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扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用

Date: 2018-06-06
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相信大家都知道什么是B超,我们在体检或看病的时候,检查单上往往能看到B超项目,通过B超检查能够诊断肉眼看不到的人体内部组织或器官是否发生病变,如肌腱软骨是否病变、胆肾是否出现结石、胎儿的生长是否正常等等,这些都得益于超声波技术。在电子元器件非破坏性分析技术中,扫描声学显微镜(SAM)就像医院的B超一样,能够对电子元器件进行“体检”,探测电子元器件内部材料包括裂纹、空洞、分层、杂质等缺陷。特别是塑封集成电路,通过扫描声学显微镜检查能够有效评价器件的结构缺陷、工艺质量等,以达到元器件筛选或分析改进的目的。

扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用


一、扫描声学显微镜(SAM)的原理


扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用

图1   SAM设备示例

SAM系统主要由超声波换能器、高频信号发生器、波形采集系统、扫描系统、信号处理系统和成像系统组成。扫描声学显微镜由换能器发射和接收超声脉冲信号,声波与被测样品发生相互作用后,由扫描系统在样品上方来回扫描,把样品每一点的声波信息记录下来,经信号处理系统和成像系统转换为图像信号显示在高分辨率显示屏上。

超声波由压电换能器产生,超声波换能器受到电子脉冲信号激发能够在固有的频率下振荡。而不同换能器的频率和焦距,决定了换能器的穿透深度和理论分辨率,通常来说换能器的频率越高,穿透深度越小,理论分辨率越大。超声波换能器是超声波扫描显微镜系统的核心部件。

声波的传播是通过介质材料分子间的振动不断向周围传递的,分子间距越小,声波的传输速度越快。测试样品通常需要浸泡在去离子水中,去离子水就是声波传播的媒介。


SAM主要用到以下超声波的传输特性:

(1)

可聚焦到特定深度,以达到最佳分辨率;

(2)

在介质中传播方向性好;

(3)

 在介质材料性质突变时(不同界面或缺陷位置)发生反射和折射。


超声波通过介质材料时,根据材料的声阻特性,以波形的形式呈现,判断材料界面是否突变。图2为声波通过不同介质材料时的波形示意图。波形的呈现主要与以下材料特性相关:

(1) 密度(ρ):单位体积下物体的质量,单位为kg/m3。

(2) 声速(c):声波在介质传输时的速度,单位为m/s。

(3) 声阻抗(z):Z=ρ•c。

(4) 反射率(R):声波从声阻抗为Z1的介质进入声阻抗为Z2时,反射系数为  


  扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用

当Z1<Z2,超声波由密度低的介质通过密度高的介质时,R为正数,即波形显示为正波。

当Z1>Z2,超声波由密度高的介质通过密度低的介质时,R为负数,即波形显示为负波。

当Z1=Z2,超声波通过相同密度的介质时,波形显示为平行波。

例如,图2所示,如果Z1与Z2材料界面出现分层(通常分层位置为空气,超声波无法在空气中传播),此界面显示的波形变成负波。

值得注意的是,声波在介质中传播必然会发生衰减,主要原因有衍射、散射、吸收。所以根据样品的材料和厚度选择合适的换能器显得非常重要。

扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用

图2   声波探测到不同介质材料时的反射波形(A-Scan)

扫描声学显微镜的扫描模式:

(1)脉冲反射模式:利用反射波成像(图3)

优点:可以聚焦到具体某一界面进行检测,成像清晰,能够判断缺陷的深度。

缺点:通常需要对样品正反面扫描。

脉冲反射模式常用的扫描方式:

A-Scan:超声波的基本信号源,该波形代表了超声波聚焦在样品某一点上后得到的反射波形。

B-Scan:也叫纵向截面的扫描,可以确定缺陷纵向上的位置。

C-Scan:也叫平面扫描,通过选择关注的界面波形在样品上方来回扫描,把样品每一点反射的波形处理形成二维图像,可以精确地观察感兴趣的界面,判断该界面或材料的缺陷。图5为通过脉冲反射波(C-Scan)成像检测倒装芯片underfill的分层。

(2)透射模式:利用透射波成像(图4)

优点:一次扫描可检测所有界面,可验证脉冲反射成像结果,也可用于大批量器件快速筛选。

缺点:无法确认缺陷的位置,相比于反射波成像分辨率较低。

图6为通过透射模式成像检测塑封器件的内部分层。

扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用


扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用


二、扫描声学显微镜的应用

扫描声学显微镜检查在破坏性物理分析(DPA)、失效分析(FA)、质量控制以及材料分析中应用广泛,包括:

1. 评价大功率器件芯片的粘接质量;

2. 检测材料缺陷以及塑封电路的分层、裂纹、空洞等;

3. 也可用于大批量器件的筛选,剔除次品等。

特别对于塑封电路,分层缺陷较为常见。由于塑封电路属于潮湿敏感器件,暴露在空气中容易吸潮,如果器件中存在分层、空洞等缺陷,水汽会通过缺陷通道加速进入到器件内部,可能对内部芯片进行腐蚀,导致器件失效。另外样品在回流焊的过程中,如果控制不当,温度迅速升高,内部的潮气产生蒸汽压力引起“爆米花”效应,可能导致引线断开或塑封料开裂。

在DPA数据统计中发现塑封集成电路的扫描声学显微镜项目不合格的比例占了不合格总批数的80%以上。扫描声学显微镜作为非破坏性分析手段是剔除缺陷器件的有效工具。

图7至图10是一些SAM检查出的典型问题。图7为塑封集成电路的芯片、引线架以及基板存在大面积分层。图8为塑封集成电路的封装材料存在空洞。图9为大功率器件散热片的粘接空洞。图10为多层陶瓷电容器内部材料存在分层。

扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用

扫描声学显微镜(SAM)在电子元器件分析中的应用

三、小结

扫描声学显微镜是非常有效的无损分析设备,可用于电子产品研发、生产、物料检测、质量控制、质量保证及可靠性等领域,对提高电子元器件质量,改善工艺质量以及产品可靠性发挥着至关重要的作用。



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