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3-D X射線檢測技術已經來臨
David Bernard, PH.D., Dage Precision Industries
先進的3-D封裝技術已取代導線架封裝技術。在導入多個子系統之整合與強化晶圓級封裝，系統設計者乃偏好完整性的子系統測試，而朝向系統級封裝(SiP)設備整合技術發展。印刷板層裝配需要表面黏著之技術，即表示此封裝技術需要與焊盤或焊球凸點作接合之動作，而複合式堆疊晶片級封裝技術(stacked-die packages)，例如：package-in-package (PiP)和package-on-package(PoP)(如圖一所示)，則為尋求更大電路積集密度及更強的電子性能而被發展出來。
這些複雜的3-D封裝類型為目前產品的主流，而典型的包含有多層焊線方式或晶圓堆疊及複合式內部晶片堆疊方式。
封裝技術的複雜性
X射線檢查系統可應用於3-D封裝技術任何特性檢測之需求，並且可提供封裝檢測所面臨的挑戰與封裝、裝配及測試操作期間所產生問題之處理資訊。傳統的2-D X射線影像分析系統無法適用於目前所開發之新穎的封裝類型；其原因為所有疊層會同時顯現，此結果將可能會因多層晶片和多層焊線於影像顯現時的重疊，而造成分析上的混淆進而衍生判讀的誤差，如圖二中所示。
電腦斷層攝影法
電腦斷層攝影法(CT)是利用大量拍攝一系列個體單軸旋轉時的四周2-D X射線圖像，再藉由計算模式幾何學的加工方式處理，用以產生物體3-D模型的成像方法。從1972年發明至今，電腦斷層攝影法有助於全世界的醫師群於疾病上的預測、診斷及治療。由於2-D X射線顯像系統的極限，但此種相同的技術亦正被應用於檢測先進的3-D封裝。具體上來說，複雜的3-D封裝中，晶片黏貼的品質與打線完整性的品質及效率乃逐漸使用電腦斷層攝影法來進行檢測。直到近年來，使用於半導體產業及3-D封裝檢測的電腦斷層攝影受阻於其電腦處理時間緩慢、低解析度及其高費用支出而重新被討論。雖然已有部份電腦斷層攝影系統已經用於半導體檢測，通常其例並無關鍵性之要求及較高元件積集密度的分析性能。不過，發展中的電腦斷層攝影已改善顯像速度且增加複雜的封裝特色之解析度能力，以提供更為完整分析及檢測能力，並且也降低檢測費用的成本。因此，對於複雜的3-D封裝而言，電腦斷層攝影法仍為現今理想的檢測方法，它可即時操控及觀看顯像後所產生的樣品3-D模型，以便診斷出通常於封裝內被其他接合點或構成要素所遮蔽的相互連接處，更加確保完整的封裝檢測(如圖三所示)。
一個電腦斷層攝影模型是將旋轉於X射線光束的樣品或半導體設備之一系列2-D X射線圖像經計算而形成的。那些圖像內的密度變化和當樣品轉動時其相對位置如何的改變，皆於電腦中被評估、重建及經操作可觀看樣品3-D成像之模型，藉此提供3-D電腦斷層攝影模型分析影像或透過物體的任何2-D平面之切片。
成像之要求
為了分析所產生的電腦斷層攝影模型，其關鍵要素包括獲得必需的2-D X射線圖像，再利用計算系統的重建將那些圖像轉成電腦斷層攝影模型；最後，成像化並操控塑造出最終的3-D模型。於360度旋轉中接收一系列的2-D X射線圖像，每一度的旋轉中採取許多措施，因此許多的2-D圖像將可提供更佳的電腦斷層攝影模型。
電腦斷層攝影模型最費時的階段即是圖像的獲得產生，並且取決於所使用的旋轉步階之數量。例如，將樣品完整的旋轉(每旋轉一度有2張圖像)取得720張X射線圖像，相對於旋轉一周取得360張X射線圖像(每旋轉一度有1張圖像)需多花費兩倍長的時間完成。另外，每張2-D X射線圖像平均是由X-ray系統拍攝許多即時圖像之景框所產生的，而每張圖像平均有一定數量的景框間隔，及此X射線系統獲得這些景框的時間，更進一步影響獲得過程的速度。這類型圖像拍攝設備尤其倚賴此種X射線系統。例如，平均取得每張圖像需32個景框(取決於令人滿意的最後圖像品質和處理速度之間作的最佳方法)，且當每秒產生25個景框(fps)，則數位化圖像增強器於1.3秒獲得32個景框；相反地，32個景框的獲得速率可供數位化圖像增強器選擇合適方法，以4 fps的平板探測器需要8.0秒完成之。因此，平板探測器將花費8.0秒，或者每間隔長達6倍。雖然減少間隔數量和/或每間隔平均的景框數量將可以加速圖像的獲得過程，但此程序將會降低3-D模型最後的重建品質。
在圖像獲得的過程中，樣品旋轉的精密度在高解析度下對於達到理想影像重建極為重要，因為樣品旋轉時的精密度需經由數學模式運算，才可精確地追蹤攝影時每張2-D影像的間距，而在缺少精密度的情形之下，將嚴重危及電腦斷層攝影重建的演算能力。與更早期的檢測系統相比，現代化的X射線系統增加了數位化X射線檢測器的有效性，不僅加強了2-D X射線圖像的灰階靈敏度，且於重建期間依次使用大量細微的精密度差距的訊息。
對許多電腦斷層攝影系統來說，電腦斷層攝影生產量之重建過程，本質上也是一種費時的步驟，包括電腦迅速的進行大量複雜運算及計算每階段影像中每個圖素之精密度變化，與當樣品旋轉時如何算出其精密度變化所需要的處理時間，此種方法之處理下，藉由樣品的體積即可完成3-D資訊模型。
重建的3-D模型其解析度通常以圖素量或立體像素定義之。越多的立體像素與越多的處理要求，其最終的3-D模型可獲得越好的品質。典型地電腦斷層攝影系統具有256 x 256 x 56 (2563)、512 x 512 x 512 (5123)或1024 x 1024 x 1024 (10243)的立體像素，其中2563立體像素之陣列相較於5123陣列少8x和10243陣列少64x的資訊。對很多電腦斷層攝影系統來說，電腦斷層攝影重建的產生需要大量額外的時間，因為計算的疲乏且通常完成圖像攝影後仍接續進行作業，由於單一的電腦信息處理機必須連續地進行計算工作，若其模型需要更多的立體像素，則需要大量及激增時間以達成其任務。然而，新型的電腦斷層攝影系統藉由一產生拍攝的2-D圖像就可立即輸入專用的重建伺服器中，有效的將重建過程所需時間降低至最短，為了盡可能快速地處理大量的數據，此系統亦專用於處理電路板。因此，當5123立體像素重建模型要求與2563模型需求相比之下，新系統的電腦斷層攝影處理過程並沒有真正額外的時間損失，實際情形將不是採用連續的方法。故高解析度的電腦斷層攝影模型可觀看完成圖像拍攝的瞬間情形(如圖四所示)。
除了分析複雜的3-D封裝內的晶片黏貼品質和打線完整性之外，大多數的電腦斷層攝影系統亦可執行高解析度的2-D檢測功能。因此，為了滿足製造業檢測需求的普通檢測平台，需擁有迅速的靈活性且X射線系統中的3-D是非常容易可以轉換成2-D模式。再加上最新發展的X射線管之最大的灰階敏感度和最小達到250奈米(0.25微米)的識別特徵，使2-D和3-D的分析成為可能。
系統檢測能力和樣品模型的成像化
電腦斷層攝影最後也是最重要的過程要素必需以先進的處理軟體進行操控來重建其樣品之3-D模型，以促進必要切片的形象之正確分析概觀，關鍵的階段可允許用戶觀看樣品電腦斷層攝影模型的密度結構和改變觀看中的切片。最新電腦斷層攝影系統於電腦中加裝硬體加速製圖卡以作具體操縱運用，並可於線上即時提供電腦斷層攝影模型，亦可離線模式觀看圖像的拍攝，當下拍攝的樣品之2-D圖像時允許分析另一個樣品之模型，此種方法可經由模型的任一平面來觀看個別的切片，更可提供如圖五所示之先進3-D封裝堆疊式晶片中之每一層電腦斷層圖樣，所有堆疊晶片的完整形象、個別的凸塊和多條焊線將可被獨立作分析與檢測。
成像化軟體之功能包括圖像操控－旋轉、搖動攝影和變焦鏡頭，剪除消去多餘的細節，創造固體表面的體積繪製和最大的色飽和度，並修改體積的不透明與顏色；切片－來自任何定向的多個橫截面且改變個別切片的不透明度和顏色之能力；照明模型－為了計算出最佳的3-D感知能力，當有陰影時使用單一或兩個光源。影像儲存方面，則是以JPG或者TIF的檔案形式儲存2-D圖像；影片剪輯創作透過模型允許飛速的導覽以及測量的功能性－例如檢測焊線迴圈的高度。
結論
近年來發展出的先進電腦斷層攝影技術對於3-D封裝檢測無疑是一種理想的關鍵技術，因為它可提供完整的資訊來觀看元件封裝內之相互連接情形，此技術可彌補並應用於2-D X射線檢測系統來觀看元件封裝時可能因元件結構因素遮蔽相互接合而導致判讀的誤差。圖像拍攝技術提供完整的封裝檢測，亦同時快速完成了電腦斷層攝影之體積重建，確保晶片黏貼品質、焊接線的完整性，並可即時改善及監控封裝製程之品質。SST-AP/Taiwan
作者
David Bernard博士任職於Dage Precision Industries，並擔任X射線系統之產品經理，其聯絡方式：Dage Precision Industries, Inc., 48065 Fremont Boulevard, Fremont, CA 94538；電話：510/683-3930；電子郵件信箱︰d.bernard@dage-group.com。
圖一：多種先進3-D之封裝技術。(Courtesy of STATS ChipPAC)
圖二：複雜的3層晶粒及焊線之3-D封裝圖樣。 |
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