塑封微電路超聲掃描檢測的局限性

李青松，羅向陽，王瑞崧，潘凌宇，張 吉，雷 鳴，鄭 丹

（1．中國航天科工集團第四研究院可靠性分中心，湖北孝感 432000；2．湖北三江航天萬峰科技發(fā)展有限公司，湖北孝感 432000）

1 引言

超聲掃描檢測技術(shù)是應用最廣泛的無損檢測方法之一[1]。超聲掃描檢測技術(shù)利用進入被檢樣品的超聲波對材料界面或內(nèi)部缺陷進行檢測。超聲掃描檢測系統(tǒng)不僅能檢測分層、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[2]。但在超聲掃描檢測過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些無法分析和判斷的情況。本文主要討論超聲掃描檢測技術(shù)存在的檢測判斷上的不足和局限。

2 超聲掃描檢測技術(shù)

超聲掃描檢測的工作原理為：脈沖發(fā)生器產(chǎn)生信號脈沖，激勵壓電傳感器，由傳感器產(chǎn)生特定頻率的超聲波，經(jīng)由耦合介質(zhì)(如去離子水)傳播到達樣品；超聲波在傳播過程中遇到不同介質(zhì)時將發(fā)生反射；空洞、分層、裂紋等不連續(xù)界面都會干擾超聲信號傳播或?qū)е鲁曅盘柊l(fā)生反射；傳感器發(fā)射出超聲波的同時對界面反射回的超聲波進行接收，經(jīng)信號處理后得到一張超聲波圖像，圖像包含樣品超聲掃描檢測層面各點信息；通過圖像對所關(guān)注區(qū)域的空洞、分層、裂紋等進行合格性判斷。

3 超聲掃描檢測技術(shù)的不足

超聲波作為一種機械波，是機械振動在介質(zhì)中的傳播。超聲波在未遇到介質(zhì)特性改變的情況下（即在均勻且各向同性的彈性介質(zhì)中）是沿直線傳播的；如果遇到阻抗不同或非垂直界面時，就可能產(chǎn)生若干現(xiàn)象，最后造成的結(jié)果往往是無法準確對被檢區(qū)域進行判斷。

3.1 表面波的損失

超聲掃描檢測過程中，超聲波到達塑封微電路表面后，遇到凹凸不平的界面，出現(xiàn)不同方向的反射，界面波形無法返回傳感器，最后出現(xiàn)顏色深淺不一的情況，圖1為某SOT223封裝塑封微電路外觀圖，圖2為該電路表面聲掃圖。

圖1 某型號塑封微電路外觀圖

圖2 某型號塑封微電路表面典型聲掃圖

圖2為圖1對應的聲掃及波形圖，由圖2可知，激光打標的地方顏色深，回波波幅??；未經(jīng)過激光打標的區(qū)域顏色淺，回波波幅大。激光打標的塑封料區(qū)域表面呈現(xiàn)粗糙形貌，超聲波到達界面后出現(xiàn)不同方向的反射，返回傳感器的能量小。而未經(jīng)激光打標的區(qū)域，該界面反射的大部分超聲波都會沿原路返回傳感器中，如圖3所示。

圖3 激光打標處微電路界面反射局部示意圖

由于散射導致超聲波傳遞到芯片以及引線框架等區(qū)域非常弱。圖4為某PQFP封裝微電路聲掃圖，圓圈內(nèi)由于表面波的散射，導致該區(qū)域圖像非常不清晰而無法進行空洞、分層、裂紋等缺陷是否存在的有效判別。該區(qū)域可能存在包括鍵合絲區(qū)域的引腳與樹脂分層、引腳延伸至任一其他內(nèi)部部件的內(nèi)部裂紋等標準缺陷，因而不能忽略由于表面散射而對圖像造成的影響。

圖4 某型號微電路受波散射影響的聲掃圖

3.2 引線框架回波的損失

圖5為某SOP封裝塑封微電路超聲掃描檢測圖。由圖可知，位置1處的回波強度明顯弱于位置2處。位置1處引線框架辨識不清，引腳鍵合區(qū)域難以進行準確的判別，而位置2處引線框架則清晰可見。

圖5 帶斜面SOP封裝微電路聲掃典型圖像

該類型塑封微電路的特點是一側(cè)邊沿呈弧形或帶斜面，引腳鍵合區(qū)域位于邊沿的正下方。超聲波向下傳播過程中因遇到弧形邊沿由于角度的原因而向其他方向反射、折射，無法返回傳感器中；另一側(cè)由于是垂直入射，到達引線框架界面的超聲波能沿原路返回傳感器，如圖6所示。

圖6 帶斜面微電路超聲波反射局部示意圖

3.3 虛假波形

圖7為某SOT223塑封微電路，由圖可知引線框架區(qū)域（框內(nèi)）亮度高于其他區(qū)域，且存在清晰可見的黑色條紋，將引線框架一分為二。該處異?，F(xiàn)象常會干擾試驗人員和讀圖人員，無法確認該處是否存在缺陷。

利用A掃描定位電路引線框架高亮區(qū)域時，會出現(xiàn)一個波形同時具備正波和負波的特征，類似波形如圖8、圖9所示。

圖7 某塑封微電路聲掃圖異常亮及條紋

圖8 前負后正波形

圖9 前正后負波形

當高頻超聲波遇到分層缺陷時，幾乎全部沿原路返回，而非分層區(qū)域超聲波則繼續(xù)向下傳播，因此存在分層缺陷的區(qū)域會出現(xiàn)高亮的情況，若該處波形為如圖8、圖9所示的虛假波形，后期著色時該處一般不會被上色，存在漏判的可能。高亮區(qū)域與附近其他區(qū)域由黑色條紋分隔：一側(cè)為典型的前負后正或前正后負波形（不同設(shè)備波形不同），另一側(cè)為標準正波或負波。虛假波形是由傳感器分辨力低造成的，即傳感器的分辨能力不足以分辨該處缺陷，遇見該種情況，建議更換更高頻率的傳感器。通過提高傳感器分辨力可將虛假波形區(qū)分出正波或負波，達到準確辨別出塑封微電路缺陷的目的。

3.4 明顯的芯片邊緣空洞

軍用電子元器件破壞性物理分析方法《GJB 4027A-2006》項目1103中2.4.4缺陷判據(jù)d條規(guī)定，跨越鍵合絲的模塑化合物的任何空洞屬于標準缺陷[5]。對于塑封大規(guī)模集成電路，特別是鍵合絲多的電路，鍵合絲區(qū)域常常表現(xiàn)為空洞、分層缺陷，利用A掃描定位該區(qū)域，也表現(xiàn)為缺陷波形，如圖10某PQFP封裝微電路芯片邊緣異常聲掃圖(框內(nèi))所示。

超聲波遇到高密度鍵合金絲、銅絲等會出現(xiàn)反射、散射及相位改變等情況，僅僅利用超聲掃描無法判斷該區(qū)域是否存在跨越鍵合絲的空洞，需要對微電路進行X射線CT掃描、制樣鏡檢等才能判斷是否存在缺陷。

圖10 塑封微電路聲掃圖芯片邊緣異常

3.5 超聲掃描檢測穩(wěn)定性

塑封微電路經(jīng)超聲掃描檢測以剔除內(nèi)部存在分層缺陷的塑封微電路，以此達到提高質(zhì)量的目的。然而，我們分析多年的試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)部分塑封微電路經(jīng)過超聲掃描檢測無法達到剔除不合格塑封微電路的目的。如圖11、圖12為某TSSOP封裝塑封微電路聲掃圖，圖11為該電路初次超聲掃描結(jié)果，圖12為3 min后再次掃描結(jié)果，其他參數(shù)設(shè)置均不變。圖13為分層位置波形前后對比圖。

圖11 某型號微電路初次聲掃圖

圖12 某型號微電路3 min后聲掃圖

圖13 某型號微電路兩次聲掃波形對比圖

由圖11和圖12可知，塑封微電路在入耦合液（如去離子水）后，波形發(fā)生變化，由最初的分層狀態(tài)至分層消失，存在分層“復合”現(xiàn)象。分層的區(qū)域在短時間內(nèi)“消失”，波形也變成了合格波形，出現(xiàn)聲掃只能剔除部分不合格品的情況。分析其中的原因，主要有如下方面：

（1）試驗人員調(diào)試超聲掃描檢測的水平；

（2）塑封微電路濕度敏感等級；

（3）掃描時間（含批量大小、浸泡時間）；

（4）包封材料及其塑封體質(zhì)量；

（5）耦合液成分及其溫度；

（6）封裝形式。

其中，試驗人員對封裝形式的理解及掃描時間最為主要。建議盡量控制掃描時間，減少掃描數(shù)量以保證試驗的準確性。

4 超聲掃描檢測技術(shù)的局限性

超聲掃描顯微鏡檢測技術(shù)提供了一種非破壞性的方法，研究塑料封裝組件存在的分層、裂紋和空洞。這種技術(shù)也存在一些局限，具體原因分析見表1。

表1 超聲掃描檢測技術(shù)的一些局限性

5 超聲掃描檢測標準

GJB4027A工作項目1103中，專門針對塑封半導體集成電路提出了超聲掃描檢測的要求和判據(jù)，GJB548B方法2030對芯片粘接的超聲掃描檢測提出了方法和要求；美國聯(lián)合產(chǎn)業(yè)標準《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）等也都提出了類似的方法或要求[4]，在實際檢測中可依據(jù)自身需求對標準進行選擇。目前針對軍用等級塑封微電路的超聲檢測，國際和國內(nèi)依據(jù)相應的軍標進行檢測，但對于工業(yè)/商業(yè)等級塑封微電路的評判過于嚴苛且針對性不強，容易出現(xiàn)判定過嚴的問題，嚴重限制了塑封微電路在航空、航天等高可靠性領(lǐng)域的推廣應用，并且嚴重制約了生產(chǎn)進度。在DPA試驗中，可參考相應的軍標；篩選中，在溫度循環(huán)后增加超聲掃描檢測試驗，剔除不合格品；若是存在超不合格率(PDA)的情況，可再次增加溫度循環(huán)后進行超聲檢測，檢測標準可參考PEM-INST-001的要求進行，僅對正面進行檢測。

6 結(jié)論

本文提出了一些超聲掃描檢測技術(shù)的局限性，并給出了可能影響結(jié)果的因素。在本文所述的局限性中，超聲掃描檢測的穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵。部分塑封微電路自入耦合液（去離子水）后即出現(xiàn)分層“復合”現(xiàn)象，對結(jié)果的準確性產(chǎn)生了很大的影響，需要引起重視。超聲掃描檢測技術(shù)作為一種無損檢測的方法，在篩選、DPA、結(jié)構(gòu)分析、失效分析中均得到了廣泛的應用，雖然存在一些局限性，但仍是重要的內(nèi)部缺陷檢測方法。