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半導體丨半導體芯片超聲波掃描設備關鍵技術


前言

隨著半導體行業的不斷發展,半導體器件對制造工藝的要求越來越高。由于焊料層空洞、裂紋、脫層等缺陷都可能會導致半導體器件在長期工作中失效,市場急需一款高分辨率、高靈敏度、對粘接面非常敏感的無損檢測工具,因此,超聲波掃描技術被引入半導體器件工藝線中。
在第十三屆半導體分立器件年會暨蘇州第三代半導體產業融合創新發展高峰論壇上,蘇州廣林達電子科技有限公司半導體事業部總經理發表了題為《半導體芯片超聲波掃描設備關鍵技術及國產化》的演講,下文為演講核心內容。


01 超聲波檢測


超聲波是一種頻率超過20KHz的聲波,在人耳可聽到的頻率之外(人耳能聽到的聲音頻率:16Hz-20KHz)。當材料內部的均勻性發生變化時,其聲阻抗會發生改變,回波信號幅值及相位發生變化;將波形數據(如峰值、時間等)用不同顏色或灰度值顯示出來,可實時顯示出被檢樣品內部的結構。
圖片1.png

X射線掃描與超聲掃描對比

X-Ray 

  • 基于材料密度的差異

  • 對于材料內部分層、微小裂紋和虛焊不敏感

  • 掃描結果為整個樣品厚度的合成圖像


SAM 

  • 對粘結層面非常敏感

  • 能穿透大多數的材料

  • 高分辨率,高靈敏度

  • 實時檢測

  • 對人體安全無害


02 關鍵技術


掃描模式

     反射掃描模式:

  • 利用一個探頭同時完成發射和接收超聲波。

  • 根據掃描方式不同分別為 A-Scan,B-Scan,C-Scan,此外還有 D-Scan、X-Scan、G-Scan、Z-Scan 等掃查方式。

  • 針對特定層面、圖像清晰。

圖片2.png

     透射掃描模式:

  • 和X射線檢測相似的以透射超聲波為信號的檢測方法。

  • 超聲信號穿透整個被測樣品,一次掃描可檢測到所有界面的缺陷。

  • 圖像不如反射清楚。

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自動聚焦掃描技術

傳統的表面跟蹤技術在面對大幅度翹曲樣品時(例如減薄后的晶圓鍵合樣品),翹曲嚴重的位置會因為散焦而無法檢測到。應用自動聚焦掃描技術,可以使探頭Z方向在掃描過程中隨著樣品表面的起伏而上下實時調整,始終聚焦于樣品內部指定界面,從而跟蹤2-5mm的大幅度翹曲樣品表面。

圖片4.png

分頻掃描技術

分頻掃描技術可以將一個頻率的探頭分割成多個頻率段同時檢測。使用傅里葉變換把回波信號分解成不同頻帶,通過變頻功能將已有探頭設置到任意頻率段進行掃描,從中選擇出圖像最清晰的頻率段。使用該技術可以有效利用現有探頭,減少繁瑣的更換探頭流程,提升掃描速率。

圖片5.png

插值掃描技術

       利用超聲掃描高速數據采集的特性,可以通過隔行掃描再利用經典圖像插值的方式,以一半的時間得到清晰度相當的超聲掃描圖像,在分辨率要求不高的情況下,大幅提高掃描效率。


03 技術應用


經過多年的耕耘,廣林達成功研發了以超聲波掃描技術為核心的成熟產品——超聲波掃描顯微鏡(GRD-CS3)。該產品主要利用高頻的超聲波,對各類半導體器件、材料進行檢測,對粘接面非常敏感,能夠檢測出樣品內部的氣孔、裂紋、夾雜和分層等缺陷,并以圖形的方式直觀展示。在掃描過程中,不會對樣品造成損傷,不會影響樣品性能。目前,該產品已被廣泛應用于半導體器件及封裝檢測、材料檢測、IGBT功率模組產品檢測等場合。


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