基于超聲掃描顯微鏡的金屬封裝檢測(cè)研究

魏 鵬，周慶亞，連軍莉，黃曉鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所,北京 100176)

金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板安裝在外殼或底座上，引線穿過金屬殼體或底座大多采用玻璃－金屬封裝技術(shù)的一種電子封裝形式。它廣泛應(yīng)用于混合電路的封裝，主要是定制的專用氣密封裝，金屬封裝形式多樣、加工靈活，可以和某些器件（譬如混合集成的A/D 或D/A 轉(zhuǎn)換器）融合為一體，適合于低I/O 數(shù)的芯片和多芯片的用途，也適合于射頻、微波、光電、聲表面波和大功率器件，可以滿足高可靠性的要求。在金屬封裝件的生產(chǎn)過程中，由于電子束焊設(shè)備、工裝夾具、焊接工藝等種種原因，在焊接過程中難免會(huì)產(chǎn)生各種焊接缺陷，如氣孔、焊偏、熔焊深度不足、裂紋等。缺陷的存在直接影響金屬封裝件的性能，因此，通常要求對(duì)封裝件進(jìn)行無損檢測(cè)，以便對(duì)金屬封裝的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由于金屬封裝需要檢測(cè)內(nèi)部的缺陷，常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)很難滿足檢測(cè)的要求，超聲掃描顯微鏡可以對(duì)金屬封裝內(nèi)部進(jìn)行無損檢測(cè)，筆者就采用超聲掃描顯微鏡對(duì)金屬封裝進(jìn)行檢測(cè)研究。

超聲掃描顯微鏡是一種用來檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷的無損檢測(cè)設(shè)備，可用來檢測(cè)器件內(nèi)部的分層、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。其掃描模式主要有透射和反射兩種模式。反射掃描主要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A、B、C、多層、TAMI 等多種檢測(cè)方法。本文采用反射掃描方式對(duì)金屬封裝進(jìn)行檢測(cè)。

1 超聲掃描顯微鏡工作原理

圖1為超聲掃描顯微鏡系統(tǒng)框圖。超聲波發(fā)射接收器產(chǎn)生特定頻率(5 MHz～2 GHz)的超聲波脈沖，通過耦合介質(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)超聲波信號(hào)通過樣品的時(shí)候，由于不同材料聲阻抗的不同，在有缺陷或粘結(jié)不良的界面會(huì)出現(xiàn)反射波。超聲波換能器接收到的反射回波信號(hào)通過超聲波發(fā)射接收器傳輸給數(shù)據(jù)采集卡，回波信號(hào)經(jīng)過處理，以波形的方式顯示在屏幕上。而波形對(duì)應(yīng)的器件內(nèi)部圖像也可以展示在操作界面上。三軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶著超聲波換能器對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行高速掃描，最終得到一張相應(yīng)界面的高分辨率超聲波圖像。

圖1 超聲掃描顯微鏡系統(tǒng)框圖

2 超聲掃描顯微鏡聲學(xué)原理

超聲波信號(hào)在材料中沿傳播方向的波動(dòng)方程為：

式中：Pi0表示聲波的幅度函數(shù)；k為波數(shù)，且k=ω/c；ω為角頻率；c為聲速。

聲波在探測(cè)面的反射波為：

底面反射波為：

由于缺陷與材料阻抗有差異，超聲波遇到缺陷（在材料內(nèi)部任意一點(diǎn)處）會(huì)有反射信號(hào)Prd(x，t)：

由(4)式可知缺陷反射波比探測(cè)面反射波滯后xi/c，比底面波超前(xT-xi)/c，若以x=xi為切面，則可以得到超聲波在材料中沿傳播方向任意一點(diǎn)的入射波。

獲取缺陷關(guān)于x 軸方向的層深信息，僅僅憑借C 掃描獲取的數(shù)據(jù)比較困難，因此需要借助超聲信號(hào)的A 超顯示，給缺陷定位：

式中：d為缺陷至換能器的距離，v為超聲波信號(hào)在材料中的聲速。

根據(jù)(5) 式得出聲波從探測(cè)面到缺陷的傳播時(shí)間,然后根據(jù)采樣頻率得出缺陷波在所采集得到的數(shù)組中的位置，這樣在C 掃描過程中，通過定義缺陷波的位置，提取信號(hào)特征值，實(shí)現(xiàn)缺陷所在x 軸層深面的顯示。

3 超聲檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

利用成熟的超聲掃描顯微鏡設(shè)備，對(duì)金屬管殼封裝進(jìn)行檢測(cè)，需要進(jìn)行以下步驟

（1）首先在示波器波形上設(shè)置前表面門和數(shù)據(jù)門，門的要素有門的閾值大小，門的開始時(shí)間和長度大??；

（2）設(shè)置一個(gè)掃描的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域包括區(qū)域的長度和寬度；

（3）設(shè)置掃描分辨率的大??；

（4）設(shè)置設(shè)備的數(shù)據(jù)采樣頻率；

（5）設(shè)置掃描的起始點(diǎn)；

（6）即可開始掃描并得到掃描圖像。

通過以上設(shè)置方法對(duì)兩個(gè)典型的金屬封裝樣品進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到它們的掃描結(jié)果C 掃描圖像如圖2、圖3所示。

圖2 方形金屬封裝件的實(shí)物圖和C 掃描圖像

圖3 長條形金屬封裝件的實(shí)物圖和C 掃描圖像

從圖2（方形金屬封裝件的實(shí)物圖）和圖3（長條形金屬封裝件的實(shí)物圖和C 掃描圖像）的C 掃描圖像可以看出，根據(jù)超聲波傳播的特性，超聲波在傳播過程中，如果遇有氣泡或者空隙，就會(huì)進(jìn)行全反射，超聲波信號(hào)無透射。分析圖2和圖3 中的C 掃描圖像，圖像的灰度值比較小的地方說明超聲波在此處的透過性較好，反射的超聲波比較少，此處的金屬封裝焊接的質(zhì)量比較好；而圖像中的灰度值比較大的地方說明超聲波在此處透過性比較差，反射的超聲波較多，此處的金屬焊接質(zhì)量差。

通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，金屬封裝的檢測(cè)可以運(yùn)用超聲掃描顯微鏡這種先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，并且超聲掃描顯微鏡在檢測(cè)中具有快速，直觀、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

4 總結(jié)

通過掃描獲得的C 掃描圖像可以較好地分析封裝焊接的缺陷分布和精度情況，因此超聲掃描顯微鏡可以獲得直觀、清晰的檢測(cè)圖像，檢測(cè)速度較快，可以較好的分析金屬管殼內(nèi)部粘接層的粘接情況，提高檢測(cè)的可靠性，超聲掃描顯微鏡在金屬封裝的檢測(cè)過程中具有重要的意義。

[1]美國無損檢測(cè)學(xué)會(huì).美國無損檢測(cè)手冊(cè)：超聲卷[M].《美國無損檢測(cè)手冊(cè)（上）》譯審委員會(huì)譯，北京：世界圖書出版公司1996：39-47.

[2]王浩全，曾光宇.玻璃纖維復(fù)合材料超聲C 掃描檢測(cè)研究[J].兵工學(xué)報(bào).2005(7)：570-572.