X射線在陶瓷氣密封裝空洞檢查中的不足

王 洋，肖漢武

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

眾所周知，X射線作為一種非破壞性的無損檢測方法被廣泛應(yīng)用于焊接相關(guān)領(lǐng)域。尤其是在電子行業(yè)，元器件的表面貼裝、波峰焊及氣相焊等板級封裝中，其中焊點質(zhì)量的檢查通常都要采用X射線照相技術(shù)。

對于元件級封裝，同樣會使用到X射線照相技術(shù)。通過X射線照相可以對芯片粘接區(qū)的空洞、鍵合引線（不包括Al線）形狀等進行檢查。對于高可靠的陶瓷氣密封裝器件，X射線照相還被用來檢查密封工藝中的缺陷。

2 X射線照相在氣密性封裝器件中的應(yīng)用

2.1 X射線照相的基本原理

用于微電子焊接檢查的X射線檢查儀是基于X射線穿透被測物質(zhì)時存在不同程度衰減這一基本規(guī)律。它的基本工作原理是：處于真空環(huán)境下的X射線管，通過施加高電壓，使得其陰極中產(chǎn)生的電子加速，高速電子到達陽極撞擊靶材，其中電子的動能大部分轉(zhuǎn)換為熱能，只有1%左右的動能轉(zhuǎn)化為X射線。

如圖1所示，X射線穿過被測物質(zhì)時，由于被測物質(zhì)中材料的密度、厚度方面的差異，X射線強度發(fā)生相應(yīng)的變化，密度高、厚度大的地方對X射線的吸收大，密度低、厚度小的地方對X射線的吸收小。其強度的衰減規(guī)律遵循公式（1）。X射線穿過被測物質(zhì)到達探測器時，衰減后的X射線被轉(zhuǎn)換成可見光而在照相底片或光學傳感器上成像，由于透射的X射線強度存在差異，轉(zhuǎn)換后的可見光強度也就存在差異，從而在照相底片或傳感器上形成密度不同的影像，密度低、顏色較淺的代表了待檢查物質(zhì)密度低、厚度小的部分，而密度高、顏色較深的代表了待檢查物質(zhì)密度高、厚度大的部分。

圖1 X射線透射衰減

式中：

I—入射X射線強度；

I0—透射X射線強度；

μ—衰減系數(shù)；

x—待檢查物質(zhì)厚度。

其中衰減系數(shù)μ與材料性質(zhì)相關(guān)。通常材料的密度越大，衰減系數(shù)也越大。在微電子封裝材料中，Al 鍵合引線的衰減系數(shù)非常小，X射線幾乎完全透過，因此在X射線檢查中封裝中的Al鍵合引線是無法觀測的；相反，陶瓷封裝外殼用作散熱的熱沉，其材料通常是金屬鎢銅合金，對X射線的衰減系數(shù)則非常大，X射線基本上會被吸收，圖像顯示深黑。

2.2 集成電路陶瓷氣密封裝應(yīng)用

X射線照相技術(shù)在電子行業(yè)中廣泛用來檢查焊點質(zhì)量，譬如空洞、分層、開裂，以及焊點完整性（漏焊、開路及短路等），而在高可靠的集成電路陶瓷氣密性封裝器件應(yīng)用中，X射線照相被特別用來檢測封裝內(nèi)的缺陷，特別是密封工藝引起的缺陷，如合金焊料封帽的焊縫檢查以及黑瓷低溫封接玻璃中的空洞等內(nèi)部缺陷。

圖2、圖3、圖4是幾個典型的AuSn20合金焊料封帽的X射線焊縫照片。圖中灰度較深的陰影部分為設(shè)計密封寬度。根據(jù)GJB548B－2005方法2012.1 X射線照相中的規(guī)定，最窄密封寬度不到設(shè)計密封寬度的75%應(yīng)拒收。

圖2 氣密封帽焊縫X射線典型照片一

圖3 氣密封帽焊縫X射線典型照片二

圖4 氣密封帽焊縫X射線典型照片三

圖2照片中的樣品中雖然存在部分空洞，但其最長寬度不到焊縫總寬度的20%，可以接收。圖3照片中的樣品中由于內(nèi)部氣氛引起焊料外溢，導致有效焊料密封寬度過窄，拒收。而圖4照片中的樣品，沿焊料密封寬度方向的空洞寬度已經(jīng)超過25%的允許上限。

3 X射線照相檢查焊縫空洞的不足

X射線確實可以準確探測出焊縫中的空洞缺陷，但是否可以認為X射線檢查中未發(fā)現(xiàn)空洞即可確定密封就是正常呢？

在實際應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)某些電路封帽后外觀正常，經(jīng)過X射線檢查也未發(fā)現(xiàn)異常，然而在進行密封開蓋檢查中，卻觀察到明顯的空洞，如圖5和圖6所示。

圖5 X射線未發(fā)現(xiàn)空洞

圖6 開蓋過程中觀察到明顯空洞

從X射線照相的原理可以知道，X射線檢測是基于被檢測材料之間的差異，只有存在差異才能作出判斷。否則，圖像中顯示出相同的灰度，就根本無法進行準確的判讀。這種差異包括材料厚度的差異、材料密度差異以及不同材料的X射線透射的衰減差異。

事實上，X射線本身能完全透過空洞，之所以我們能在X射線屏幕上看到空洞圖像，正是因為其中空洞的存在造成了被檢材料中焊料厚度的不均勻，反映在X射線圖像中就是灰度的差異。由于存在空洞處的焊料總厚度比周圍區(qū)域薄，在圖像上顯示灰度較淺，周圍焊料較厚的區(qū)域顯示灰度較深，這種淺色區(qū)域于是被判為空洞。

如圖7 所示，當X射線從空洞上方穿透時，該區(qū)域焊料總體厚度較薄（T1+T’1＜T0），在圖像中顯示出比周圍區(qū)域顏色更淺的灰度。而從圖8來看，空洞呈貫穿型且厚度均勻，那么X射線透過整個焊料區(qū)域時衰減的程度是一致的，從而在圖像上顯示基本相同的灰度，無法作出判斷，這樣，空洞就被X射線“無視”了。

圖7 被測材料中由于空洞造成的厚度差異

圖8 被測材料中的均勻空洞

圖6樣品中的空洞之所以被X射線無視，也正是由于X射線透過此區(qū)域的衰減程度與周圍區(qū)域基本相同。

從圖6中可以清楚地看出，空洞區(qū)域焊料基本沒有潤濕外殼的密封區(qū)域，那么在正常情況下，該區(qū)域的焊料厚度應(yīng)該比周圍區(qū)域厚，果真如此的話，該區(qū)域在X射線圖像上應(yīng)該是灰度較深的陰影。但實際情況卻是呈現(xiàn)與周圍相同的灰度，換句話說，空洞區(qū)域的焊料厚度與周圍區(qū)域非常接近。出現(xiàn)這種巧合的原因是，焊料本身厚度很?。ㄖ挥?0 μm左右），封帽過程中，隨著焊料在密封區(qū)域的潤濕，焊料厚度進一步縮小，雖然空洞區(qū)域的焊料未潤濕下面的密封區(qū)，但仍然會向周圍擴散，因此空洞區(qū)域的焊料厚度也是縮小的，這樣，出現(xiàn)空洞焊料厚度與周圍焊料厚度相同的機會就成為可能。之所以出現(xiàn)未潤濕現(xiàn)象，與該區(qū)域密封區(qū)的表面平整度有關(guān)，另外封帽過程中施加在蓋板上的力的位置也有很大關(guān)系，倘若壓力僅僅施加在蓋板的中間位置，角部位置蓋板會出現(xiàn)翹曲，蓋板的翹曲加上密封區(qū)的不平整最終導致了這種大面積的未潤濕現(xiàn)象。

因此，為了保證X射線照相檢測結(jié)果的準確性，在微電子焊接檢查應(yīng)用中，需要滿足一個前提條件：即被檢查材料密度應(yīng)該是一致的、被檢查區(qū)域總體厚度應(yīng)該是相同的。假若密度不一致或是厚度不同，即使并不存在空洞，在X射線照片中也會觀察到較淺的區(qū)域，容易誤判為空洞。

同樣道理，倘若封裝中存在大面積的高密度物質(zhì)，譬如陶瓷外殼底部的熱沉，由于熱沉的材料為鎢銅，通常強度的X射線基本上被鎢銅所吸收，因此即便焊料封接區(qū)存在空洞，仍然可能被熱沉生成的陰影區(qū)所覆蓋，從而導致空洞的漏判。針對這種帶熱沉結(jié)構(gòu)的封裝外殼，X射線照相是無能為力的，需要借助其他的檢測手段，譬如超聲掃描技術(shù)，才能探測其中的空洞。

另外，對于具有多層結(jié)構(gòu)的陶瓷外殼，其中位于不同層間的空洞，X射線只能疊加所有淺色圖像在一個平面上，根本無法判斷具體部位所在。

由于市售商用X射線檢查儀主要采用平面的2D檢測方式，雖然可沿θ方向轉(zhuǎn)動工作臺，但轉(zhuǎn)動角度有限，很難實現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)，無法實現(xiàn)不同方向的檢測。如本例中的空洞現(xiàn)象，倘若能從側(cè)面方向進行檢查的話，空洞被探測出來的幾率無疑會增大。

事實上， GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》針對X射線照相的方向有所規(guī)定：一般要求在規(guī)定的Y方向上，用X射線穿透視察一次。在需要一次以上的觀察時（適用時），用X射線分別在Z方向和X方向進行第二次、第三次（適用時）穿透視察。然而該規(guī)范對具體進行幾次X射線觀察并非明確規(guī)定，如在質(zhì)量一致性檢驗中規(guī)定僅為Y方向，篩選中則為兩個視圖。因此大家在實際運用中，通常的做法是僅做Y方向。本例中的樣品由于Z方向不容易放置，僅在Y方向進行X射線照相。

增加Z和X方向的檢查，雖然可以降低空洞漏檢的幾率，但依然存在空洞漏檢的情形。如某些外引腳與封帽蓋板處于同側(cè)的外殼，如高引腳數(shù)的CPGA外殼，蓋板周圍為眾多的PIN腳所包圍，在進行Z方向的檢查中，即便是密封區(qū)存在空洞，也很容易被眾多PIN腳的灰度較深的陰影所掩蓋。

4 結(jié)束語

由于X射線透過被測物時強度發(fā)生衰減進而成像的特點，應(yīng)用在集成電路陶瓷封裝封帽空洞檢查中難免存在一定的漏判幾率，但檢測到的空洞卻是可信的。也就是說，X射線未探測到空洞并非意味著空洞一定不存在，但探測到的則一定是空洞。在實際應(yīng)用中，唯有實現(xiàn)Z方向和X方向的3D檢測，空洞漏判幾率才可能大大改善。但是針對外引腳與蓋板位于同側(cè)的外殼，譬如引腳密度高的CPGA外殼，Z方向和X方向的眾多引腳會掩蓋可能存在的空洞。

如果將X射線照相用于陶瓷外殼封裝前的外殼檢驗，則可以起到篩選作用。因為無論空洞存在于何處，只要能被探測，表明外殼結(jié)構(gòu)中存在缺陷，封裝前將此類缺陷預先剔除，無疑是對可靠性的良好保障。

總之，X射線照相不失為一種有效的缺陷檢查手段，但如果將其作為判斷封裝空洞的唯一手段，并非妥當。倘若與超聲掃描技術(shù)配合使用，空洞漏判的幾率將會降至最低。某些情形下，采用破壞性的開蓋檢查方法，還能揭示除了空洞之外的其他焊接缺陷，如由于密封區(qū)表面沾污導致的虛焊。

[1]GJB548B-2005微電子器件試驗方法和程序[S]. 中華人民共和國國家軍用標準.

[2]Robert Covasc. X-ray inspection systems and applications[C]. 27thIntl’ Spring Seminar on Electronics Technology.

[3]Micromex SE 180T Operating Manual.