張繼靜，連軍莉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

在電子產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，塑膠封裝器件在裝配前是否存在內(nèi)部缺陷是個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。在半導(dǎo)體產(chǎn)品中，裂紋、分層和氣孔等在正常使用過(guò)程中會(huì)擴(kuò)漲或局部腐蝕，可能會(huì)進(jìn)一步引起內(nèi)部斷線，這些內(nèi)部缺陷往往會(huì)產(chǎn)生可靠性問(wèn)題導(dǎo)致電子產(chǎn)品的失效。隨著電子工業(yè)時(shí)代的飛速發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而生了一種新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)探測(cè)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，檢查缺陷，并對(duì)材料做定性分析，這就是超聲掃描檢測(cè)。

利用超聲波進(jìn)行電子產(chǎn)品的檢測(cè)，高頻聲波進(jìn)入被測(cè)物體中以獲取關(guān)于物體的信息而不會(huì)以任何方式改變或損壞物體。超聲掃描檢測(cè)是非破壞性的，即使沒有找到結(jié)論性的證據(jù)，也不會(huì)對(duì)進(jìn)一步的失效分析操作造成負(fù)面影響。

超聲掃描檢測(cè)系統(tǒng)可以用來(lái)檢測(cè)器件缺陷，使用者分析缺陷類型后對(duì)器件進(jìn)行分類處理。超聲掃描檢測(cè)系統(tǒng)不僅能檢測(cè)分層、氣孔、裂縫和夾雜等缺陷，而且在判別密度差異、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀的變化方面也具有一定的能力。超聲掃描檢測(cè)系統(tǒng)可識(shí)別出含有缺陷的器件，撿出有缺陷的器件可避免增加后續(xù)加工生產(chǎn)成本，從而提高裝配線的合格率。超聲掃描檢測(cè)獲得的資料可找出前期造成缺陷的工藝過(guò)程，為改進(jìn)工藝提供信息。用超聲掃描方法對(duì)器件內(nèi)部的缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，是目前對(duì)封裝好后的器件進(jìn)行檢測(cè)的最可靠手段，通過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)流程的問(wèn)題，便于生產(chǎn)控制和品質(zhì)檢驗(yàn)；通過(guò)檢驗(yàn)，防止損壞的部件進(jìn)入下一個(gè)生產(chǎn)流程，降低次品的產(chǎn)生率，降低生產(chǎn)成本。

1 超聲掃描技術(shù)

超聲掃描的工作原理：由傳感器產(chǎn)生特定頻率(5 MHz～2 GHz)的超聲波脈沖，通過(guò)耦合介質(zhì)（如去離子水、酒精等）到達(dá)樣品。由于超聲能量的傳遞要求介質(zhì)是連續(xù)的，所以如氣孔、雜質(zhì)、分層、裂紋等不連續(xù)界面都會(huì)干擾超聲信號(hào)傳播或?qū)е鲁曅盘?hào)發(fā)生反射。當(dāng)脈沖通過(guò)樣品的時(shí)候，由于聲阻的不同，在有缺陷或粘結(jié)不良的界面會(huì)出現(xiàn)反射波，通過(guò)安裝有超聲波換能器的掃描軸，可以對(duì)待測(cè)品進(jìn)行高速掃描，以得到一張高分辨率的超聲波圖像。在反射回波脈沖中，有選擇地聚焦，并使用聲學(xué)阻抗極性檢測(cè)器(AIPD)等分析技術(shù)，就可以從樣品選定的深度和平面中或從粘結(jié)界面檢測(cè)到分層的界面或者缺陷。

超聲掃描檢測(cè)的檢測(cè)方法很多，可以從不同方面來(lái)觀察器件的內(nèi)部缺陷和結(jié)構(gòu)。超聲掃描檢測(cè)有接觸式和非接觸式，接觸式分為固態(tài)接觸和液態(tài)接觸。

固態(tài)接觸就是探頭與工件之間足夠緊密地接觸，以實(shí)現(xiàn)聲能的傳遞。因此要實(shí)現(xiàn)固態(tài)接觸，探頭接觸面及工件表面均應(yīng)十分光滑，并需施加較大壓力，以達(dá)到緊密配合的程度，這在實(shí)際檢測(cè)中往往不易實(shí)現(xiàn)。液態(tài)接觸借助探頭與工件表面之間涂敷的液體，排除空氣間隙，以實(shí)現(xiàn)聲能的傳遞。這種方法探頭與被檢物不接觸，因此，超聲波的發(fā)射與接收都比較穩(wěn)定，不受接觸壓力、表面光潔度等因素的影響。探頭發(fā)射的聲波經(jīng)過(guò)一段液體后再進(jìn)入工件，使得這種方式比固態(tài)接觸更為有效。在浸液檢測(cè)中，通過(guò)浸漬液體實(shí)現(xiàn)耦合，這時(shí)的液體就是耦合劑。一般用純凈水作耦合劑，超聲波的發(fā)射與接收都比較穩(wěn)定，且對(duì)被測(cè)物無(wú)污染和損害。因此液態(tài)接觸檢測(cè)比較常用。

液態(tài)接觸檢測(cè)大體上分為透射掃描模式和反射掃描模式。

1.1 透射掃描模式

透射掃描是一種基本的檢測(cè)方法，和X射線檢測(cè)相似，使用超聲波透射檢測(cè)可快速觀察到樣品內(nèi)部的缺陷，而且容易操作，但是無(wú)法對(duì)缺陷的尺寸和位置進(jìn)行測(cè)試，只能確定缺陷的存在與否。透射掃描中超聲波透過(guò)樣品全部厚度，這種操作模式提供的是該部件全部的投影圖像。因?yàn)槌暡ú荒芡ㄟ^(guò)空氣隙（分層，裂縫或空洞），信號(hào)的阻斷在圖像上看就是黑色的區(qū)域，因此對(duì)某些缺陷會(huì)漏檢，一般使用較少，見圖1所示。

圖1 透射式掃描模式

1.2 反射掃描模式

反射掃描分析超聲波在分層或者缺陷上的反射波，可以確定缺陷的位置和尺寸，具有多種檢測(cè)方法（見圖 2）。

圖2 各種反射式掃描模式

圖2中：A掃描是單點(diǎn)掃描模式，是創(chuàng)建和解釋圖像的基礎(chǔ)。可以檢測(cè)波形并將波形、反射波的相位以及大小顯示在示波器上，用于判斷缺陷。A掃描是最精確的檢測(cè)方式，但是只能對(duì)于一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析不能對(duì)于一個(gè)平面分析，可以用來(lái)確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果。

B掃描是縱向截面模式，可以檢測(cè)垂直x方向的二維截面圖，顯示每個(gè)界面垂直x方向的截面圖，用于檢測(cè)裂縫、傾斜和空洞等缺陷，分析水平缺陷。

C掃描是單一層面掃描模式，檢測(cè)水平方向的二維截面圖，在一個(gè)界面對(duì)焦后顯示的平行x方向的圖片，用于檢測(cè)離層，芯片裂縫等缺陷。C掃描是最常用的檢測(cè)方式，但是需要專家分析。

TAM I掃描（逐層掃描）是多層掃描模式，可以同時(shí)掃描出2～999層C式掃描方式，可探測(cè)所有種類的缺陷，不需要專家，不需要聚焦，可以檢查任何細(xì)微的界面，可探測(cè)小到波長(zhǎng)1.5倍的層厚。

托盤掃描是Tray盤掃描模式，可同時(shí)掃描2個(gè)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)托盤中的元件，進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)收集和分析作為接受或拒收的標(biāo)準(zhǔn)；

表面掃描，因?yàn)槌暡▽?duì)空氣隙（空洞，裂縫和分層）類型缺陷的高敏感性，它甚至經(jīng)常在檢測(cè)一個(gè)樣品表面是否存在裂縫都是有用的。在表面掃描中，從表面直接反射回來(lái)的超聲波被記錄下來(lái)，裂縫是很明顯的。在表面波掃描中，超聲波沿著部件表面?zhèn)鞑ァ１砻媪芽p顯示在這種模式中有高聲學(xué)對(duì)比度。

Q-BAM掃描（聚焦軸多層定向掃描）是定量縱向聚焦截面掃描模式，用于虛擬切面分析。Q-BAM成像模式提供了一個(gè)樣品的無(wú)損剖面圖像。為了提供最精確的深度和圖像幅度/極性信息，Q-BAM保持在掃描的每一層都保持著合適的焦點(diǎn)。與B掃描的區(qū)別：在B掃描中僅保持著單一的焦距。結(jié)果就導(dǎo)致在探頭的焦距范圍內(nèi)的信息是最精確的，在焦距范圍以外就不太精確了。

超聲掃描的基本圖像處理功能包括：中值濾波、均值濾波、圖像增強(qiáng)、輪廓提取、邊界增強(qiáng)、浮雕顯示、反色處理、偽彩色處理、灰度波形統(tǒng)計(jì)、偽3D顯示、量化分析等。其中，濾波功能可以提高判別分層缺陷或其他結(jié)構(gòu)的圖像對(duì)比度；圖像增強(qiáng)可以調(diào)整對(duì)比度，將圖像中的黑點(diǎn)缺陷增強(qiáng)，以便識(shí)別；邊界增強(qiáng)將不同灰度范圍邊界增強(qiáng)，顯示缺陷邊界的形狀；浮雕顯示通過(guò)灰度處理顯示出缺陷的立體效果。除了上述主要功能之外，超聲掃描檢測(cè)還有很多方便使用的小工具，比如顯示圖像的刻度，示波器的波形疊加、測(cè)量工具、微調(diào)焦點(diǎn)、波形存儲(chǔ)、波形分類、聲阻抗測(cè)量。當(dāng)器件內(nèi)部存在多個(gè)分層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量?jī)?nèi)部交界面反射，使用波形分類功能，可以進(jìn)行正確的回聲分類整理，提高聲學(xué)成像的準(zhǔn)確度。

檢測(cè)結(jié)果的分析方法主要有：脈沖回波分析和通過(guò)放置在塑封體下接收器所探測(cè)到的透射信號(hào)分析。在超聲無(wú)損檢測(cè)中，傳統(tǒng)的脈沖回波法在許多方面得到了應(yīng)用，它利用反射體反射超聲波的幅值及其出現(xiàn)的時(shí)間來(lái)反映反射體的大小及位置。

2 超聲掃描面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

2.1 超聲掃描面臨的機(jī)遇

超聲掃描檢測(cè)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高，且發(fā)展較快的一種無(wú)損檢技術(shù)。它可以在不破壞元器件的情況下，檢測(cè)器件內(nèi)部的氣孔、裂紋、夾雜和孔隙率等問(wèn)題；它可以穿透大部分工業(yè)上應(yīng)用的材料，對(duì)不同材料的粘接層非常敏感，應(yīng)力、熱脹冷縮等造成的變形、裂紋等內(nèi)部潛在缺陷和事故都可以通過(guò)超聲掃描進(jìn)行檢測(cè)。超聲掃描在產(chǎn)品的品質(zhì)檢驗(yàn)、質(zhì)量控制、生產(chǎn)過(guò)程控制及失效分析等方面都有廣泛的應(yīng)用。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快，多年來(lái)一直是主要的檢測(cè)方法。

超聲波的特點(diǎn)：微米級(jí)的分辨率、高靈敏度、能夠檢測(cè)出細(xì)微缺陷的大小、位置和形狀，實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)被測(cè)體無(wú)害。超聲波是目前僅有的評(píng)估半導(dǎo)體可靠性的方法，使用超聲波可以對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可以保留在損壞性檢測(cè)中被丟失的細(xì)微缺陷；樣品通過(guò)檢測(cè)后可以繼續(xù)使用。

超聲掃描的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括半導(dǎo)體、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)。在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用，可以檢測(cè)半導(dǎo)體材料內(nèi)部多種缺陷：裂紋、分層、夾雜物、附著物、空隙等；通過(guò)圖像對(duì)比度可以判別材料內(nèi)部聲阻抗差異、確定缺陷形狀和尺寸、確定缺陷方位。超聲掃描檢測(cè)還可以用來(lái)進(jìn)行材料檢測(cè)、MEMS、光電器件檢測(cè)、微組裝封裝組件、塑封封裝器件、器件/印刷電路板熱沉焊接質(zhì)量、多層陶瓷電容器、倒裝焊接等多種分析檢測(cè)。

2.2 超聲掃描面臨的挑戰(zhàn)

兩種不同聲阻抗材料的分界線被稱為聲阻抗界面。當(dāng)聲音在正常入射的情況下到達(dá)聲阻抗界面時(shí)，一部分聲能反射，一部分透過(guò)了這個(gè)邊界。最后，當(dāng)超聲波前行穿過(guò)媒質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生衰減。假如沒有較大的反射，有3個(gè)產(chǎn)生衰減的原因：衍射、散射和吸收。穿過(guò)一種材料的衰減值在選擇用于應(yīng)用的換能器時(shí)起著重要作用。超聲掃描過(guò)程中要在以下幾方面進(jìn)行協(xié)調(diào)，以達(dá)到最好的檢測(cè)效果。

2.2.1 頻率的選擇

超聲頻率在很大程度上決定了超聲波檢測(cè)能力，必須選取合適。頻率高時(shí)，分辨率高，缺陷定位準(zhǔn)確，但掃描空間小，而且超聲波在材料中衰減大，穿透能力差。頻率低時(shí)，分辨率低，但掃描空間大，穿透能力強(qiáng)。由于超聲波發(fā)射峰值功率有限，使得檢測(cè)深度與分辨率之比受到限制，即要想增加檢測(cè)深度，就要犧牲分辨率;要想提高分辨率，就要減小檢測(cè)深度。

2.2.2 探頭的選擇

探頭的選擇主要是對(duì)頻率、晶片尺寸和角度等幾方面的選擇。探頭頻率越高，價(jià)格就會(huì)越高；探頭晶片尺寸大時(shí)，發(fā)射能量大，擴(kuò)散角小，掃查空間大，近場(chǎng)長(zhǎng)度長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離小缺陷的能力高。對(duì)于圓形晶片的探頭，一般采用直接為14～20 mm的晶片。對(duì)于大型器件的檢測(cè)，盡可能使用大直徑晶片的探頭。小直徑晶片的探頭在近場(chǎng)范圍內(nèi)聲束窄，有利于缺陷定位，宜于較小厚度器件的檢測(cè)。探頭形式的選擇要根據(jù)缺陷所在部位確定選擇直探頭或斜探頭。

2.2.3 耦合劑的選擇

超聲檢測(cè)中使用的耦合劑，從多方面考慮要具備以下性質(zhì)：（1）容易附著在器件表面，有足夠浸潤(rùn)性，借以排除探頭與檢測(cè)面之間由器件表面粗糙造成的空氣薄層；（2）聲阻抗大，盡量與被檢測(cè)材料的聲阻抗相差小些，以利于聲能盡可能多的進(jìn)入器件；（3）對(duì)人體無(wú)害，對(duì)被測(cè)器件無(wú)腐蝕作用；（4）容易清洗；（5）來(lái)源方便，價(jià)格低廉。實(shí)際常用的耦合劑有：機(jī)油、水、甘油、酒精和水玻璃，其中水或去離子水最為常用，也是最實(shí)用的一種耦合劑。

使用者關(guān)注的還有掃描范圍、掃描速度、掃描分辨率、掃描模式等其他功能，各個(gè)超聲掃描檢測(cè)設(shè)備的生產(chǎn)廠家都在這些方面進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

2.3 超聲掃描與X-RAY的異同點(diǎn)

目前X-Ray掃描是用于電子產(chǎn)品檢測(cè)的主要方法。對(duì)于同一檢測(cè)機(jī)構(gòu)，超聲掃描與X-Ray是互不矛盾、相互補(bǔ)充的非破壞性檢測(cè)手段和工具。它們的主要差異在于展示樣品的特性不同。X-Ray可以穿過(guò)塑封材料并對(duì)封裝內(nèi)部的金屬部件成像，因此特別適用于評(píng)價(jià)由流動(dòng)誘導(dǎo)應(yīng)力引起的引線變形。

X-Ray為不可見，通過(guò)X光的透射和穿透，基于材料密度的差異，來(lái)觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；密度高的金屬材料比較密度低的陶瓷和塑料等材料，對(duì)于X射線有較大的不透過(guò)性和較少的穿透能力，X-Ray對(duì)于材料內(nèi)部分層、微小裂紋和虛焊等缺陷是非常不敏感、比較困難探測(cè)的，除非材料有足夠物理上的分離。X-Ray射線成像操作采用的是穿透模式，得到整個(gè)樣品厚度的一個(gè)合成圖像。

超聲掃描檢測(cè)設(shè)備的超聲波能穿透密集的和疏松的固體材料，它對(duì)于內(nèi)部存在的空氣層非常的敏感，空氣層能阻斷超聲波的傳播；確定焊接層、粘接層、填充層、涂鍍層、結(jié)合層的完整性恰恰是超聲掃描檢測(cè)設(shè)備獨(dú)特的性能。超聲掃描檢測(cè)設(shè)備可以分層的展現(xiàn)樣品內(nèi)部一層一層的圖像。反射掃描模式產(chǎn)生的圖像只需要通過(guò)樣品的表面，而透射掃描模式需要通過(guò)樣品的兩個(gè)表面。

近年來(lái)，超聲掃描技術(shù)日益發(fā)展成熟，目前該系統(tǒng)已具有多種檢測(cè)方法，圖像處理功能非常龐大，使得檢測(cè)器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。超聲掃描檢測(cè)設(shè)備使用的超聲波頻率高于兆赫茲，這個(gè)范圍的超聲波不會(huì)引起氣穴現(xiàn)象，其頻率和能量不會(huì)對(duì)材料、樣品和人體產(chǎn)生危害。

3 超聲掃描設(shè)備

超聲波掃描檢測(cè)是一種用于檢測(cè)不可見的內(nèi)在細(xì)微缺陷的非常有用工具，同時(shí)它可以用來(lái)評(píng)估半導(dǎo)體儀器的可靠性。目前超聲掃描顯微鏡是用于電子產(chǎn)品檢測(cè)的主要設(shè)備之一。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的CS-300超聲掃描顯微鏡

圖3 CS-300超聲掃描顯微鏡

●頻率范圍：1～100 MHz

●換能器選擇：2.25～100 MHz

●掃描范圍：300 mm×300 mm

●掃描速度：1 000 mm/s

●掃描重復(fù)精度：±1μm

●掃描模式：A，B ，C ，TAM I，多層 C，

●相位掃描，托盤C掃描，托盤相位掃描

●圖像分辨率：最大4096×4096像素

●最小門限時(shí)間：1 ns

●圖像輸出格式：BMP，JPG，GIF，TIFF

●操作軟件及圖像處理軟件包

科視達(dá)W IN超聲掃描檢測(cè)設(shè)備Vario II超聲掃描顯微鏡

圖4 Vario II超聲掃描顯微鏡

●頻率范圍：1～500 MHz

●換能器選擇：5～400MHz

●掃描范圍：1mm×1mm～100mm×100mm

●掃描速度：360mm/s

●掃描機(jī)構(gòu)分辨率：2μm

●掃描模式：A，B，C，D，G，X，3D

●圖像分辨率：最大4096×4096像素

●最小門限時(shí)間1 ns

●阻抗測(cè)量，偽彩色表示

●圖像輸出可保存為BMP及超聲掃描檢測(cè)設(shè)備格式

Sonoscan D9500超聲波掃描檢測(cè)儀

圖5 Sonoscan D9500超聲波掃描檢測(cè)儀

●頻率范圍：1～400 MHz

●換能器選擇：5～400 MHz

●掃描范圍：333 mm×322 mm

●掃描速度：700mm/s

●掃描機(jī)構(gòu)分辨率：2μm

●圖像分辨率：最大2048×2048像素●最小門限時(shí)間：0.25 ns

●圖像輸出保存

Sonix Quantum350超聲掃描顯微鏡

圖6 Sonix Quantum350超聲掃描顯微鏡

●頻率范圍：最高300 MHz

●掃描速度：1 000 mm/s

●掃描面積：350mm×350mm

●掃描重復(fù)精度：±0.5μm

●掃描模式：A，B ，C ，TAM I，多層 C，相位掃描，托盤C掃描，托盤相位掃描

●WinIC軟件

4 結(jié)束語(yǔ)

超聲掃描顯微鏡是一種用于檢測(cè)不可見的內(nèi)在細(xì)微缺陷的非常有效的工具，同時(shí)它可以用來(lái)評(píng)估電子產(chǎn)品的可靠性。超聲掃描檢測(cè)設(shè)備獲得的非破壞性檢測(cè)結(jié)果與使用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)的結(jié)果一樣，用直觀的圖像反映了物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

[1]古關(guān)華.用掃描聲學(xué)顯微鏡進(jìn)行塑封器件的封裝分層分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境實(shí)驗(yàn)，2004（4）：14-16.

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