本書將主動紅外無損檢測技術應用於微電子封裝領域,在介紹主動紅外熱成像檢測原理、方法及係統組成的基礎上,建立瞭倒裝焊結構的熱傳導數學模型,並給齣解析求解過程;將常見焊球缺陷引入倒裝芯片的熱傳導模型,建立瞭倒裝焊結構的縱嚮熱阻網絡;采用有限元法仿真分析瞭外部熱激勵作用下的倒裝焊內部熱傳導狀況,結閤主動紅外檢測實驗,采用不同的信號解析方法(主分量分析法、自參考技術、脈衝相位法,以及神經網絡和模糊聚類的智能算法),對微焊球缺陷檢測熱信號進行分析,實現封裝缺陷的有效檢測。
陸嚮寜:博士,江蘇師範大學副教授、碩士生導師。2012年7月畢業於華中科技大學機械製造及其自動化專業,獲工學博士學位。2014年4月至2015年4月作為公派訪問學者在美國佐治亞理工學院材料係開展訪問研究,現為江蘇師範大學機電工程學院教師。主要研究方嚮為微電子封裝工藝及可靠性分析,碳納米材料及其應用。近年來,主持國傢自然科學基金2項,江蘇省高校自然科學基金1項,國傢重點實驗室開放基金項目1項;作為主要研究人員,參與國傢973項目、國傢自然基金項目、美國國傢能源部項目等的課題研究工作。發錶論文20餘篇,其中SCI收錄10餘篇,EI收錄10餘篇。
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 半導體技術的發展 1
1.2 微電子封裝技術 2
1.2.1 微電子封裝技術的發展 2
1.2.2 芯片互連技術 4
1.3 凸點倒裝焊技術 7
1.3.1 凸點倒裝焊技術及其工藝 7
1.3.2 凸點倒裝焊可靠性 12
1.4 封裝缺陷檢測方法 16
第2章 紅外無損檢測技術 21
2.1 紅外檢測技術概述 21
2.2 紅外檢測係統組成 23
2.2.1 紅外光學係統 24
2.2.2 紅外探測器 25
2.2.3 紅外熱成像係統 28
2.3 主動紅外無損檢測方法 32
2.4 微電子封裝紅外檢測係統 34
2.4.1 紅外熱像儀 35
2.4.2 激光加熱係統 39
2.4.3 控製係統及附件 42
2.5 主動紅外微凸點檢測模型 43
第3章 主動紅外檢測仿真及焊球熱性能分析 46
3.1 熱量傳遞的一般形式 46
3.2 倒裝焊芯片熱傳導數學建模 47
3.3 微凸點熱性能仿真分析 55
3.3.1 倒裝焊熱阻網絡 55
3.3.2 主動紅外微凸點檢測有限元分析 58
3.3.3 微凸點熱性能錶徵與分析 67
3.4 小結 71
第4章 主動紅外微凸點檢測分析 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 檢測實驗及主分量分析流程 74
4.1.3 熱圖像的主分量分析法 77
4.2 熱信號的自參考技術 86
4.2.1 紅外檢測及熱斑自參考技術 86
4.2.2 微凸點的熱信號自參考辨識 90
4.3 熱信號的脈衝相位分析 95
4.3.1 脈衝相位成像法 95
4.3.2 紅外檢測微凸點相位辨識 97
4.4 小結 106
第5章 主動紅外微凸點檢測智能辨識方法 107
5.1 人工神經網絡概述 107
5.1.1 人工神經網絡的發展 107
5.1.2 神經元結構模型 108
5.1.3 人工神經網絡的分類和特點 111
5.1.4 人工神經網絡的發展方嚮和應用 113
5.2 BP神經網絡的微凸點熱信號分析 115
5.2.1 BP神經網絡 115
5.2.2 微凸點BP神經網絡分類 117
5.3 概率神經網絡的微凸點熱信號分析 123
5.3.1 概率神經網絡 123
5.3.2 微凸點概率神經網絡分類 126
5.4 微凸點模糊聚類分析方法 127
5.4.1 模糊聚類分析 127
5.4.2 特徵加權的模糊c均值聚類分析 134
5.4.3 微凸點模糊聚類分析 138
參考文獻 146
前 言
微電子封裝互連是集成電路後道製造中最為關鍵、技術難度最大的環節,它不但直接影響著集成電路本身的電性能、機械性能、光性能和熱性能,還在很大程度上決定著IC産品的小型化、多功能化、可靠性和成本。微電子封裝技術正以驚人速度蓬勃發展,倒裝焊技術、貫穿矽通孔在高密度微型化封裝領域得到瞭快速發展和廣泛應用,三維封裝技術受到瞭越來越多的重視和研究。
隨著IC特徵尺寸的不斷減小,IC芯片的功率密度將迅速增加,尺度效應更加明顯;由於封裝材料無鉛化要求、Low-K材料引入等新特點,熱/應力失配將更加嚴重,更容易導緻封裝界麵變形、彎翹或劃傷,齣現疲勞、應力集中,産生鍵閤缺陷失效;而倒裝焊、貫穿矽通孔等主流互連技術中,微焊球、倒裝凸點、填充矽通孔等隱藏於芯片或封裝內部,其熱性能分析及缺陷檢測變得更加睏難。微電子封裝缺陷檢測一直是業界熱點。目前,封裝缺陷檢測方法通常分為接觸式檢測和非接觸式檢測兩類。接觸式檢測技術效率低,成本高,且易於造成芯片錶麵損傷;非接觸檢測技術則不會造成器件損壞,可以檢測到芯片中的微觀特性,還能提供良好的工藝控製信息。
紅外檢測是一種非接觸式、可在綫監測的無損檢測技術,它以紅外輻射為基礎,通過接收物體所發射的紅外綫,將物體溫度及其分布情況顯示齣來,使檢測者能夠由此判斷齣物體內部狀況。紅外檢測集光電成像、計算機數字信號處理、圖像處理等技術於一體,是一門跨學科、跨領域的實用型技術,具有實時、準確、快速、靈敏度高、場測量等優點,已廣泛應用於航空、航天、機械、醫療、石化、電力、電子等領域。隨著計算機數字信號處理技術的迅速發展,以及人們對紅外檢測新方法的不斷探索和實踐,通過施加外部熱激勵的方式,打破被測物體內部熱平衡,並將紅外探測器件所獲得的測量信號以熱圖像的方式呈現齣來,即形成瞭主動紅外熱成像檢測技術。
本書將主動紅外熱成像技術與微電子封裝技術可靠性分析相結閤,提齣瞭基於主動紅外探測的微電子封裝缺陷檢測方法,采用光縴耦閤半導體激光器對芯片或基底錶麵進行非接觸式加熱,通過紅外熱像儀獲得芯片錶麵溫度分布以及隨時間的變化,通過熱圖像信號處理提取特徵量,對封裝缺陷進行診斷與識彆,並詳細介紹瞭熱圖像信號的解析方法。全書共5章,具體內容如下:第1章介紹微電子封裝技術及其發展、典型的芯片互連技術,包括凸點倒裝焊工藝以及傳統的封裝缺陷檢測方法;第2章介紹紅外檢測基本原理、紅外檢測係統構成、紅外無損檢測方法,設計並構建主動紅外微電子封裝缺陷檢測係統,並提齣主動紅外微凸點檢測模型;第3章構建倒裝焊芯片的熱傳導數學模型,並給齣解析求解過程,采用有限元法仿真分析倒裝焊內部熱傳導,並對焊球熱性能進行錶徵;第4章介紹主分量分析法和脈衝相位成像法,提齣一種亮斑自參考分析技術,並通過主動紅外倒裝焊凸點缺陷檢測實驗,詳細闡述熱圖像的預處理方法和缺陷辨識技術;第5章介紹人工神經網絡和模糊聚類分析方法,並利用BP神經網絡、概率神經網絡和改進的c均值模糊聚類方法對主動紅外倒裝焊檢測熱圖像信號進行處理,通過對微凸點進行有效分類或聚類,實現缺陷辨識。本書旨在把紅外無損檢測技術與微電子封裝可靠性分析結閤起來,為IC産業提供一種新的缺陷檢測技術和方法。為增強可讀性,本書配有部分彩圖,其中各圖分彆對應正文中相同編號的圖。
本書的研究內容多取材於著者及所在課題組近年來的科研成果,同時也引用瞭許多專傢學者公開發錶的論文和正式齣版的圖書資料,在此錶示衷心的感謝!本書的研究工作得到瞭國傢自然科學基金項目(51305179)的資助。書中許多研究內容是在華中科技大學史鐵林教授和廖廣蘭教授的指導下完成的,謹錶深深謝意!著者的研究和本書的齣版得到瞭江蘇師範大學相關領導和同事們的鼓勵和大力支持,在此深錶感謝!
由於著者水平所限,書中難免存在不妥之處,敬請廣大讀者諒解並予以指正。
著 者
2016年11月
我對《主動紅外微電子封裝缺陷檢測技術》這本書抱有極高的期待,因為我一直對如何利用非接觸、非破壞性的方法來評估微電子器件的質量深感興趣。我原本設想這本書會像一本操作手冊一樣,詳細闡述主動紅外檢測技術的基本原理、關鍵技術和實際應用。具體來說,我期待書中能夠深入講解紅外輻射的基本物理定律,如普朗剋定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律等,以及它們如何應用於熱成像。 我尤其希望書中能詳細介紹“主動”這一概念的實現方式,即如何通過外部熱源(例如LED陣列、激光器、閃光燈等)對被測微電子封裝進行激勵,使其産生可檢測到的溫度變化,並利用紅外相機捕捉這些變化。我希望看到書中能夠分析不同激勵方式(如瞬態熱成像、脈衝熱成像、光熱激勵等)的優劣勢,以及在檢測不同類型的封裝材料和缺陷時,如何選擇最閤適的激勵策略。例如,書中是否會提供具體的激勵功率、激勵時間、以及相機采樣頻率等參數的建議? 同時,對於“微電子封裝”的部分,我原本期望書中能對當前常見的封裝結構(如BGA、QFN、TSV等)及其潛在的缺陷類型(如空洞、脫層、裂紋、虛焊、汙染物等)進行深入分析,並解釋這些缺陷如何影響封裝體的熱特性。我還期待書中能夠展示大量的實際紅外圖像案例,並指導我如何利用圖像處理和分析技術,如濾波、閾值分割、輪廓提取、模式識彆等,來自動化或半自動化地識彆和量化這些缺陷。 然而,在我閱讀這本書的過程中,我發現它並沒有像我預期的那樣提供非常詳盡的技術細節和操作指南。書中關於紅外探測器的具體工作原理、不同紅外波段對不同材料的穿透能力分析、以及相機參數優化等方麵的論述顯得不夠深入。我也沒有看到關於如何精確控製環境因素(如背景溫度、空氣流動等)對檢測結果影響的詳細方法。 總而言之,這本書給我的感覺更像是在勾勒齣主動紅外微電子封裝缺陷檢測技術的研究方嚮和潛在價值,而非提供一套可以直接應用到實際生産中的技術方案。它可能適閤對該領域有一個初步瞭解的讀者,但對於需要掌握具體技術細節、學習如何進行實際操作的工程師來說,這本書的信息量和實用性可能還有待提升。
評分我最近偶然翻閱瞭一本名為《主動紅外微電子封裝缺陷檢測技術》的書,雖然我不是這個領域的專傢,但書中的一些宏觀概念和前沿技術應用讓我倍感好奇,不禁想深入瞭解。我尤其被書名中“主動紅外”和“微電子封裝”這兩個關鍵詞吸引。我的直覺是,這應該是一本非常技術化的書籍,可能會深入探討紅外成像在微電子領域的具體應用,尤其是針對封裝過程中可能齣現的各種細微缺陷。我設想書中會詳細介紹紅外探測器的原理、不同波段紅外光的特性以及如何利用它們來“看穿”不透明的封裝材料,揭示內部的空洞、裂紋、脫層或者材料不均勻等問題。 不過,讀完這本書,我有點意外,它似乎並沒有直接深入到具體的紅外探測器類型、半導體材料的光譜響應或者復雜的成像算法。我原本期待的是一本能夠手把手教我如何搭建主動紅外檢測係統,如何選擇閤適的紅外相機和光源,如何處理原始的紅外圖像數據,以及如何通過圖像分析來量化和識彆缺陷的文章。例如,我希望書中能有關於熱擴散率、熱阻抗等物理量的詳細計算公式和在不同缺陷類型下的錶現規律。我還設想,書中會列舉一些典型的微電子封裝材料,比如環氧樹脂、陶瓷、金屬等,並分析它們對紅外信號的吸收、反射和透射特性。 而且,這本書的側重點似乎也不在於微電子封裝的工藝流程本身。我原本以為,一本與“微電子封裝”相關的書籍,至少會花相當大的篇幅來介紹不同類型的封裝結構,比如QFN、BGA、CSP等等,以及它們在製造過程中可能遇到的挑戰。我期待書中能夠解釋為什麼在這些特定的封裝結構中,某些類型的缺陷更容易齣現,以及這些缺陷會對器件的性能和可靠性造成怎樣的影響。同時,我也希望瞭解主動紅外檢測技術如何與這些不同的封裝工藝相結閤,提供有效的質量控製手段。 從我的角度來看,這本書的敘述方式更像是在描繪一個宏大的技術圖景,而非提供具體的操作指南。我感覺到它可能是在探討主動紅外技術在整個微電子産業鏈中的戰略定位,或者是展望未來這種技術可能的發展方嚮和應用前景。我沒有找到關於如何選擇特定紅外波段以適應不同材料的穿透性,也沒有看到關於如何通過脈衝紅外來激發材料熱響應的細節描述。更不用說關於如何排除環境因素對紅外成像的影響,例如背景輻射、錶麵發射率變化等,這些在實際應用中至關重要的細節,似乎在這本書中並未得到充分的闡述。 總而言之,這本書給瞭我一個初步的印象,它更側重於理論框架的構建和概念的普及,而不是具體的工程實現細節。我感覺作者可能是在試圖為讀者建立起一個關於“主動紅外微電子封裝缺陷檢測”的整體認知,讓他們明白這項技術的重要性、潛力和優勢,但具體到如何去實現、去操作、去解決實際問題,這本書似乎提供的信息相對有限。我個人更傾嚮於尋找一本能夠提供更詳細技術參數、更清晰操作步驟、以及更多實際案例分析的書籍,來幫助我解決我所遇到的具體技術難題。
評分這本書的標題《主動紅外微電子封裝缺陷檢測技術》讓我聯想到一本嚴謹的技術手冊,我原本期待它能像一位經驗豐富的工程師,詳細指導我如何在微電子封裝領域應用主動紅外技術來識彆各種各樣的缺陷。我設想書中會深入探討紅外熱成像的物理學基礎,包括熱傳導、熱對流、熱輻射等基本原理,以及它們如何影響熱量在封裝材料中的分布和散發。 我特彆希望看到書中能詳細闡述“主動”的含義,是如何通過外部能量源(如脈衝激光、LED陣列、閃光燈等)對被測對象施加一個熱激勵,使其産生可觀測的熱響應,從而揭示其內部結構或缺陷。例如,書中會不會介紹不同類型的熱激勵方式(如瞬態熱成像、熱脈衝成像、光熱激勵等)各自的優缺點,以及在檢測不同類型的封裝材料或缺陷時,應如何選擇最閤適的方法?我甚至期待書中能提供一些實際的測試流程和參數設置,比如最佳的激勵時間、相機采樣頻率、以及如何通過熱圖像的動態變化來評估缺陷的大小、形狀和位置。 另外,對於“微電子封裝”這個關鍵部分,我原本期望書中能對當前主流的微電子封裝技術(如BGA、QFN、Wafer-level packaging等)進行簡要介紹,並分析在這些封裝結構中,哪些部位容易産生缺陷,以及這些缺陷(如空洞、脫層、裂紋、焊點連接不良、材料不均勻等)對器件性能和可靠性可能造成的影響。我還希望書中能提供大量的實際案例,展示如何利用采集到的紅外圖像來識彆和診斷這些特定的缺陷,並給齣相應的圖像處理和分析方法,例如如何通過對比不同熱狀態下的圖像來發現熱橋或熱阻異常。 然而,當我閱讀這本書的時候,我發現它並沒有提供我所期待的、那種具體的、可操作性的技術指導。書中缺乏詳細的公式推導和實驗數據,也沒有關於如何選擇和配置紅外相機、光源等硬件設備的具體建議。更重要的是,我沒有找到關於如何對采集到的紅外圖像進行定性或定量分析,以得齣可靠的缺陷判斷的詳細步驟和方法。 總而言之,這本書給我的感覺更像是一篇關於該技術領域的發展前景和理論探討的文章,而不是一本能夠幫助我解決實際工程問題的技術指南。它可能在描繪一個宏觀的技術藍圖,但對於像我這樣希望掌握具體技術細節、學習如何實際操作的讀者來說,這本書所提供的信息深度和實用性都顯得相對不足。
評分這本書的結構和內容,讓我有點摸不著頭腦,完全沒有我期待中的那種技術性深度。我本來以為會看到關於紅外光與物質相互作用的物理學原理的詳盡闡述,例如黑體輻射定律、菲涅爾方程在紅外反射和摺射中的應用,以及不同材料的發射率隨溫度和波長的變化麯綫。我期待的是書中能給齣具體的計算模型,用來預測不同缺陷(如虛焊、空洞、汙染物)如何影響熱擴散,以及如何通過紅外圖像來反演齣這些物理參數。 我猜想,書中可能更多地是在介紹紅外成像的基本原理,例如熱輻射成像、熱成像和熱像圖的生成過程,以及不同類型的紅外探測器,如焦平麵陣列、製冷型和非製冷型紅外探測器的優缺點對比,和它們的響應時間、探測率等關鍵性能指標。我原本還期望,書中能詳細介紹如何設計主動紅外成像的激勵方式,比如瞬態熱成像、脈衝熱成像、光熱成像等,以及不同激勵方式對檢測不同類型缺陷的適用性。 此外,在微電子封裝領域,我更關注的是檢測過程中的一些關鍵技術細節。比如,如何精確控製紅外相機的溫度,以消除其自身的熱噪聲;如何進行紅外圖像的校準和歸一化,以消除非均勻性;以及如何利用先進的圖像處理算法,如邊緣檢測、形態學處理、小波變換等,來增強缺陷的可見性,並實現缺陷的自動化識彆。我期待書中能有關於這些方麵的詳細介紹和實際案例,例如如何通過對比不同時間點的紅外圖像來檢測內部熱阻抗的變化,或者如何利用紅外光譜信息來區分不同材料的缺陷。 然而,我在這本書裏找不到這些我所期望的、具體到操作層麵的技術細節。它似乎更像是一篇宏觀的綜述,或者是對該領域未來發展趨勢的探討,而不是一本實用的技術手冊。我並沒有看到任何關於如何選擇閤適的紅外光源(如鹵素燈、LED、激光等)來激發不同材料的熱響應,也沒有關於如何設計閤適的激發序列以最大化缺陷對比度的具體指導。 總而言之,這本書給我的感覺是,它可能更適閤那些剛剛接觸這個領域,需要建立一個初步概念性框架的讀者。對於我這樣希望深入理解技術原理、掌握實際操作方法的讀者來說,這本書的信息量和深度都顯得不足。它更像是拋齣瞭一個問題,但並沒有提供足夠多的工具和方法來解決這個問題。
評分這本書的標題《主動紅外微電子封裝缺陷檢測技術》聽起來非常吸引人,我以為它會像一本工程手冊一樣,深入淺齣地講解如何利用紅外技術來找齣微電子封裝中的各種“瑕疵”。我設想書中會包含大量關於紅外成像儀器的詳細介紹,比如它們的工作原理、不同探測器陣列的優劣勢、以及各種波段(長波、中波、短波紅外)的成像特性如何影響對不同材料和缺陷的穿透能力。 我特彆期待看到書中能夠詳盡地介紹“主動”這一概念在其中的具體體現。例如,如何設計和選擇閤適的光源來“照亮”被測器件,以激發其特定的熱響應。是使用閃光燈、LED陣列,還是特定頻率的激光?這些光源的選擇又會如何影響檢測效果?書中會不會給齣不同激勵方式(如瞬態熱成像、脈衝熱成像、光熱激勵等)的詳細流程和最佳實踐?我甚至設想,書中會提供一些實際的實驗 setups,包括如何搭建檢測平颱,如何安置紅外相機和光源,以及如何控製環境因素,比如溫度和濕度,來保證檢測結果的準確性。 另外,對於“微電子封裝”這個部分,我原以為書中會對不同類型的封裝結構,比如QFN、BGA、CSP等,進行詳細的介紹,並分析在這些結構中,哪些類型的缺陷(如空洞、裂紋、虛焊、翹麯、汙染物殘留)最常齣現,以及這些缺陷對器件性能的影響。我還期望書中能夠提供一些典型的缺陷圖像,並指導我如何利用紅外圖像分析工具來識彆和量化這些缺陷。例如,書中會不會介紹一些圖像處理算法,如濾波、去噪、邊緣增強、分割等,來幫助我們更清晰地看到隱藏的缺陷? 然而,當我翻閱這本書時,我發現它似乎更偏嚮於一種概念性的介紹,而不是具體的實踐指南。我沒有找到任何關於如何選擇紅外相機型號、如何設置相機參數(如曝光時間、增益、聚焦)以獲得最佳成像效果的建議。也沒有關於如何對采集到的紅外圖像進行定性或定量的分析,以判斷缺陷的類型、大小和嚴重程度的具體方法。 總的來說,這本書給我的感覺是,它更像是一篇關於該技術領域的研究綜述,或者是一個技術趨勢的預測。它可能在勾勒齣這項技術的美好前景,但對於那些希望立刻上手,學習如何實際操作,並解決具體生産問題的讀者來說,這本書提供的具體操作指導和技術細節似乎還不夠充分。
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