在这项工作中，研究了一种基于振动和模态分析的无损检测方法，用于倒装芯片焊料凸点缺失缺陷检测[7]。采用具有阵列焊料凸点的倒装芯片作为测试样品，并介绍了焊料凸点缺失，这是倒装芯片封装中的典型缺陷[8]。对倒装芯片进行了建模，研究了焊点缺失对模态频率的影响。测试芯片的固有频率和模态分析。研究了参考芯片和缺陷芯片的频率偏移对焊点缺失检测的影响。结果证明了该方法的可行性。2. 倒装芯片模型使用FA 10[9]倒装芯片，并基于以下假设[10]进行建模：（1）芯片是各向同性和均质的;（2）由于厚度远小于长度和宽度，因此可以将硅管芯视为薄片;（3）凸块下冶金（UBM）对芯片无关紧要;（4）假设焊料凸块是线性弹性的。芯片可以简化为一个薄片，排列的焊料凸点可以简化为弹簧。薄板受到这些弹簧的约束，而基板可以简化为固定约束，然后将倒装芯片建模为弹簧加载的薄板振动系统，如图1所示。根据忽略外力和阻尼时的能量守恒定律[11]，我们得到：（K2M）{} 0（一）式中[K]、[M]分别为倒装芯片的结构刚度矩阵和结构质量矩阵，为倒装芯片的弧度频率。可以从Eq。(1)焊球缺失改变了倒装芯片的刚度和质量，导致倒装芯片的固有频率发生变化。因此，可以使用固有频率的变化来检测焊料凸点缺失。3. 倒装芯片模式频率估计与仿真实验中使用了四个尺寸为5.08×5.08×0.635mm的非底部填充测试芯片A、B、C和D。高105 m、直径135 m、凸块间距254 m的焊料凸块按阵列分布，如图2所示，其中白色圆圈表示缺少焊料凸块。这里，芯片A和B是用作基准芯片的良好芯片。Miao Zeng等/ IERI Procedia 1（2012）8789图1.简化的倒装芯片模型(a) 参考芯片A和B（b）缺陷芯片C（c）缺陷芯片D图2.四个FA10倒装芯片表1.材料特性材料Si（模具）63 Sn/37 Pb（焊料凸点）FR-4（底物）杨氏112.43222密度[kg.m-3]233084001970泊松比0.250.380.28倒装芯片的材料性质列于表1中。为了研究凸点缺失缺陷对芯片模态频率的影响，根据分析模型计算了芯片的固有频率。表2中只列出了六个最主要的自然频率。表2.分析模型Chip\Frequency（KHz）模式1模式2模式3模式4模式5模式6参考芯片A/B455.46457.47457.93482.25563.62605.51芯片C有432.98434.87435.18461.15563.60605.17缺陷芯片D417.57426.47453.00475.14548.29590.53为了验证分析模型，使用有限元软件COMSOL对所有测试芯片的固有频率进行了仿真。结果示于表3中。从表2和表3可以发现，具有凸块缺失缺陷的芯片的固有频率降低。这是因为当焊球缺失时，倒装芯片的总刚度明显降低，而倒装芯片的质量变化不大。表3. FE模型Chip\Frequency（KHz）模式1模式2模式3模式4模式5模式6参考芯片A/B451.42454.81457.19482.26563.90563.90芯片C有430.00433.18435.36462.76563.33596.71缺陷芯片D416.51425.91451.45476.42549.85584.8590Miao Zeng等/ IERI Procedia 1（2012）87结果表明，结构各阶模态对固有频率的敏感程度并不相等。当缺陷数目和位置不同时，振型可以更直观地揭示参考芯片和缺陷芯片之间的频率差。图3分别示出了好芯片A的振型。对于模式1-4，最大变形位置在四个角中。因此，模态1-4的固有频率显着降低时，发生在拐角处的碰撞丢失。对于模式5-6，可以在四个侧面检测到较大的变形。这表明当缺陷位于四个侧面时，频率变化很大。因此，模态形状与凸块缺失缺陷的位置和数量相关。(a)模式1（b）模式2（c）模式3（d）模式4（e）模式5（f）模式6图3.参考芯片A表4列出了来自FE和分析模型的芯片A的固有频率。频率差在0 ~ 0.93%之间，验证了倒装芯片的分析模型。微小的差异来自于分析模型中所做的简化，包括封装结构和焊料凸点的简化。此外，分析模型中忽略了平面内的运动，有限元模型中结构的网格划分密度也会影响频率的模拟。表4.分析模型和有限元模型中良好芯片A的模式频率模式模式1模式2模式3模式4模式5模式6分析模型455.46457.47457.93482.25563.62605.51有限元模型451.42454.81457.19482.26563.90563.90差异（%）-0.89-0.58-0.1600-0.944. 实验研究FA10倒装芯片的实验模态分析进行验证的分析和有限元模型。构建了一个实验系统，如图4所示。由集成信号发生器SIA-7产生的信号通过超声换能器CAP 4转换为超声波并投射到倒装芯片上。将测试芯片的基板固定在隔振台上。振动速度通过激光扫描振动计（Polytec，PSV-400）测量，采样频率为2.56 MHz，速度分辨率为0.02 m/s。然后是谐振频率， 基于扫频测量方法，得到了最大振动速度。图5示出了与参考芯片A相比的其他三个芯片的频移。很容易发现参考芯片A和B的固有频率彼此吻合，这意味着在实验中测量倒装芯片的频率的方法是可靠的。与芯片A相比，具有凸块缺失的缺陷芯片的固有频率降低，除了模式4中的芯片D之外，这可能是由测量误差引起的。Miao Zeng等/ IERI Procedia 1（2012）8791图4.焊料凸点缺失缺陷检测系统100-10-20-301 2 3 4 5 6图5.与良好芯片A缺陷芯片相对于良好芯片A的频率偏移的绝对值如图6所示，其中分析模型、有限元模型和实验研究之间的频率偏移趋势相同，进一步验证了模型，证明频率变化可以有效地用于检测倒装芯片的焊料凸点缺失缺陷。对于不同的模式，凸点缺失缺陷对频率偏移起着不同的作用。对于有缺陷的芯片C和D，模式1-2的频移可以达到25 KHz，表明模式1-2对缺失凸块缺陷更敏感，这可以用于检测焊料凸块缺失缺陷。这可以使用FE模式形状来解释，其中模式1-2的固有频率对拐角处的焊料凸块缺失缺陷更敏感，并且缺陷发生在缺陷芯片C和D的拐角处。对于模式5中的缺陷芯片C和D，频率偏移变化很大。这是因为在缺陷芯片D周围存在凸点缺失缺陷，并且对于模式5，当焊料凸点缺失缺陷根据模式形状位于四个侧面上时，频率变化很大。因此，模态分析不仅指示缺陷的存在，而且还有助于定位芯片中的缺陷。92Miao Zeng等/ IERI Procedia 1（2012）8740403030202010100Mode1模式2Mode3模式4模式5模式6试验研究有限元模型分析模型0Mode1模式2Mode3模式4模式5模式6试验研究有限元模型分析模型(a) 芯片C和A之间的频移（b）芯片D和A之间的频移图6分析FE模型A和实验研究5. 结论研究了一种基于超声激励和模态频率分析的倒装焊凸点无损检测方法。采用解析、有限元和实验模态分析相结合的方法，研究了倒装芯片结构的振动特性，缺陷对结构振动模态频率和振型的影响。由于倒装芯片的总刚度明显降低，而倒装芯片的质量变化不大，因此倒装芯片的漏焊缺陷频率降低。对于有缺陷的芯片，模态1-2的频率偏移甚至可以达到25 KHz，表明模态频率分析可以是用于检测倒装芯片缺陷的有用工具。不同缺陷位置和缺陷数量的倒装芯片在各模态下的频移不同，说明各模态对固有频率的敏感程度不相同。例如，对于模式5中的缺陷芯片C和D，频移变化很大。因此，频率偏移和振型是敏感的位置和数量的焊料凸点失踪，这将是在未来的研究。确认作者感谢国家基础研究计划（2004年）的资助。2009CB724204）和国家自然科学基金（批准号：50975106）。引用[1]杨伟杰，王伟杰，王伟杰. TB-BGA的发展。1998年多芯片模块和高密度封装国际会议，1988，247-252。[2]Mercado LL，Goldberg C，Kuo SM，Lee TY，Pozder SK.铜/低k互连倒装芯片封装挑战分析。器件与材料可靠性，2003，3（4）：111- 118.[3]Brand S，Czurratis P，Hoffrogge P，Petzold M.使用扫描声学显微镜对倒装芯片触点进行自动检测和分类。微电子可靠性2010，50：1469-1473。Miao Zeng等/ IERI Procedia 1（2012）8793[4]Sassov A，Luypaert F.用于BGA和倒装芯片检测的X射线数字显微分层成像。X射线显微镜：第六届国际会议论文集，2000年，239 - 244。[5]Yang J，Ume IC.用模态和信号分析方法评价倒装芯片封装中焊料凸点缺陷的激光超声技术。IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，2010，57（4）：920[6]陆新宁，廖桂良，查志英，夏强，石铁良。基于脉冲相位热成像技术的倒装焊焊点检测新方法。NDT and E International，2011，44（6）：484[7]刘继昌，石铁林，夏强，廖桂林。使用振动分析的倒装芯片焊料凸点检测。Microsyst Technol，2012：303[8]奥雷舍湾新研究揭示了组件缺陷水平。电路汇编，2002：39-43。[9]有关信息，请访问http://www.practicalcomponents.com/flipchip.htm。[10] Yang J，Ume IC.使用综合分析、数值和实验模态分析检测倒装芯片焊料凸点的质量。电子封装，2008，130：0310091- 10.[11] 张文，机械与结构振动理论与应用，第1版，台北：国立台湾大学，2001。
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