本书将主动红外无损检测技术应用于微电子封装领域,在介绍主动红外热成像检测原理、方法及系统组成的基础上,建立了倒装焊结构的热传导数学模型,并给出解析求解过程;将常见焊球缺陷引入倒装芯片的热传导模型,建立了倒装焊结构的纵向热阻网络;采用有限元法仿真分析了外部热激励作用下的倒装焊内部热传导状况,结合主动红外检测实验,采用不同的信号解析方法(主分量分析法、自参考技术、脉冲相位法,以及神经网络和模糊聚类的智能算法),对微焊球缺陷检测热信号进行分析,实现封装缺陷的有效检测。
陆向宁:博士,江苏师范大学副教授、硕士生导师。2012年7月毕业于华中科技大学机械制造及其自动化专业,获工学博士学位。2014年4月至2015年4月作为公派访问学者在美国佐治亚理工学院材料系开展访问研究,现为江苏师范大学机电工程学院教师。主要研究方向为微电子封装工艺及可靠性分析,碳纳米材料及其应用。近年来,主持国家自然科学基金2项,江苏省高校自然科学基金1项,国家重点实验室开放基金项目1项;作为主要研究人员,参与国家973项目、国家自然基金项目、美国国家能源部项目等的课题研究工作。发表论文20余篇,其中SCI收录10余篇,EI收录10余篇。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 半导体技术的发展 1
1.2 微电子封装技术 2
1.2.1 微电子封装技术的发展 2
1.2.2 芯片互连技术 4
1.3 凸点倒装焊技术 7
1.3.1 凸点倒装焊技术及其工艺 7
1.3.2 凸点倒装焊可靠性 12
1.4 封装缺陷检测方法 16
第2章 红外无损检测技术 21
2.1 红外检测技术概述 21
2.2 红外检测系统组成 23
2.2.1 红外光学系统 24
2.2.2 红外探测器 25
2.2.3 红外热成像系统 28
2.3 主动红外无损检测方法 32
2.4 微电子封装红外检测系统 34
2.4.1 红外热像仪 35
2.4.2 激光加热系统 39
2.4.3 控制系统及附件 42
2.5 主动红外微凸点检测模型 43
第3章 主动红外检测仿真及焊球热性能分析 46
3.1 热量传递的一般形式 46
3.2 倒装焊芯片热传导数学建模 47
3.3 微凸点热性能仿真分析 55
3.3.1 倒装焊热阻网络 55
3.3.2 主动红外微凸点检测有限元分析 58
3.3.3 微凸点热性能表征与分析 67
3.4 小结 71
第4章 主动红外微凸点检测分析 72
4.1 主分量分析法 72
4.1.1 主分量分析的基本原理 72
4.1.2 检测实验及主分量分析流程 74
4.1.3 热图像的主分量分析法 77
4.2 热信号的自参考技术 86
4.2.1 红外检测及热斑自参考技术 86
4.2.2 微凸点的热信号自参考辨识 90
4.3 热信号的脉冲相位分析 95
4.3.1 脉冲相位成像法 95
4.3.2 红外检测微凸点相位辨识 97
4.4 小结 106
第5章 主动红外微凸点检测智能辨识方法 107
5.1 人工神经网络概述 107
5.1.1 人工神经网络的发展 107
5.1.2 神经元结构模型 108
5.1.3 人工神经网络的分类和特点 111
5.1.4 人工神经网络的发展方向和应用 113
5.2 BP神经网络的微凸点热信号分析 115
5.2.1 BP神经网络 115
5.2.2 微凸点BP神经网络分类 117
5.3 概率神经网络的微凸点热信号分析 123
5.3.1 概率神经网络 123
5.3.2 微凸点概率神经网络分类 126
5.4 微凸点模糊聚类分析方法 127
5.4.1 模糊聚类分析 127
5.4.2 特征加权的模糊c均值聚类分析 134
5.4.3 微凸点模糊聚类分析 138
参考文献 146
前 言
微电子封装互连是集成电路后道制造中最为关键、技术难度最大的环节,它不但直接影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光性能和热性能,还在很大程度上决定着IC产品的小型化、多功能化、可靠性和成本。微电子封装技术正以惊人速度蓬勃发展,倒装焊技术、贯穿硅通孔在高密度微型化封装领域得到了快速发展和广泛应用,三维封装技术受到了越来越多的重视和研究。
随着IC特征尺寸的不断减小,IC芯片的功率密度将迅速增加,尺度效应更加明显;由于封装材料无铅化要求、Low-K材料引入等新特点,热/应力失配将更加严重,更容易导致封装界面变形、弯翘或划伤,出现疲劳、应力集中,产生键合缺陷失效;而倒装焊、贯穿硅通孔等主流互连技术中,微焊球、倒装凸点、填充硅通孔等隐藏于芯片或封装内部,其热性能分析及缺陷检测变得更加困难。微电子封装缺陷检测一直是业界热点。目前,封装缺陷检测方法通常分为接触式检测和非接触式检测两类。接触式检测技术效率低,成本高,且易于造成芯片表面损伤;非接触检测技术则不会造成器件损坏,可以检测到芯片中的微观特性,还能提供良好的工艺控制信息。
红外检测是一种非接触式、可在线监测的无损检测技术,它以红外辐射为基础,通过接收物体所发射的红外线,将物体温度及其分布情况显示出来,使检测者能够由此判断出物体内部状况。红外检测集光电成像、计算机数字信号处理、图像处理等技术于一体,是一门跨学科、跨领域的实用型技术,具有实时、准确、快速、灵敏度高、场测量等优点,已广泛应用于航空、航天、机械、医疗、石化、电力、电子等领域。随着计算机数字信号处理技术的迅速发展,以及人们对红外检测新方法的不断探索和实践,通过施加外部热激励的方式,打破被测物体内部热平衡,并将红外探测器件所获得的测量信号以热图像的方式呈现出来,即形成了主动红外热成像检测技术。
本书将主动红外热成像技术与微电子封装技术可靠性分析相结合,提出了基于主动红外探测的微电子封装缺陷检测方法,采用光纤耦合半导体激光器对芯片或基底表面进行非接触式加热,通过红外热像仪获得芯片表面温度分布以及随时间的变化,通过热图像信号处理提取特征量,对封装缺陷进行诊断与识别,并详细介绍了热图像信号的解析方法。全书共5章,具体内容如下:第1章介绍微电子封装技术及其发展、典型的芯片互连技术,包括凸点倒装焊工艺以及传统的封装缺陷检测方法;第2章介绍红外检测基本原理、红外检测系统构成、红外无损检测方法,设计并构建主动红外微电子封装缺陷检测系统,并提出主动红外微凸点检测模型;第3章构建倒装焊芯片的热传导数学模型,并给出解析求解过程,采用有限元法仿真分析倒装焊内部热传导,并对焊球热性能进行表征;第4章介绍主分量分析法和脉冲相位成像法,提出一种亮斑自参考分析技术,并通过主动红外倒装焊凸点缺陷检测实验,详细阐述热图像的预处理方法和缺陷辨识技术;第5章介绍人工神经网络和模糊聚类分析方法,并利用BP神经网络、概率神经网络和改进的c均值模糊聚类方法对主动红外倒装焊检测热图像信号进行处理,通过对微凸点进行有效分类或聚类,实现缺陷辨识。本书旨在把红外无损检测技术与微电子封装可靠性分析结合起来,为IC产业提供一种新的缺陷检测技术和方法。为增强可读性,本书配有部分彩图,其中各图分别对应正文中相同编号的图。
本书的研究内容多取材于著者及所在课题组近年来的科研成果,同时也引用了许多专家学者公开发表的论文和正式出版的图书资料,在此表示衷心的感谢!本书的研究工作得到了国家自然科学基金项目(51305179)的资助。书中许多研究内容是在华中科技大学史铁林教授和廖广兰教授的指导下完成的,谨表深深谢意!著者的研究和本书的出版得到了江苏师范大学相关领导和同事们的鼓励和大力支持,在此深表感谢!
由于著者水平所限,书中难免存在不妥之处,敬请广大读者谅解并予以指正。
著 者
2016年11月
这本书的结构和内容,让我有点摸不着头脑,完全没有我期待中的那种技术性深度。我本来以为会看到关于红外光与物质相互作用的物理学原理的详尽阐述,例如黑体辐射定律、菲涅尔方程在红外反射和折射中的应用,以及不同材料的发射率随温度和波长的变化曲线。我期待的是书中能给出具体的计算模型,用来预测不同缺陷(如虚焊、空洞、污染物)如何影响热扩散,以及如何通过红外图像来反演出这些物理参数。 我猜想,书中可能更多地是在介绍红外成像的基本原理,例如热辐射成像、热成像和热像图的生成过程,以及不同类型的红外探测器,如焦平面阵列、制冷型和非制冷型红外探测器的优缺点对比,和它们的响应时间、探测率等关键性能指标。我原本还期望,书中能详细介绍如何设计主动红外成像的激励方式,比如瞬态热成像、脉冲热成像、光热成像等,以及不同激励方式对检测不同类型缺陷的适用性。 此外,在微电子封装领域,我更关注的是检测过程中的一些关键技术细节。比如,如何精确控制红外相机的温度,以消除其自身的热噪声;如何进行红外图像的校准和归一化,以消除非均匀性;以及如何利用先进的图像处理算法,如边缘检测、形态学处理、小波变换等,来增强缺陷的可见性,并实现缺陷的自动化识别。我期待书中能有关于这些方面的详细介绍和实际案例,例如如何通过对比不同时间点的红外图像来检测内部热阻抗的变化,或者如何利用红外光谱信息来区分不同材料的缺陷。 然而,我在这本书里找不到这些我所期望的、具体到操作层面的技术细节。它似乎更像是一篇宏观的综述,或者是对该领域未来发展趋势的探讨,而不是一本实用的技术手册。我并没有看到任何关于如何选择合适的红外光源(如卤素灯、LED、激光等)来激发不同材料的热响应,也没有关于如何设计合适的激发序列以最大化缺陷对比度的具体指导。 总而言之,这本书给我的感觉是,它可能更适合那些刚刚接触这个领域,需要建立一个初步概念性框架的读者。对于我这样希望深入理解技术原理、掌握实际操作方法的读者来说,这本书的信息量和深度都显得不足。它更像是抛出了一个问题,但并没有提供足够多的工具和方法来解决这个问题。
评分这本书的标题《主动红外微电子封装缺陷检测技术》听起来非常吸引人,我以为它会像一本工程手册一样,深入浅出地讲解如何利用红外技术来找出微电子封装中的各种“瑕疵”。我设想书中会包含大量关于红外成像仪器的详细介绍,比如它们的工作原理、不同探测器阵列的优劣势、以及各种波段(长波、中波、短波红外)的成像特性如何影响对不同材料和缺陷的穿透能力。 我特别期待看到书中能够详尽地介绍“主动”这一概念在其中的具体体现。例如,如何设计和选择合适的光源来“照亮”被测器件,以激发其特定的热响应。是使用闪光灯、LED阵列,还是特定频率的激光?这些光源的选择又会如何影响检测效果?书中会不会给出不同激励方式(如瞬态热成像、脉冲热成像、光热激励等)的详细流程和最佳实践?我甚至设想,书中会提供一些实际的实验 setups,包括如何搭建检测平台,如何安置红外相机和光源,以及如何控制环境因素,比如温度和湿度,来保证检测结果的准确性。 另外,对于“微电子封装”这个部分,我原以为书中会对不同类型的封装结构,比如QFN、BGA、CSP等,进行详细的介绍,并分析在这些结构中,哪些类型的缺陷(如空洞、裂纹、虚焊、翘曲、污染物残留)最常出现,以及这些缺陷对器件性能的影响。我还期望书中能够提供一些典型的缺陷图像,并指导我如何利用红外图像分析工具来识别和量化这些缺陷。例如,书中会不会介绍一些图像处理算法,如滤波、去噪、边缘增强、分割等,来帮助我们更清晰地看到隐藏的缺陷? 然而,当我翻阅这本书时,我发现它似乎更偏向于一种概念性的介绍,而不是具体的实践指南。我没有找到任何关于如何选择红外相机型号、如何设置相机参数(如曝光时间、增益、聚焦)以获得最佳成像效果的建议。也没有关于如何对采集到的红外图像进行定性或定量的分析,以判断缺陷的类型、大小和严重程度的具体方法。 总的来说,这本书给我的感觉是,它更像是一篇关于该技术领域的研究综述,或者是一个技术趋势的预测。它可能在勾勒出这项技术的美好前景,但对于那些希望立刻上手,学习如何实际操作,并解决具体生产问题的读者来说,这本书提供的具体操作指导和技术细节似乎还不够充分。
评分这本书的标题《主动红外微电子封装缺陷检测技术》让我联想到一本严谨的技术手册,我原本期待它能像一位经验丰富的工程师,详细指导我如何在微电子封装领域应用主动红外技术来识别各种各样的缺陷。我设想书中会深入探讨红外热成像的物理学基础,包括热传导、热对流、热辐射等基本原理,以及它们如何影响热量在封装材料中的分布和散发。 我特别希望看到书中能详细阐述“主动”的含义,是如何通过外部能量源(如脉冲激光、LED阵列、闪光灯等)对被测对象施加一个热激励,使其产生可观测的热响应,从而揭示其内部结构或缺陷。例如,书中会不会介绍不同类型的热激励方式(如瞬态热成像、热脉冲成像、光热激励等)各自的优缺点,以及在检测不同类型的封装材料或缺陷时,应如何选择最合适的方法?我甚至期待书中能提供一些实际的测试流程和参数设置,比如最佳的激励时间、相机采样频率、以及如何通过热图像的动态变化来评估缺陷的大小、形状和位置。 另外,对于“微电子封装”这个关键部分,我原本期望书中能对当前主流的微电子封装技术(如BGA、QFN、Wafer-level packaging等)进行简要介绍,并分析在这些封装结构中,哪些部位容易产生缺陷,以及这些缺陷(如空洞、脱层、裂纹、焊点连接不良、材料不均匀等)对器件性能和可靠性可能造成的影响。我还希望书中能提供大量的实际案例,展示如何利用采集到的红外图像来识别和诊断这些特定的缺陷,并给出相应的图像处理和分析方法,例如如何通过对比不同热状态下的图像来发现热桥或热阻异常。 然而,当我阅读这本书的时候,我发现它并没有提供我所期待的、那种具体的、可操作性的技术指导。书中缺乏详细的公式推导和实验数据,也没有关于如何选择和配置红外相机、光源等硬件设备的具体建议。更重要的是,我没有找到关于如何对采集到的红外图像进行定性或定量分析,以得出可靠的缺陷判断的详细步骤和方法。 总而言之,这本书给我的感觉更像是一篇关于该技术领域的发展前景和理论探讨的文章,而不是一本能够帮助我解决实际工程问题的技术指南。它可能在描绘一个宏观的技术蓝图,但对于像我这样希望掌握具体技术细节、学习如何实际操作的读者来说,这本书所提供的信息深度和实用性都显得相对不足。
评分我对《主动红外微电子封装缺陷检测技术》这本书抱有极高的期待,因为我一直对如何利用非接触、非破坏性的方法来评估微电子器件的质量深感兴趣。我原本设想这本书会像一本操作手册一样,详细阐述主动红外检测技术的基本原理、关键技术和实际应用。具体来说,我期待书中能够深入讲解红外辐射的基本物理定律,如普朗克定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律等,以及它们如何应用于热成像。 我尤其希望书中能详细介绍“主动”这一概念的实现方式,即如何通过外部热源(例如LED阵列、激光器、闪光灯等)对被测微电子封装进行激励,使其产生可检测到的温度变化,并利用红外相机捕捉这些变化。我希望看到书中能够分析不同激励方式(如瞬态热成像、脉冲热成像、光热激励等)的优劣势,以及在检测不同类型的封装材料和缺陷时,如何选择最合适的激励策略。例如,书中是否会提供具体的激励功率、激励时间、以及相机采样频率等参数的建议? 同时,对于“微电子封装”的部分,我原本期望书中能对当前常见的封装结构(如BGA、QFN、TSV等)及其潜在的缺陷类型(如空洞、脱层、裂纹、虚焊、污染物等)进行深入分析,并解释这些缺陷如何影响封装体的热特性。我还期待书中能够展示大量的实际红外图像案例,并指导我如何利用图像处理和分析技术,如滤波、阈值分割、轮廓提取、模式识别等,来自动化或半自动化地识别和量化这些缺陷。 然而,在我阅读这本书的过程中,我发现它并没有像我预期的那样提供非常详尽的技术细节和操作指南。书中关于红外探测器的具体工作原理、不同红外波段对不同材料的穿透能力分析、以及相机参数优化等方面的论述显得不够深入。我也没有看到关于如何精确控制环境因素(如背景温度、空气流动等)对检测结果影响的详细方法。 总而言之,这本书给我的感觉更像是在勾勒出主动红外微电子封装缺陷检测技术的研究方向和潜在价值,而非提供一套可以直接应用到实际生产中的技术方案。它可能适合对该领域有一个初步了解的读者,但对于需要掌握具体技术细节、学习如何进行实际操作的工程师来说,这本书的信息量和实用性可能还有待提升。
评分我最近偶然翻阅了一本名为《主动红外微电子封装缺陷检测技术》的书,虽然我不是这个领域的专家,但书中的一些宏观概念和前沿技术应用让我倍感好奇,不禁想深入了解。我尤其被书名中“主动红外”和“微电子封装”这两个关键词吸引。我的直觉是,这应该是一本非常技术化的书籍,可能会深入探讨红外成像在微电子领域的具体应用,尤其是针对封装过程中可能出现的各种细微缺陷。我设想书中会详细介绍红外探测器的原理、不同波段红外光的特性以及如何利用它们来“看穿”不透明的封装材料,揭示内部的空洞、裂纹、脱层或者材料不均匀等问题。 不过,读完这本书,我有点意外,它似乎并没有直接深入到具体的红外探测器类型、半导体材料的光谱响应或者复杂的成像算法。我原本期待的是一本能够手把手教我如何搭建主动红外检测系统,如何选择合适的红外相机和光源,如何处理原始的红外图像数据,以及如何通过图像分析来量化和识别缺陷的文章。例如,我希望书中能有关于热扩散率、热阻抗等物理量的详细计算公式和在不同缺陷类型下的表现规律。我还设想,书中会列举一些典型的微电子封装材料,比如环氧树脂、陶瓷、金属等,并分析它们对红外信号的吸收、反射和透射特性。 而且,这本书的侧重点似乎也不在于微电子封装的工艺流程本身。我原本以为,一本与“微电子封装”相关的书籍,至少会花相当大的篇幅来介绍不同类型的封装结构,比如QFN、BGA、CSP等等,以及它们在制造过程中可能遇到的挑战。我期待书中能够解释为什么在这些特定的封装结构中,某些类型的缺陷更容易出现,以及这些缺陷会对器件的性能和可靠性造成怎样的影响。同时,我也希望了解主动红外检测技术如何与这些不同的封装工艺相结合,提供有效的质量控制手段。 从我的角度来看,这本书的叙述方式更像是在描绘一个宏大的技术图景,而非提供具体的操作指南。我感觉到它可能是在探讨主动红外技术在整个微电子产业链中的战略定位,或者是展望未来这种技术可能的发展方向和应用前景。我没有找到关于如何选择特定红外波段以适应不同材料的穿透性,也没有看到关于如何通过脉冲红外来激发材料热响应的细节描述。更不用说关于如何排除环境因素对红外成像的影响,例如背景辐射、表面发射率变化等,这些在实际应用中至关重要的细节,似乎在这本书中并未得到充分的阐述。 总而言之,这本书给了我一个初步的印象,它更侧重于理论框架的构建和概念的普及,而不是具体的工程实现细节。我感觉作者可能是在试图为读者建立起一个关于“主动红外微电子封装缺陷检测”的整体认知,让他们明白这项技术的重要性、潜力和优势,但具体到如何去实现、去操作、去解决实际问题,这本书似乎提供的信息相对有限。我个人更倾向于寻找一本能够提供更详细技术参数、更清晰操作步骤、以及更多实际案例分析的书籍,来帮助我解决我所遇到的具体技术难题。
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