超聲顯微鏡在塑封器件內(nèi)部缺陷檢測中的應用

夏雷， 鄒治旻， 張浩

（無錫中微高科電子有限公司, 江蘇 無錫 214035）

0 引言

隨著電子封裝技術(shù)的高速發(fā)展, 電子元器件的封裝已演變成一種高度復雜的集成系統(tǒng)。 由于集成度不斷地增加, 封裝結(jié)構(gòu)越來越復雜, 對于檢測技術(shù)的要求相應地也越來越嚴苛, 這也推動了半導體檢測技術(shù)的發(fā)展[1]。 作為無損檢測分析技術(shù)的一種, 超聲掃描可以實現(xiàn)在不破壞元器件電氣性能和保持結(jié)構(gòu)完整性的前提下對電子元器件進行內(nèi)部缺陷檢測, 大大地減少了電子元器件的檢測成本, 同時, 高頻超聲檢查可以比其他任何方法都更有效地檢測出分層、 裂縫和空洞等內(nèi)部缺陷。 因此, 超聲掃描技術(shù)被廣泛地運用在PCB 制造、 FC 底部填充和模封（Molding） 等多種封裝技術(shù)領(lǐng)域的無損檢測中。

1 超聲顯微鏡的技術(shù)原理

1.1 超聲波的技術(shù)特性

超聲波是一種頻率高于20 kHz、 超出人們耳朵辨別能力并且穿透性很強的機械波, 它具有頻率高、 波長短、 繞射現(xiàn)象小, 特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。 超聲波根據(jù)振動方向的不同可以分為橫波和縱波, 橫波的傳播方向和振動方向垂直, 這種超聲波振態(tài)是不能在空氣和水中傳播的； 而縱波的傳播方向和振動方向相同, 可以在液體或氣體中傳播。 超聲波掃描顯微鏡（SAM: Scanning Acoustic Microscope） 是一種使用水作為傳輸介質(zhì)的儀器, 因此其采用的超聲波是縱波振態(tài)的超聲波。 清洗設(shè)備時使用的是千赫級的超聲波, 而SAM 使用的超聲波頻率達到了兆赫級, 這個范圍的超聲波不會引起氣穴現(xiàn)象, 不能清洗和攪動易碎的組件, 因此不會對檢測組件造成任何損壞。

超聲波能作為檢測手段主要是由于它有以下3個特性: 1） 在不同介質(zhì)的結(jié)合面會發(fā)生反射； 2）在介質(zhì)界面處遇到空氣可以實現(xiàn)接近100%的反射； 3） 由于波長很短, 所以超聲是直線傳播的。超聲波可以穿透或密集或疏松的固體材料, 但它對于固體內(nèi)部存在的空氣層非常的敏感。 因此可用超聲波來確定焊接層、 粘接層、 填充層、 涂鍍層和結(jié)合層的完整性。 超聲波反射示意圖如圖1所示。

1.2 超聲顯微鏡的工作原理

SAM 采用脈沖回波技術(shù)工作。 它是由特定的聲學探頭發(fā)射和接收高重復率的短超聲脈沖, 聲波與被測樣品發(fā)生相互作用后, 反射波被接收并轉(zhuǎn)換為視頻信號[2]。 要形成一幅聲學圖像, 掃描機構(gòu)需在樣品上方來回做掃描運動, 樣品每一點反射波的強度及相位信息均被按順序同步記錄,并轉(zhuǎn)換為一定灰度值的像素點, 顯示在高分辨率顯示屏上。 超聲顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1.3 超聲顯微鏡的分辨率

SAM 的分辨率可由公式（1） 推演而出:

式（1） 中: d——超聲波在水中的波束直徑；

D——超聲波透鏡的直徑；

F——超聲波的焦距；

α——系數(shù)；

λ——超聲波在水中的波長。

超聲波在水中的速度v、 波長λ 與超聲波的頻率f 之間有如下關(guān)系:

從上述公式中可以看出, 通過減小焦距、 增加頻率和增大探頭的孔徑都有機會提高SAM 的分辨率。 由于減小焦距會影響超聲波的穿透能力,而隨著探頭的孔徑增加, 根據(jù)斯涅耳定律, 當超聲波由水進入樣品時將會發(fā)生折射現(xiàn)象, 因此在實際的應用中, 通常通過提高超聲波的頻率來提高超聲探頭的分辨率。

常見物質(zhì)超聲掃描時在不同超聲頻率下的理論分辨率如表1 所示。

表1 常見物質(zhì)超聲掃描時的理論分辨率

1.4 聲阻抗率

聲阻抗率是聲音傳播過程中一個非常重要的參數(shù)。 和聲阻抗不同, 聲阻抗率表示的是一個點上的阻抗, 而聲阻抗表示的是一個表面上的平均阻抗。 在通常的聲學分析中, 都是采用聲阻抗率來進行計算的, SAM 也是運用同樣的原理, 利用物體內(nèi)部各部分聲阻抗率的差別一個一個點采集數(shù)據(jù), 并通過灰度反映到顯示器上。 只有當被超聲掃描的物體內(nèi)部的各個介質(zhì)之間存在聲阻抗率差異的時候才能在SAM 中觀察到區(qū)別, 若介質(zhì)之間的聲阻抗率一樣或者非常接近則很難區(qū)分。

幾種常見物質(zhì)的聲阻抗率如表2 所示[3]。

表2 常見物質(zhì)聲阻抗率

超聲的反射也是由聲阻抗決定的, 超聲從聲阻抗為Z1的介質(zhì)進入聲阻抗為Z2的介質(zhì), 反射系數(shù)如公式（3） 所示:

結(jié)合表2 與反射系數(shù)公式（3）, 可以很容易地估算出在塑封器件中, 導電膠對超聲的反射非常強, 這也是我們通常在透射塑封器件時, 會發(fā)現(xiàn)芯片位置更不容易穿透的原因。

塑封器件超聲反射示意圖如圖3 示例, 硅→導電膠界面的反射系數(shù)R1的數(shù)值約為-0.58, 表示超聲從硅進入導電膠時有58%的能量被反射, 并且波形有反轉(zhuǎn)； 而導電膠→銅界面的反射系數(shù)R2的數(shù)值為0.78, 即超聲從導電膠進入銅層時, 有78%的能量被反射。

2 超聲顯微鏡在塑封器件中的應用

2.1 塑封器件常用換能器

換能器是SAM 的主要組成部分, SAM的頻率、 焦距和透鏡口徑均是由其決定的。在半導體封裝領(lǐng)域, 不同性能指標的換能器應用在不同的檢測場合。 通常來說, 較低頻率的換能器焦距較長, 穿透能力也較強, 但是, 由于頻率較低, 分辨能力也較低, 因此通常用在比較傳統(tǒng)的、 封裝體厚度較厚的封裝形式的缺陷檢測中； 而隨著頻率的提高,換能器的焦距變短, 穿透能力變差, 可以檢測的封裝體厚度也變薄, 但是, 由于分辨率的提高, 對于細小缺陷的檢測能力也隨之提高, 因此可以應用于薄形的、 先進封裝的細微缺陷的檢測上。 因此, 現(xiàn)在在封裝領(lǐng)域,超聲換能器的總體應用原則是: 超高頻（UHF, 200+ MHz） 主要用于倒裝產(chǎn)品和WLP 的檢測中； 110 MHz-UHF 主要用于倒裝產(chǎn)品的檢測中； 高頻（HF, 50～75 MHz）主要用于薄形封裝產(chǎn)品的檢測中； 而低頻的換能器（LF, 15 MHz） 主要用于厚的封裝體類型的檢測。 目前電子行業(yè)中常見的換能器的頻率和對應的電子元器件種類如表3 所示。

表3 常用換能器的頻率與對應電子元器件的類別

同一個樣品在不同頻率換能器的探測之下的信息反饋如圖4-5 所示。 從兩張圖的對比中可以明顯地看出, 在穿透能力均可以滿足測試要求的情況下, 高頻換能器能觀察到塑封器件更微小的缺陷, 細節(jié)表現(xiàn)更清楚, 這使得高頻換能器在高可靠塑封領(lǐng)域里有著廣泛的應用。

2.2 塑封器件探測時的超聲掃描模式

塑封器件在封裝時主要的缺陷為氣洞和分層,這兩種缺陷往往需要綜合應用超聲顯微鏡的透射掃描模式和反射掃描模式來進行檢測。 透射掃描模式是利用超聲波完全穿透塑封器件后的剩余能量來確定塑封器件內(nèi)部是否有氣洞和分層, 如果塑封器件內(nèi)部有氣洞和分層, 由于超聲波無法穿透空氣, 在塑封器件的氣洞和分層位置超聲顯微鏡就接收不到超聲波的剩余能量, 從而接收探頭在該位置接收的信號相對于其他位置就會衰減很多, 顯示在圖像上就是一片黑色的區(qū)域（如圖6所示）。 反射掃描模式與透射掃描模式恰好相反,是利用超聲波在塑封器件內(nèi)的反射能量來確定塑封器件內(nèi)部是否有氣洞和分層, 如果塑封器件內(nèi)部有氣洞和分層, 則因為空氣可以100%反射超聲波, 在塑封器件的氣洞和分層位置, 超聲顯微鏡就會接收到更多的反射能量, 顯示在圖像上就是一片白色（如圖7 所示）。

從透射掃描模式和反射掃描模式的原理上可以了解這兩種掃描模式對塑封器件的檢測位置上的差異: 透射掃描模式主要是用來檢測整個塑封器件內(nèi)部是否有氣洞和分層缺陷, 而反射掃描模式主要是用來檢測塑封器件內(nèi)部某一個層面是否有氣洞和分層缺陷[4]。 雖然透射掃描模式的檢測更為完整, 但是, 由于目前透掃掃描的換能器頻率普遍較低, 故要檢測微小的氣洞和分層, 或要更清晰地顯示氣洞和分層的形狀需要用反射掃描模式； 另外, 由于透射掃描是多層疊加的圖形,不能確定氣洞和分層在超聲波發(fā)射方向的具體位置, 所以在超聲掃描檢測中, 需要綜合運用透射掃描模式與反射掃描模式。

2.3 塑封器件超聲掃描時的難點

在實際運用中, 塑封器件在超聲掃描時會遇到很多問題, 比如不能準確地判定塑封器件內(nèi)部是否有分層, 甚至在塑封器件存在分層時出現(xiàn)無法判斷甚至是給出完全相反結(jié)論的情況, 這需要操作人員對超聲掃描顯微鏡的原理和塑封器件的工藝有著相當豐富的經(jīng)驗。

一款PBGA 封裝型式的待測樣品的聲掃圖像和波形如圖8 所示。 該樣品通過鍵合方式實現(xiàn)內(nèi)部互聯(lián), 采用的是常規(guī)的封裝厚度（0.6 mm） 和封裝工藝。 當時此款樣品已經(jīng)經(jīng)過Hast500 h 的可靠性考核, 所有鍵合指和芯片周邊的pad 區(qū)域已經(jīng)100%分層, 即基板表面的所有金屬層區(qū)域已經(jīng)和環(huán)氧樹脂（EMC） 完全分層。 由于透射掃描模式的分辨率太低, 對于這種小面積的分層無法判斷,而在沒有未分層的基準面做參考的情況下, 測試人員將換能器聚焦在了錯誤的層面上, 根據(jù)圖像和波形判斷, 作出了未分層的檢測判定, 而事實上整個樣品已經(jīng)完全分層失效了。

在這種情況下, 往往還需要找到未考核過的未分層的塑封器件, 兩個器件同時進行超聲掃描,即可很容易地判斷出該器件是否存在分層缺陷。另一款PBGA 產(chǎn)品的聲掃檢測如圖9 所示, 由于有左邊的未經(jīng)考核的樣品作為對比, 因此很容易判斷右邊的測試樣品的聚焦位置是否正確, 以及是否有分層的情況出現(xiàn)。

SAM 的操作人員除了需要熟悉設(shè)備的工作原理和塑封的常規(guī)工藝之外, 還需要了解待測產(chǎn)品是否有特殊的技術(shù)和工藝, 以及盡可能地了解樣品的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)。 很多時候由于產(chǎn)品采用了特殊的封裝技術(shù), 比如內(nèi)部引線框架/基板表面經(jīng)過了特殊的處理, 這會使得超聲掃描時得到的波形與常規(guī)波形的差異較大, 按照常規(guī)經(jīng)驗無法準確地找到聚焦波形, 從而得出正確的結(jié)論。 此種情況下最好的方法是向塑封器件供應方咨詢封裝工藝, 確認波形異常的原因, 然后再通過試驗前后塑封器件的對比來判定塑封器件通過可靠性測試后是否產(chǎn)生了分層缺陷。

3 塑封器件的超聲掃描檢查標準

在GJB 548B-2005 方法2030 中對芯片粘接的超聲掃描提出了方法和檢查標準, 另外在GJB 4027A-2006 方法1103 中, 對塑封器件提出了超聲掃描的檢查方法和檢查標準。 在國外的標準中,美國聯(lián)合產(chǎn)業(yè)標準IPC/JEDEC J-STD-035 《用于檢查非氣密塑封電子元器件的超聲顯微鏡》、 美國NASA 的“Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit （PEM） Selection, Screening, and Qualification” （PEM-INST-001） 等都有類似的檢查方法和檢查標準。

a） GJB 548B-2005 方法2030 中, SAM 主要檢查以下芯片粘接的缺陷:

1） 接觸區(qū)多個空洞總和超過應該具有的總接觸區(qū)的50%；

2） 超過預計接觸區(qū)15%的單個空洞, 或超過總預計接觸區(qū)10%的單個拐角空洞；

3） 當用平分兩對邊方法把圖像分層4 個面積相等的象限時, 任一象限中的空洞超過了該象限預計的接觸區(qū)面積的70%。

b） GJB 4027A-2006 方法1103 中, SAM 主要檢查塑封器件的以下缺陷:

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）。

c） PEM-INST-001 標準主要運用于高可靠性領(lǐng)域的塑封電路的檢查, 提供的SAM 的檢查標準也更為具體:

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[5]。

在實際的塑封器件的可靠性考核中, 基板類塑封器件（BGA/LGA 等） 主要的分層位置為鍵合絲區(qū)域和裝芯片的中島區(qū)域, 對于引線框架類塑封器件（TO/SOP/QFP 等） 主要的分層位置為鍵合絲區(qū)域和引腳區(qū)域。 因此在SAM 檢查時, 需對以上部位重點加以確認。 而芯片和環(huán)氧樹脂（EMC）之間分層的情況較少, 目前即便是常規(guī)的封裝工藝都不太容易出現(xiàn)此類缺陷。

4 結(jié)束語

塑封器件由于材料、 結(jié)構(gòu)和工藝的特殊性,易在考核中出現(xiàn)各種內(nèi)部分層的情況, 而目前檢測此類失效和缺陷的最有效和最便捷的手段就是采用SAM 進行聲掃檢測。 隨著對塑封器件要求的不斷提高和高可靠性塑封器件的不斷發(fā)展, SAM將在塑封器件的檢測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用,由此也需要行業(yè)內(nèi)培養(yǎng)更多的掌握SAM 技術(shù)和熟悉塑封器件封裝技術(shù)的專業(yè)人才。