塑封基板类器件翻新件无损鉴别方法研究

江徽，郭劼，虞勇坚，张伟，王倩倩

（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，无锡 214035； 2.浙江驰拓科技有限公司，杭州 310000）

引言

通常而言，翻新件是指将淘汰的，使用过的，不同质量等级的或者制造过程中的残次品，经过特的工艺处理，掩盖原有的器件信息，充当合格及正常的新件。翻新器件主要包括使用过的回收器件、低质量等级的器件、相同功能的“杂牌”器件和外部结构相近的仿制器件，此类器件或多或少会存在一些损伤及潜在的隐患，可能直接影响到电子组件乃至整机的可靠性和安全性[1]。

翻新器件的鉴别往往是需要进行破坏性分析的深度分析确认，这极大程度上增加了经济与时间成本。因此，研制翻新件的非破坏性无损鉴别方法，为翻新器件高效筛选和电子产品可靠性保障具有重要意义。本研究借助于外观检查、X 射线检查、声学扫描电子显微镜检查等技术手段，实现了塑封基板类翻新件的无损鉴别。同时，结合相关案例，揭示了塑封基板类器件一些典型的翻新物理特征，可以为塑封基板类翻新器件的鉴别提供指导。并且针对典型翻新物理特征进行综合评价和风险分级，进一步加强了塑封基板类器件应用过程中的风险规避[2,3]。

1 实施方法与步骤

塑封基板类器件翻新件无损鉴别方法，主要包括四个步骤，如图1 所示。

图1 塑封基板类器件翻新件无损鉴别步骤

1）步骤1 是外观检查，借助放大镜、光学显微镜等设备与工具，按照GJB 548B-2005 方法2009 进行，检查器件表面是否存在翻新的物理特征，或与正品技术文件规定的外部特征是否存在差异性，此处要求的正品技术文件包括正规产品规格书，设计手册以及相关官方出具的正规证明文件等。

2）步骤2 是声学扫描电子显微镜检查，采用声学扫描显微镜对每一只样品内部区域进行无损扫描检查，若芯片上粘接有金属热沉，可先按GJB 548-2005 方法2030，C 扫（反射模式）检查热沉与芯片粘接材料等区域中，再进行T 扫（透射模式）检查下填料等区域，检查器件内部是否存在翻新的物理特征，或与正品技术文件规定的内部特征存在差异性。

3）步骤3 是X 射线检查，按GJB 548B-2005 方法2012 的规定，使用X 射线设备检查器件两个方向（俯视和侧视）引线框架、基板、凸点等内部结构，观察是否存在翻新的物理特征，或与正品技术文件规定的内部特征存在差异性。

4）步骤4 是综合分级，结合外观检查、声学扫描电子显微镜超声检查和X 射线检查的各项检验结果进行分析，依据风险等级和影响程度对检测器件进行综合分级，可分为“正常”级（A 类）、“谨慎”级（B 类）以及“异常”级（C 类）三个级别。

2 验证分析

以某款V5 系列、倒装焊塑封单片集成电路（FPGA）为例，以下称案例器件，对塑封基板类器件翻新件无损鉴别方法进行论证。在实施该方法之前应对相关待鉴别器件的正品相关结构以及规格应做足够多的了解与调研，并确保所有获得的信息足够准确性与权威性。经研究正品案例器件具有如图2 所示的结构特征，主要包括：

图2 案例器件结构剖面示意图

1）带有草帽形热沉的非气密性封装外形；

2）有机基板作为封装载体；

3）内部硅芯片（Die）的正面通过共晶或无铅凸点，倒装贴焊在有机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）后加贴热沉（Lid）覆盖；

5）热沉下方、芯片周边有去耦陶瓷电容（Chip Cap）分布，热沉帽沿与基板四角之间通过加涂粘接材料围堰填充和粘接；

6）基板底部植Sn/Ag/Cu 材质BGA 焊球。

2.1 外观检查

按照GJB 548B-2005 方法2009 对案例器件进行外观检查，重点检查基板布线走线图形、色泽、字符，散热片色泽、型号标识、表面形貌，热沉厚度、表面镀层、粗糙度、外形结构，引出端颜色、结构、表面镀涂等区域。如图3 所示，外观检查出现了基板颜色差异、焊球基板面有多余设计图形、异常金属裸露以及数字标识异常等异常物理特征。

图3 案例器件外观检查中典型异常

2.2 声学扫描电子显微镜检查

按GJB 548-2005 方法2030，针对案例器件进行声学扫描电子显微镜超声检查，先进行C 扫检查，再声学T 扫检查，主要检查包括但不局限下列区域的形貌：

1）热沉与芯片粘接材料的形貌和空洞；

2）下填料中的空洞、分层；

3）芯片裂纹；

4）热沉与基板粘接材料的围堰形貌。

如图4 所示，对案例器件进行声学扫描电子显微镜超声检查，结果出现了三种典型形貌，其中C 扫-类型1 同T 扫-类型1 为一一对应关系。C 扫-类型1 粘接材料呈现米字形形貌，周界规则、连续，粘接材料内未发现明显的空洞，同时T 扫-类型1 倒装焊下填料区无明显的阴影、明暗均匀，粘接材料围堰有明显的四个缺口等物理特征，同官方给出的技术文件规定内容匹配。

图4 案例器件声学扫描电子显微镜检查中的典型结果

C 扫-类型2 芯片粘接胶形貌呈现类雪花型，涂胶明显不均匀；周界不规则或不连续，粘接材料缺口突入芯片区，外围胶有四边或两边缺口；同一颗芯片透射图像存在局部明暗差异。同时，在T 扫-类型2 中可见倒装焊下填料区有雪花形缺口引起的明显阴影，并且存在较多的细小空洞，基于这些物理特征是不能判别为翻新件，只是由于机器涂胶不均匀导致，但是有一定的可靠性隐患，应谨慎使用。

C 扫-类型3 粘接材料呈现类方形形貌，周界不规则或不连续，粘接材料内存在明显的条状或花纹状空洞，在T 扫-类型3 中倒装焊下填料区呈现明显的阴影、明暗不均匀区域，粘接材料围堰也无明显缺口，明显是二次涂胶后产生的痕迹。

2.3 X 射线检查

按GJB 548B-2005方法2012规定，对每一只器件在两个方向（俯视和侧视）作X 射线检查。主要检查包括但不局限下列区域的形貌：

1）热沉的内部结构；

2）基板上的电容等辅助器件；

3）焊球阵列结构形貌；

4）倒装区的凸点结构形貌。

如图5 所示，对案例器件进行X 射线检查，正品器件整体形貌规则有序，电容等辅助元件排布一致、无缺损、开裂等异常。倒装凸点形貌呈现规则的圆形，凸点大小均匀，明暗清晰。而经过翻新的器件，由于在翻新过程中的外在应力的引入，会造成辅助器件位置偏移或缺失，倒装凸点形貌不规则，凸点有缩小、缺损、变淡、重熔、互连等异常[4]。

图5 案例器件X 射线检查中的典型结果

2.4 风险分级

结合外观检查、声学扫描电子显微镜检查、X 射线检查的结果，综合分析后对案例器件进行风险分级的确定，分级依据与等级如表1 所示。其中“正常”级（A 类）为正品可以正常使用；“谨慎”级（B 类）存在一定潜在的缺陷，有一定的翻新概率，应谨慎使用或使用过程中应加强外在防护；“异常”级（C 类）确认为翻新件，应避免使用。

表1 案例器件综合分级表

2.5 结果确认

为了进一步确认无损鉴别与综合分级的可靠与准确性，每一种综合等级随机选择1 颗样品进行开封验证，结果如图6 所示，其中正常级经过开封观察，结果显示粘接胶相对均匀，形貌呈现类（近）米字形，整体内部表面洁净明亮，辅助器件外观形貌良好，未见明显的翻新物理特征。谨慎级经过开封观察，结果显示粘接胶填充不均匀，形貌呈现类雪花型，并且存在空洞，虽未见明显的翻新物理特征，但可靠性水平需进一步考察后，应谨慎使用。异常级经过开封观察，结果显示，粘接胶形貌呈现不规则类，并且有明显的二次涂胶痕迹，外围胶缺口被二次涂胶掩盖，证实为翻新器件。经过开封验证进一步说明了无损鉴别与综合分级的有效性[5]。

图6 案例器件不同综合等级下开封验证结果

3 典型翻新物理特征

塑封基板类翻新件的无损鉴别方法，主要是依据外观检查、声学扫描电子显微镜检查以及×射线检查，从中提取差异性的物理特征，从而进行风险等级的判别。通过案例积累，梳理出了以下典型翻新物理特征，以帮助塑封基板类器件进行有效的翻新鉴别。

3.1 外观典型翻新物理特征

经过工程验证总结与积累，针对塑封基板类器件外观检查，可获取的典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下几种：

1）外观标识的字体、位置、大小等与同批次器件明显不一样，或有后补打标迹象；

2）封装基板厚度、材质以及颜色等有明显异常，或同正品存在差异性；

3）热沉厚度、粗糙度、外形结构等有明显异常，或同正品存在差异性；

4）引出端颜色、结构、表面镀涂等有明显异常，或同正品存在差异性；

5）对于引出端形式为焊球阵列的器件，焊球偏离、破裂、扭曲或受损、焊球腐蚀、结壳或残留助焊剂而变色等异常状态，或同正品存在差异性；

6）对于阻焊膜有损坏或裂纹、有异常的补漆或修复现象、有残余物等异常，或同正品存在差异性[6,7]。

3.2 声学扫描电子显微镜典型翻新物理特征

采用声学扫描电子显微镜超声检查，对翻新件进行鉴别时，应注意热沉与芯片粘接材料的形貌和空洞情况，下填料声波透射的均匀性以及粘接材料的围形貌等关键区域的物理特征的检查。粘接材料呈现不规则形状、周界不规则或不连续、粘接材料内存在明显的空洞以及同官方给出的技术文件规定存在明显差异性的形貌，都有可能是翻新后产生的物理特征[8,9]。其主要典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下几种：

1）C 扫描，粘接材料呈现差异性形貌，周界不规则或不连续；

2） C 扫描，粘接材料内存在明显的条状或花纹状空洞；

3）T 扫描，倒装焊下填料区呈现明显的阴影、明暗不均匀区域；

4） T 扫描，粘接材料围堰检测到差异性形貌；

5）芯片区域出现裂纹、空洞、分层等明显异常。

3.3 X 射线典型翻新物理特征

结合验证结果，通过X 射线检查鉴别塑封基板类翻新件时，可获取的典型翻新物理特征，主要包含但不局限于以下几种：

1）热沉的内部结构与设计规定不相符；

2）辅助器件外形尺寸异常、缺失、开裂以及位置明显偏离设计等物理特征；

3）对于焊球阵列出现缺失、空洞（空洞超过其直径或体积的25 %）或焊球间桥连等物理特征；

4）对于内部凸点出现缺失、凸点小于或大于设计值（标称值）的20 %或凸点间的桥连等物理特征[10]。

4 总结

本文通过对塑封基板类器件翻新件无损鉴别方法的研究，探索了一种便捷经济且高效的无损鉴别技术，并结合相关案例详细说明了该方法的实施流程与效果，同时还针对性的提出了塑封基板类翻新件的相关典型物理特征，为塑封基板类器件工程应用中的无损鉴别筛选和可靠性保障提供了支撑与参考。