聲學(xué)掃描顯微鏡檢查在塑封器件檢測中的應(yīng)用

陳章濤，潘凌宇

（湖北航天計量測試技術(shù)研究所，湖北 孝感 432100）

1 引言

隨著集成電路封裝、焊接技術(shù)的發(fā)展，塑封器件由于其體積小、重量輕、成本低、集成度高、易采購等特點，其應(yīng)用也越來越廣泛。塑封器件不僅在工業(yè)、通信、IT等行業(yè)逐步替代雙列直插等封裝形式的器件成為主流產(chǎn)品。同時，由于封裝材料、芯片鈍化及封裝工藝水平等方面逐漸成熟，塑封器件的可靠性也得到了很大提高，其在高尖端武器系統(tǒng)如航空、航天產(chǎn)品上也逐漸得到了大量選用。

筆者所在單位自2003年開始從事塑封器件篩選、檢測技術(shù)研究，編寫了相關(guān)二次篩選、檢驗標(biāo)準(zhǔn)，并逐步形成了塑封器件篩選檢測、老化等能力，對塑封器件質(zhì)量控制起到了一定的作用。然而，隨著塑封器件使用量的增大，在使用過程中也暴露出了部分問題，如塑封器件容易打磨、翻新，內(nèi)部易進入水汽產(chǎn)生爆米花效應(yīng)、內(nèi)部界面分層等。2010年，我所開始對塑封器件抽做DPA試驗，從試驗結(jié)果來看，DPA試驗在控制塑封器件質(zhì)量上起到了非常大的作用。根據(jù)2011年DPA試驗結(jié)果統(tǒng)計：塑封器件DPA不合格率高達13.4%，遠遠超過了空封器件3.9%的不合格率，而在DPA不合格原因中，器件內(nèi)部界面分層則占到了84.5%的比例；分層器件中包括鍵合絲區(qū)域的引腳分層占85.8%，引腳從塑封料完全剝離的占11.6%，其他分層（芯片與基板、芯片與塑封材料、基板與塑封材料等）占2.6%；國產(chǎn)塑封器件不合格率明顯高于進口塑封器件；同一批次、同一封裝地、不同時期抽樣進行DPA試驗，結(jié)果有時卻完全相反。因此，芯片內(nèi)部界面分層作為塑封器件DPA失效的主要失效模式，越來越引起我們的重視。

聲學(xué)掃描顯微鏡檢查，作為檢測塑封器件內(nèi)部界面是否分層的主要試驗方法，逐漸得到了各元器件生產(chǎn)單位和篩選中心的認(rèn)可，都購置了或準(zhǔn)備購置相應(yīng)的檢測設(shè)備。筆者從近年來在設(shè)備使用過程中遇到的各種問題，談?wù)剬β晫W(xué)掃描顯微鏡檢查的認(rèn)識。

2 超聲掃描顯微鏡工作原理

超聲波掃描顯微鏡利用超聲波在介質(zhì)中傳輸時，遇到不同密度或彈性系數(shù)的材料，會發(fā)生反射回波，此種反射回波強度會因材料密度不同而有所差異，而超聲波在空氣中則無法傳播（全反射）的特性，用于探測物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)、缺陷以及對材料做定性分析。

超聲波掃描顯微成像技術(shù)對粘接層面很敏感，可用來檢測塑封器件的多種缺陷，如封裝界面分層、塑封材料內(nèi)部空洞和裂紋、芯片裂紋、芯片粘接區(qū)域空洞等。在掃描的圖像中，與背景相比的襯度變化構(gòu)成了重要的信息，在有空洞、裂紋、粘接不良和分層剝離的位置產(chǎn)生高的襯度，因而容易在背景中區(qū)分出來。襯度的高度表現(xiàn)為回波脈沖的正負極性，其大小是由組成界面的兩種材料的聲學(xué)阻抗系數(shù)決定的，回波的極性和強度構(gòu)成能反映界面狀態(tài)缺陷的超聲圖像。當(dāng)轉(zhuǎn)換器來回掃描器件的時候，它以每秒幾千次的頻率發(fā)射脈沖超聲到樣品內(nèi)部，轉(zhuǎn)換器同時也接受從樣品內(nèi)部反射回來的信號，像塑封料這樣的均質(zhì)材料內(nèi)部不會對脈沖反射，但不同材料的界面會反射超聲信號。超聲從界面反射的程度（反射信號的振幅）取決于兩種材料的聲阻抗。

圖1、圖2為某樣品后視圖（未見分層）的超聲掃描圖像及背面基板的波形圖，圖3、圖4為某樣品后視圖（塑封材料與基板界面分層）的超聲掃描圖像以及基板中分層區(qū)域波形圖。

圖1 樣品后視圖未見分層

圖2 樣品塑封材料與基板界面波形圖

圖3 樣品塑封材料與基板分層

圖4 樣品塑封材料與基板分層區(qū)域波形圖

3 分層產(chǎn)生的原因及危害

3.1 水汽進水導(dǎo)致界面分層

塑封器件由于其封裝材料和結(jié)構(gòu)的特殊性，空氣中的水汽可沿著器件引線與封裝材料的封界面進入器件內(nèi)部，并在界面中逐步形成水膜，塑封體本身由于吸收了大量的水汽而膨脹變形，如果內(nèi)部粘接性不好，就導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分層。作為塑封材料的聚合物，在環(huán)氧樹脂模制化合物暴露在潮濕的環(huán)境下時，就具有很強的水汽吸收性，“水汽作用”理論認(rèn)為，那些致命缺陷的形成是由于傳塑封裝工藝中已經(jīng)固化的聚合物（塑封體）從空氣中吸收了水汽，如表貼器件在經(jīng)過IR爐內(nèi)快速加熱時，就會導(dǎo)致水汽膨脹而引起塑封體內(nèi)致命的缺陷[1]。同時，塑封材料中包含有多種添加劑成分的復(fù)合樹脂（如固化劑、催化劑、惰性填充劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、應(yīng)力緩和劑、著色劑等，尤其是鹵素元素與水汽結(jié)合后，腐蝕性更大，還會引起裂紋、脫層、電性能退化等失效。圖5深灰色分層區(qū)域邊緣，存在一條水汽與分層區(qū)域的分界線。

圖5 水汽導(dǎo)致界面分層

3.2 界面剪切力導(dǎo)致分層

塑封材料與其他材料之間熱脹冷縮系數(shù)不同，在溫度變化（高溫、低溫、溫度循環(huán)或沖擊）時，引起界面兩邊的材料的伸縮或膨脹的長度不同而產(chǎn)生剪切力，界面剪切力可引起界面分層。如某些塑封材料與引線架界面，在溫循過程中，通過不斷的熱脹冷縮效應(yīng)，導(dǎo)致界面出現(xiàn)分層擴大現(xiàn)象。圖6、圖7為某型號同只器件鍵合絲區(qū)域在溫循前后變化情況，溫度循環(huán)5次（保持單一變量，后同）。

圖6 溫循前分層區(qū)域較小

圖7 溫循后分層區(qū)域擴大

3.3 小面積分層擴展為大面積分層

塑封材料與其他材料之間的界面粘結(jié)不良（先天）已分層，在使用或儲存過程中溫度變化，如器件工作升溫、停止工作降溫等，使分層進一步擴展為大面積的分層。另一方面，由于塑封器件沒有“真空”包裝，在長時間儲存中，存儲環(huán)境濕度控制不良，水汽進入塑封內(nèi)部界面，引起界面粘結(jié)退化，使分層面積擴大。圖8、圖9為同只器件無密封狀態(tài)下放置一年后的圖片對比。

圖8 一年前分層區(qū)域較小

圖9 一年后分層區(qū)域擴大

3.4 內(nèi)部界面分層危害

在界面分離過程中，跨越在塑料中的鍵合絲被塑料拉扯或推移，可能導(dǎo)致鍵合點脫離或鍵合絲斷開。同時，芯片表面多層結(jié)構(gòu)受塑封材料的推剪而破壞，嚴(yán)重時，導(dǎo)致塑封材料炸開，內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如鍵合絲）被拉斷，如圖10。只要內(nèi)部界面出現(xiàn)微小的脫離，器件的可靠性就可能有嚴(yán)重的問題。

圖10 界面分離導(dǎo)致鍵合點被拉脫

4 影響界面分層的自身因素

影響界面分層的自身因素很多，工藝和材料的稍許不同，或許就會導(dǎo)致界面分層的產(chǎn)生，在此，僅對部分影響因素提出進一步說明。

4.1 引線框架

引線框架和塑封體之間是機械粘接，因此在引線框架上應(yīng)有一定的凸起或者空洞將引線框架鎖定在固化的塑封體中，一些機械特性的進行可以很好地阻止使用過程中潮氣的進入。同時，引線框架產(chǎn)生兩類應(yīng)力都可以通過框架的設(shè)計減小，達到調(diào)整熱膨脹系數(shù)失配以及降低界面剪切力的效果[2]。

4.2 塑封成型材料

塑封材料直接影響PEM的抗吸濕和去吸濕性，是影響分層的關(guān)鍵因素之一，對塑封材料的研究長期以來也一直是PEM研究的重要課題。PEM不同于軍用系統(tǒng)中通過高強度設(shè)計和制造出來的。同時，能在一系列極度惡劣環(huán)境中使用的具有高可靠性的微電路，PEM被設(shè)計出來的初衷是用在良好的環(huán)境中，這樣的環(huán)境下設(shè)備更加容易得到維護或更換[3]。也正是由于塑封材料本身的特性，在嚴(yán)酷的條件下，會出現(xiàn)揮發(fā)、變形、空洞、分層的現(xiàn)象。

4.3 芯片鈍化層

芯片表面鈍化層對芯片分層影響很大，在加工條件和設(shè)備完全相同的情況下，芯片鈍化層不同，可能芯片表面分層情況也不一致。人們熟知的用作頂層保護層的淀積二氧化硅膜有Vapox、Pyrox或Silox等。視淀積溫度的不同，淀積的氧化物具有比較低的密度和不同的機械性能，如折射系數(shù)、對裂紋的抵抗、絕緣強度和刻蝕速率。在許多工藝中，對點擊的薄膜采取高溫?zé)崽幚?，稱為致密作用。致密過程之后，淀積的二氧化硅在結(jié)構(gòu)和性能上接近熱氧化膜[4]。無論是材料還是工藝過程的選擇，都可能影響芯片鈍化層性能，從而影響界面粘接性能。

5 聲學(xué)掃描顯微鏡檢查標(biāo)準(zhǔn)

GJB4027A-2006方法1103中，專門針對塑封半導(dǎo)體集成電路提出了聲學(xué)掃描顯微鏡檢查的要求和判據(jù)，GJB548方法2030則對芯片粘接的超聲掃描提出了方法和要求。另外，美國聯(lián)合產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《用于檢查非氣密塑封電子元器件的超聲顯微鏡》（IPC/JEDEC J-STD-035）、美國NASA《Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection,Screening, and Qualification》（PEM-INST-001）等都提出了類似的方法或要求，可參照執(zhí)行。

GJB4027A-2006方法1103中，聲學(xué)掃描顯微鏡檢查主要用于檢查下列缺陷（非破壞性的）：

（1）模塑化合物與引線框架、芯片或壓點處的分層（頂部和底部分別檢查）；

（2）模塑化合物中的空洞和裂縫；

（3）芯片粘接材料中的未粘合區(qū)域及空洞（如果可能存在）[5]。

J-STD-035是對于非氣密性電子元器件聲學(xué)顯微鏡檢查程序，主要介紹了掃描方式、方法以及缺陷判據(jù)。

PEM-INST-001的標(biāo)準(zhǔn)主要用于塑封微電路在高可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用、篩選與鑒定，提供了以下缺陷參考：

（1）任何在芯片和模塑化合物之間可測量的分層；

（2）任何鍵合絲區(qū)域的引腳分層；

（3）超過內(nèi)部引腳長度2/3的分層[6]。

根據(jù)聲學(xué)掃描顯微鏡檢查拒收的判據(jù)，分層面積大小、分層部位、分層脫離的距離三個因素是影響超聲掃描結(jié)果的關(guān)鍵因素，表明：

（1）芯片表面的界面分層是極其敏感的；

（2）包括鍵合點的界面的分層是極其敏感的；

（3）任何包括鍵合絲的模塑裂紋。

因此，在進行聲學(xué)掃描顯微鏡檢查時，需要對以上部位重點加以控制。而從歷年超聲掃描結(jié)果來看，包括鍵合絲區(qū)域的引腳分層也構(gòu)成了塑封器件超聲掃描的主要失效模式。

6 建議

塑封器件由于其結(jié)構(gòu)材料的特殊性，整個生命周期都存在內(nèi)部界面分層的可能，為了確保產(chǎn)品的可靠性，建議加強對塑封器件聲學(xué)掃描顯微鏡檢查的力度，建議對其進行100%超聲掃描篩選。加強塑封器件儲存條件的控制，在器件進行篩選、檢測完成后，有必要進行除潮處理并真空包裝，防止先天性內(nèi)部界面分層擴大。同時，嚴(yán)格控制焊接工藝，焊接前進行除潮處理，焊接后進行“三防”處理，避免器件在焊接和使用過程中溫度變化導(dǎo)致界面分層。

[1] 張延赤. 水汽或結(jié)構(gòu)對塑封電子器件可靠性的影響研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2010,（2）∶ 1-5.

[2] 施保球，張政林. 集成電路塑封中引線框架使用要求[C].電子工業(yè)銅合金材料推廣會文集.

[3] NASA/TP-212244-2003, PEM-INST-001∶ Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection,Screening, and Qualification [S].

[4] Peter Van Zant. Microchip Fabrication∶ A Practical Guide to Semiconductor Processing, Fifth Edition [M] .北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5] 軍用電子元器件破壞性物理分析方法[S]. GJB4027A-2006，總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部出版，2006.