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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。

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

电子/通信

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。

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主动红外微电子封装缺陷检测技术