CC BY
100Компоненты и технологии, № 8'2004
Окончание. Начало в № 6-72004
Рентгеновский контроль -
мощное средство для диагностики и локализации дефектов современных печатных узлов
у-
В предыдущих номерах журнала были рассмотрены наиболее характерные типы дефектов электронных модулей на печатных платах, представлен краткий обзор современных методов и средств для их диагностики и локализации. Были рассмотрены теоретические основы рентгеновской инспекции и применение методов рентгеновского контроля для исследования качества изготовления печатных плат и паяных соединений печатных узлов. В этой статье будут рассмотрены вопросы применения средств рентгеновского контроля для исследования внутреннего состояния полупроводниковых приборов.
Станислав Гафт
При постановке нового изделия на производство необходимо обеспечить достижение планируемых уровней надежности и качества. Одно из важнейших и определяющих условий для решения данной задачи — обеспечение необходимого уровня надежности и качества электронных компонентов и комплектующих. Учитывая постоянно возрастающую сложность электронных компонентов и невозможность проведения сплошного входного контроля в процессе производства (не только по причине экономической целесообразности, но и по сложности технической реализации, в связи с тем, что компоненты поставляются в носителях для автоматического монтажа), необходимо проводить квалификацию поставщиков. Методы квалификации хорошо описаны американскими и европейскими стандартами в зависимости от области применения выпускаемых изде-
лий и не являются предметом обсуждения данной статьи. Важно понимать, что необходим надежный инструмент, позволяющий получить объективную информацию о внутреннем состоянии испытываемых электронных компонентов и комплектующих на всех этапах квалификации неразрушающими методами.
Таким инструментом, широко используемым и рекомендуемым к применению во всем мире, является рентгеновская инспекция.
При контроле целостности соединительных проводников критерием является глубина их провисания, которая может быть измерена в автоматическом режиме (рис. 1) системой рентгеновского контроля реЬа|апа1угег.
При проведении квалификации электронных компонентов также анализируется состояние сварных соединений проводника (рис. 2).
IV# » • «
Рис. 1. Контроль глубины провисания соединительных проводников в автоматическом режиме
Рис.2. Контроль качества разварки соединительного проводника
Компоненты и технологии, № 8'2004
Количество пустот между кристаллом и подложкой является важным критерием того, насколько устойчивы квалифицируемые компоненты к перепадам температур в процессе производства при технологических операциях пайки. Современные системы рентгеновского контроля позволяют провести вычисление пустот в автоматическом режиме (рис. 3).
Использование рентгеновских методов контроля для анализа отказов электронных компонентов
Наиболее распространенными причинами отказов электронных компонентов являются:
• нарушение условий эксплуатации электронного изделия;
• нарушение технологических режимов пайки;
• нарушение условий хранения;
• дефект производителя;
• ошибка разработчика электронного модуля.
Рис. 4. Исследование причины отказа электронного компонента — перегорание соединительного проводника
Рис. 5. Исследование причины отказа электронного компонента — обрыв соединительных проводников
Для определения причин отказов электронных компонентов необходим точный инструмент, позволяющий неразрушающими методами получить достоверные данные для анализа и последующей классификации.
Наиболее частой причиной отказа электронного компонента является повреждение соединительного проводника между кристаллом и выводом при токовой перегрузке (рис. 4). Этот дефект, как правило, связан с нарушением условий эксплуатации.
Обрыв соединительного проводника (рис. 5) чаще всего происходит при резких перепадах температур. Одной из наиболее вероятных причин является некорректный выбор режимов пайки: слишком большой градиент при нагреве или охлаждении.
Стратегия контроля при постановке на производство электронных модулей с компонентами flip-chip
При постановке на производство изделий с компонентами flip-chip проблема автоматического контроля качества паяных соединений интерпретируется как контроль параметров столбиковых выводов: высоты, диаметра и округлости.
Учитывая, что дефект в большинстве случаев экономически выгоднее предупреждать, чем проводить трудоемкий и дорогостоящий ремонт, возникает также и задача автоматического контроля высоты столбиковых выводов компонентов flip-chip в паллетах. Зависимость высоты столбиковых выводов от градации серого цвета выражается следующим равенством
I = I0 X exp (-ц d)
где I — градация серого цвета столбикового вывода на изображении, 10 — градация серого цвета на изображении при отсутствии столбикового вывода, ц — коэффициент поглощения, d — высота столбикового вывода.
Калибровка системы. «Золотой» образец
Используя «золотой» образец с известной высотой столбиковых выводов d, можно вычислить коэффициент поглощения ц с помощью системы рентгеновского контроля с томо-
Рис. 6. Общий вид flip-chip (сверху под углом 90°):
100 кВ, 140 мкА, нанофокусная трубка
графическими возможностями и разрешением 5 мкм. Параметры I и Io измеряются на 2-мерном изображении. Коэффициент поглощения вычисляется по формуле:
ц = ln (I/Io) х 1/(-d)
Испытываемый образец:
После измерения параметра I вычисляется высота столбикового вывода:
d = ln (I/Io) х 1/-Ц
Разрешение при определении градации серого ~ ±1, что соответствует точности определения высоты столбиковых выводов ±3 мкм.
Изображение запаянного компонента flipchip, полученное с помощью системы рентгеновского контроля nanome|x, приведено на рис. 6.
Анализируя изображение, можно предположить, что паяные соединения в правом верхнем углу — некачественные (малый диаметр — отсутствие галтели, светлый цвет — малая высота).
С помощью программы автоматического контроля bga|module можно получить более подробный отчет о состоянии паяных соединений (рис. 7).
По результатам инспекции система рентгеновского контроля присвоила семи паяным соединениям в правом верхнем углу
Рис. 7. Автоматический контроль параметров столбиковых выводов flip-chip (наличие, диаметр, округлость, высота). Вид под углом 90°;
100 кВ, 140 мкА, нанофокусная трубка
Компоненты и технологии, № 8'2004
Рис. 8. Автоматический контроль параметров столбиковых выводов flip-chip при большем увеличении для повышения точности измерений:
100 кВ, 140 мкА, нанофокусная трубка
статус дефектных, но для повышения точности измерений необходима повторная инспекция при большем увеличении (рис. 8).
Для проверки повторяемости и воспроизводимости было сделано 20 измерений. Результаты были сведены в таблицу. Разброс параметров составил менее 10%.
Для получения хорошей визуализации дефектов необходимо применение средств компьютерной томографии (рис. 9).
Контроль (валидация) результатов измерений был проведен на системе рентгеновского контроля v|tome|x производства немецкой компании Phoenix x|rai (рис.10).
Ф
**
ш
Рис. 9. Визуализация дефектов средствами
компьютерной томографии системы
nanomejx Phoenix x|rai
Выводы:
Предлагаемый метод позволяет измерять высоту столбиковых выводов по градациям серого цвета с максимально достижимым разрешением 3 мкм при повторяемости и воспроизводимости результатов не хуже 20%.
Столбиковые выводы могут быть автоматически проверены в поддоне (на паллете).
В случае работы с новым типом компонента flip-chip перед началом работы система должна быть откалибрована с помощью «золотого» образца (с известной высотой выводов). При этом высота столбиковых выводов «золотого» образца должна быть измерена с помощью рентгеновской систе-
мы с томографическими возможностями (например, папоте|х).
• Все перечисленные выше операции могут быть выполнены на одной системе — папоте|х.
Применение систем рентгеновского контроля — эффективное средство диагностики технологических дефектов (за счет снижения стоимости ремонта изделий в процессе производства и риска повреждения печатных узлов в процессе ремонта), повышения качества и надежности выпускаемых изделий (за счет обеспечения контроля каждого паяного соединения и целостности интегральных микросхем).
