塑封基板類器件翻新件無損鑒別方法研究

江徽，郭劼，虞勇堅，張偉，王倩倩

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，無錫 214035； 2.浙江馳拓科技有限公司，杭州 310000）

引言

通常而言，翻新件是指將淘汰的，使用過的，不同質量等級的或者制造過程中的殘次品，經過特的工藝處理，掩蓋原有的器件信息，充當合格及正常的新件。翻新器件主要包括使用過的回收器件、低質量等級的器件、相同功能的“雜牌”器件和外部結構相近的仿制器件，此類器件或多或少會存在一些損傷及潛在的隱患，可能直接影響到電子組件乃至整機的可靠性和安全性[1]。

翻新器件的鑒別往往是需要進行破壞性分析的深度分析確認，這極大程度上增加了經濟與時間成本。因此，研制翻新件的非破壞性無損鑒別方法，為翻新器件高效篩選和電子產品可靠性保障具有重要意義。本研究借助于外觀檢查、X 射線檢查、聲學掃描電子顯微鏡檢查等技術手段，實現了塑封基板類翻新件的無損鑒別。同時，結合相關案例，揭示了塑封基板類器件一些典型的翻新物理特征，可以為塑封基板類翻新器件的鑒別提供指導。并且針對典型翻新物理特征進行綜合評價和風險分級，進一步加強了塑封基板類器件應用過程中的風險規避[2,3]。

1 實施方法與步驟

塑封基板類器件翻新件無損鑒別方法，主要包括四個步驟，如圖1 所示。

圖1 塑封基板類器件翻新件無損鑒別步驟

1）步驟1 是外觀檢查，借助放大鏡、光學顯微鏡等設備與工具，按照GJB 548B-2005 方法2009 進行，檢查器件表面是否存在翻新的物理特征，或與正品技術文件規定的外部特征是否存在差異性，此處要求的正品技術文件包括正規產品規格書，設計手冊以及相關官方出具的正規證明文件等。

2）步驟2 是聲學掃描電子顯微鏡檢查，采用聲學掃描顯微鏡對每一只樣品內部區域進行無損掃描檢查，若芯片上粘接有金屬熱沉，可先按GJB 548-2005 方法2030，C 掃（反射模式）檢查熱沉與芯片粘接材料等區域中，再進行T 掃（透射模式）檢查下填料等區域，檢查器件內部是否存在翻新的物理特征，或與正品技術文件規定的內部特征存在差異性。

3）步驟3 是X 射線檢查，按GJB 548B-2005 方法2012 的規定，使用X 射線設備檢查器件兩個方向（俯視和側視）引線框架、基板、凸點等內部結構，觀察是否存在翻新的物理特征，或與正品技術文件規定的內部特征存在差異性。

4）步驟4 是綜合分級，結合外觀檢查、聲學掃描電子顯微鏡超聲檢查和X 射線檢查的各項檢驗結果進行分析，依據風險等級和影響程度對檢測器件進行綜合分級，可分為“正?！奔墸ˋ 類）、“謹慎”級（B 類）以及“異?！奔墸– 類）三個級別。

2 驗證分析

以某款V5 系列、倒裝焊塑封單片集成電路（FPGA）為例，以下稱案例器件，對塑封基板類器件翻新件無損鑒別方法進行論證。在實施該方法之前應對相關待鑒別器件的正品相關結構以及規格應做足夠多的了解與調研，并確保所有獲得的信息足夠準確性與權威性。經研究正品案例器件具有如圖2 所示的結構特征，主要包括：

圖2 案例器件結構剖面示意圖

1）帶有草帽形熱沉的非氣密性封裝外形；

2）有機基板作為封裝載體；

3）內部硅芯片（Die）的正面通過共晶或無鉛凸點，倒裝貼焊在有機基板上并加以底部填充（Under fill）；

4）硅芯片（Die）背面加涂粘接材料（Thermal Adhesive）后加貼熱沉（Lid）覆蓋；

5）熱沉下方、芯片周邊有去耦陶瓷電容（Chip Cap）分布，熱沉帽沿與基板四角之間通過加涂粘接材料圍堰填充和粘接；

6）基板底部植Sn/Ag/Cu 材質BGA 焊球。

2.1 外觀檢查

按照GJB 548B-2005 方法2009 對案例器件進行外觀檢查，重點檢查基板布線走線圖形、色澤、字符，散熱片色澤、型號標識、表面形貌，熱沉厚度、表面鍍層、粗糙度、外形結構，引出端顏色、結構、表面鍍涂等區域。如圖3 所示，外觀檢查出現了基板顏色差異、焊球基板面有多余設計圖形、異常金屬裸露以及數字標識異常等異常物理特征。

圖3 案例器件外觀檢查中典型異常

2.2 聲學掃描電子顯微鏡檢查

按GJB 548-2005 方法2030，針對案例器件進行聲學掃描電子顯微鏡超聲檢查，先進行C 掃檢查，再聲學T 掃檢查，主要檢查包括但不局限下列區域的形貌：

1）熱沉與芯片粘接材料的形貌和空洞；

2）下填料中的空洞、分層；

3）芯片裂紋；

4）熱沉與基板粘接材料的圍堰形貌。

如圖4 所示，對案例器件進行聲學掃描電子顯微鏡超聲檢查，結果出現了三種典型形貌，其中C 掃-類型1 同T 掃-類型1 為一一對應關系。C 掃-類型1 粘接材料呈現米字形形貌，周界規則、連續，粘接材料內未發現明顯的空洞，同時T 掃-類型1 倒裝焊下填料區無明顯的陰影、明暗均勻，粘接材料圍堰有明顯的四個缺口等物理特征，同官方給出的技術文件規定內容匹配。

圖4 案例器件聲學掃描電子顯微鏡檢查中的典型結果

C 掃-類型2 芯片粘接膠形貌呈現類雪花型，涂膠明顯不均勻；周界不規則或不連續，粘接材料缺口突入芯片區，外圍膠有四邊或兩邊缺口；同一顆芯片透射圖像存在局部明暗差異。同時，在T 掃-類型2 中可見倒裝焊下填料區有雪花形缺口引起的明顯陰影，并且存在較多的細小空洞，基于這些物理特征是不能判別為翻新件，只是由于機器涂膠不均勻導致，但是有一定的可靠性隱患，應謹慎使用。

C 掃-類型3 粘接材料呈現類方形形貌，周界不規則或不連續，粘接材料內存在明顯的條狀或花紋狀空洞，在T 掃-類型3 中倒裝焊下填料區呈現明顯的陰影、明暗不均勻區域，粘接材料圍堰也無明顯缺口，明顯是二次涂膠后產生的痕跡。

2.3 X 射線檢查

按GJB 548B-2005方法2012規定，對每一只器件在兩個方向（俯視和側視）作X 射線檢查。主要檢查包括但不局限下列區域的形貌：

1）熱沉的內部結構；

2）基板上的電容等輔助器件；

3）焊球陣列結構形貌；

4）倒裝區的凸點結構形貌。

如圖5 所示，對案例器件進行X 射線檢查，正品器件整體形貌規則有序，電容等輔助元件排布一致、無缺損、開裂等異常。倒裝凸點形貌呈現規則的圓形，凸點大小均勻，明暗清晰。而經過翻新的器件，由于在翻新過程中的外在應力的引入，會造成輔助器件位置偏移或缺失，倒裝凸點形貌不規則，凸點有縮小、缺損、變淡、重熔、互連等異常[4]。

圖5 案例器件X 射線檢查中的典型結果

2.4 風險分級

結合外觀檢查、聲學掃描電子顯微鏡檢查、X 射線檢查的結果，綜合分析后對案例器件進行風險分級的確定，分級依據與等級如表1 所示。其中“正?！奔墸ˋ 類）為正品可以正常使用；“謹慎”級（B 類）存在一定潛在的缺陷，有一定的翻新概率，應謹慎使用或使用過程中應加強外在防護；“異?！奔墸– 類）確認為翻新件，應避免使用。

表1 案例器件綜合分級表

2.5 結果確認

為了進一步確認無損鑒別與綜合分級的可靠與準確性，每一種綜合等級隨機選擇1 顆樣品進行開封驗證，結果如圖6 所示，其中正常級經過開封觀察，結果顯示粘接膠相對均勻，形貌呈現類（近）米字形，整體內部表面潔凈明亮，輔助器件外觀形貌良好，未見明顯的翻新物理特征。謹慎級經過開封觀察，結果顯示粘接膠填充不均勻，形貌呈現類雪花型，并且存在空洞，雖未見明顯的翻新物理特征，但可靠性水平需進一步考察后，應謹慎使用。異常級經過開封觀察，結果顯示，粘接膠形貌呈現不規則類，并且有明顯的二次涂膠痕跡，外圍膠缺口被二次涂膠掩蓋，證實為翻新器件。經過開封驗證進一步說明了無損鑒別與綜合分級的有效性[5]。

圖6 案例器件不同綜合等級下開封驗證結果

3 典型翻新物理特征

塑封基板類翻新件的無損鑒別方法，主要是依據外觀檢查、聲學掃描電子顯微鏡檢查以及×射線檢查，從中提取差異性的物理特征，從而進行風險等級的判別。通過案例積累，梳理出了以下典型翻新物理特征，以幫助塑封基板類器件進行有效的翻新鑒別。

3.1 外觀典型翻新物理特征

經過工程驗證總結與積累，針對塑封基板類器件外觀檢查，可獲取的典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下幾種：

1）外觀標識的字體、位置、大小等與同批次器件明顯不一樣，或有后補打標跡象；

2）封裝基板厚度、材質以及顏色等有明顯異常，或同正品存在差異性；

3）熱沉厚度、粗糙度、外形結構等有明顯異常，或同正品存在差異性；

4）引出端顏色、結構、表面鍍涂等有明顯異常，或同正品存在差異性；

5）對于引出端形式為焊球陣列的器件，焊球偏離、破裂、扭曲或受損、焊球腐蝕、結殼或殘留助焊劑而變色等異常狀態，或同正品存在差異性；

6）對于阻焊膜有損壞或裂紋、有異常的補漆或修復現象、有殘余物等異常，或同正品存在差異性[6,7]。

3.2 聲學掃描電子顯微鏡典型翻新物理特征

采用聲學掃描電子顯微鏡超聲檢查，對翻新件進行鑒別時，應注意熱沉與芯片粘接材料的形貌和空洞情況，下填料聲波透射的均勻性以及粘接材料的圍形貌等關鍵區域的物理特征的檢查。粘接材料呈現不規則形狀、周界不規則或不連續、粘接材料內存在明顯的空洞以及同官方給出的技術文件規定存在明顯差異性的形貌，都有可能是翻新后產生的物理特征[8,9]。其主要典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下幾種：

1）C 掃描，粘接材料呈現差異性形貌，周界不規則或不連續；

2） C 掃描，粘接材料內存在明顯的條狀或花紋狀空洞；

3）T 掃描，倒裝焊下填料區呈現明顯的陰影、明暗不均勻區域；

4） T 掃描，粘接材料圍堰檢測到差異性形貌；

5）芯片區域出現裂紋、空洞、分層等明顯異常。

3.3 X 射線典型翻新物理特征

結合驗證結果，通過X 射線檢查鑒別塑封基板類翻新件時，可獲取的典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下幾種：

1）熱沉的內部結構與設計規定不相符；

2）輔助器件外形尺寸異常、缺失、開裂以及位置明顯偏離設計等物理特征；

3）對于焊球陣列出現缺失、空洞（空洞超過其直徑或體積的25 %）或焊球間橋連等物理特征；

4）對于內部凸點出現缺失、凸點小于或大于設計值（標稱值）的20 %或凸點間的橋連等物理特征[10]。

4 總結

本文通過對塑封基板類器件翻新件無損鑒別方法的研究，探索了一種便捷經濟且高效的無損鑒別技術，并結合相關案例詳細說明了該方法的實施流程與效果，同時還針對性的提出了塑封基板類翻新件的相關典型物理特征，為塑封基板類器件工程應用中的無損鑒別篩選和可靠性保障提供了支撐與參考。