電子封裝與焊接質(zhì)量的超聲顯微檢測技術(shù)*

劉中柱，徐春廣，郭祥輝，趙新玉，楊 柳

（1.北京理工大學(xué)先進(jìn)加工技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，太原 030051）

1 引言

在電子器件封裝過程中，由于材料和工藝因素的不可控而不可避免的會(huì)產(chǎn)生微缺陷，例如分層、微裂紋、空洞等；這些缺陷開始并不一定影響到電子器件的電性能，有的也能順利通過電或邏輯性能測試，但是在使用過程中，隨著環(huán)境溫度濕度變化以及電子器件的熱和電磁效應(yīng)，這些缺陷在熱循環(huán)、電磁以及應(yīng)力場的共同作用下不斷擴(kuò)展和演化，而且熱應(yīng)力及溫度循環(huán)會(huì)引起電子封裝內(nèi)部更多的缺陷、損傷的出現(xiàn)和演化，在電子封裝內(nèi)部缺陷附近產(chǎn)生熱場不均衡和熱應(yīng)力集中，從而造成缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致電子封裝的熱擴(kuò)散能力進(jìn)一步降低，出現(xiàn)微焊點(diǎn)的熱疲勞斷裂、引線斷裂、硅片裂紋和封裝爆裂等多種失效缺陷，完整性下降，最終導(dǎo)致電子器件性能失效。

此外，封裝好的電子元器件需要安裝到與之連接的印刷電路板上才能正常工作，除了早期的DIP式封裝外，BGA、FLIP等封裝形式都需要通過焊接的形式把電子封裝上的引腳與印刷電路板上的導(dǎo)線進(jìn)行連接。由于焊錫的不均勻等工藝的原因，在實(shí)際中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焊或相鄰引腳焊錫相連的情況，這些都會(huì)導(dǎo)致電子器件的工作不正常。

為提高電子系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些電子封裝中的各種物理結(jié)構(gòu)缺陷以及焊接中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，這就要求對其進(jìn)行有效的無損檢測。由于電子封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺度微小、層狀結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、引腳的間距很小，這對無損檢測提出了新的要求，尤其是橫向和縱向分辨率[1,2]。X射線透射技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)的一種常用無損檢測方法，主要用于檢測內(nèi)部引線斷裂和金屬化層斷裂等缺陷，但其需要額外的防護(hù)裝置，且對微小裂紋和分層缺陷不敏感[3]，這限制了它的應(yīng)用。

超聲顯微鏡（Scanning Acoustic Microscopy，SAM）由于具有能檢測芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、對分層缺陷敏感，不需要輻射防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在電子封裝檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

超聲顯微鏡（Scanning Acoustic Microscopy，SAM）是一種新型的無損檢測技術(shù)，它利用聚焦高頻超聲（通常頻率為10MHz～2GHz），對被測材料表面、亞表面及其內(nèi)部一定深度內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微成像。該技術(shù)提供了一種能穿透不透明材料，對被測材料內(nèi)部一定深度內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)掃查成像，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，并可以研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能的方法和手段。通常，超聲顯微鏡的分辨能力主要與超聲頻率有關(guān)。因此，通過提高超聲波頻率可以提高分辨率，但由于材料聲衰減與聲頻率的平方相關(guān)，頻率越高，聲衰減越大，導(dǎo)致穿透深度迅速下降，故在材料內(nèi)部的實(shí)際檢測中，10MHz～100MHz的頻率最常用[5]。

由于電子封裝結(jié)構(gòu)一般具有較為平整的表面，非常適合超聲顯微鏡檢測，可以有效檢測電子封裝結(jié)構(gòu)的多種缺陷，如材料內(nèi)部的雜質(zhì)顆粒、夾雜物和沉淀物、內(nèi)部裂紋、分層缺陷、空洞、氣泡和孔隙等。所以，超聲顯微鏡對檢測電子封裝結(jié)構(gòu)的完整性具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是研究電子封裝結(jié)構(gòu)完整性的有效工具[3,5～7]。

為此，我們采用高速數(shù)據(jù)采集卡、高頻超聲聚焦換能器、寬頻脈沖收發(fā)儀與高精度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，研發(fā)了一套實(shí)用的超聲顯微系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了多種成像方式，能進(jìn)行全時(shí)域波形采集和存儲(chǔ)，可在只進(jìn)行一次掃查過程的情況下，查看電子封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)任意深度的C掃描圖像。該超聲顯微鏡系統(tǒng)的精度和功能能夠滿足實(shí)際的檢測需求，相比商業(yè)產(chǎn)品成本低廉。

2 超聲顯微鏡原理

自第一臺(tái)超聲顯微鏡問世以來，超聲顯微檢測技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，在電子、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，很多新型的超聲顯微鏡都被開發(fā)了出來，并有了大量的改進(jìn)，但它們的基本原理仍是相同的，即用超聲換能器產(chǎn)生的高頻聚焦聲束檢測試樣。

高頻聚焦超聲換能器產(chǎn)生通常由壓電薄膜（含薄膜電極）、聲透鏡、聲阻抗匹配層以及散射吸收層組成，如圖1所示。壓電薄膜通常由氧化鋅濺射到藍(lán)寶石表面上已鍍好的金膜形成，當(dāng)電壓加到壓電薄膜上時(shí)便產(chǎn)生高頻平面超聲，平面超聲波經(jīng)過藍(lán)寶石等衰減系數(shù)小的聲透鏡內(nèi)傳播，在到達(dá)聲透鏡凹面處后，按折射定律發(fā)生折射形成球面波，再經(jīng)過水的傳播會(huì)聚到試樣的某一點(diǎn)上，在該過程中，水為聲傳播媒介，將從聲波透鏡發(fā)出的高頻聲波傳送到試樣處；經(jīng)試樣反射的超聲波仍然沿同樣的路徑返回，在壓電換能器處被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該反射電信號(hào)再通過阻抗變化和驅(qū)動(dòng)放大后進(jìn)入接收電路，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信息，用于后續(xù)的信號(hào)和圖像處理。實(shí)際操作過程上，試樣上任一點(diǎn)反射信號(hào)都是通過上述過程獲得的，利用掃描裝置和工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可分別沿水平方向和垂直方向?qū)β暡ㄍ哥R和試樣進(jìn)行掃描控制，從而能夠給出二維的超聲圖像。

超聲顯微鏡的分辨率主要由藍(lán)寶石透鏡和所用耦合劑的折射率來決定。折射率是兩種材料中縱波聲速的比值，如耦合劑為蒸餾水的話，折射率n=11.2/1.5≈7.5，遠(yuǎn)大于相似的光學(xué)系統(tǒng)，因此聲束幾乎會(huì)被聚焦到一個(gè)點(diǎn)上，這就是超聲顯微鏡具有高分辨率的原因[2]。

此外，當(dāng)聲透鏡凹面的張角較大時(shí)，如果試樣表面置于高頻聚焦換能器的散焦區(qū)域時(shí)，則會(huì)在試樣表面和近表面一個(gè)聲波波長厚度內(nèi)激發(fā)出表面波（Surface Acoustic Waves，SAW），通常稱為瑞利波。瑞利波對表面介質(zhì)的不均勻性非常敏感，因此可用來檢測表層的微小裂紋、孔洞和分層缺陷。

圖1 高頻聚焦超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖

通常，對被測器件的超聲顯微檢測有B掃描和C掃描等多種成像方式。B掃描是一種沿垂直截面成像的工作方式，C掃描是一種對平行于探測面，特定深度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的工作方式。在C掃描模式下，通過選擇適當(dāng)?shù)念l率、透鏡和聚焦深度，可對集成電路內(nèi)部特定層面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微成像分析。C掃描是超聲顯微鏡的一種主要工作模式，因此采用這種模式的超聲顯微鏡常被稱為C掃超聲顯微鏡（C-SAM）。

3 研制的超聲顯微鏡系統(tǒng)

3.1 超聲顯微鏡的組成

本超聲顯微鏡主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，高頻脈沖激勵(lì)源，高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高頻超聲聚焦換能器探頭等部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用及選型如下：

（1）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源和電機(jī)組成。工作時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)用戶指令，經(jīng)計(jì)算后給運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送控制指令，包括速度、位置信息，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)高頻超聲聚焦換能器移動(dòng)。

本系統(tǒng)中采用高精度運(yùn)動(dòng)控制卡來控制電機(jī)，可支持直流、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)，并可接收編碼器信號(hào)。對于掃查軸選用直線伺服電機(jī)配以光柵尺，直線電機(jī)具有定位精度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，分辨率為0.1μm。對于索引軸及Z軸則選用步進(jìn)電機(jī)配合精密滾珠絲杠傳動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)具有成本低、易于控制、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，其分辨率為0.5μm。圖3所示為運(yùn)動(dòng)軸和放置試樣的水槽。

圖2 超聲顯微鏡的硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 超聲顯微掃查系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軸和水槽

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由脈沖收發(fā)儀、AD卡和高頻聚焦換能器探頭組成。計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令給脈沖收發(fā)儀，脈沖收發(fā)儀發(fā)出指定頻率的脈沖信號(hào)給發(fā)射探頭，發(fā)射探頭將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為指定頻率的超聲波，聲波經(jīng)過被測物體后被接收探頭接收，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)由脈沖收發(fā)儀接收并傳遞給AD卡，AD卡采集信號(hào)并進(jìn)行處理后傳遞給計(jì)算機(jī)。

本系統(tǒng)中選用的脈沖收發(fā)儀的通頻帶分別為200MHz和500MHz。因超聲顯微系統(tǒng)要求使用高頻換能器，故數(shù)據(jù)采集卡要具有足夠高的采樣頻率。此處選用的高速數(shù)據(jù)采集卡，其最高采樣頻率可達(dá)4GHz。

3.2 超聲顯微鏡的軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件總體設(shè)計(jì)

超聲顯微鏡要充分發(fā)揮性能，實(shí)現(xiàn)高精度的掃查功能，還需要相應(yīng)完善的控制軟件來支持。在軟件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)處理、圖像顯示和參數(shù)設(shè)置等模塊，能對各個(gè)坐標(biāo)軸的定位及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制，同時(shí)接收直線電機(jī)上光柵尺的反饋脈沖，控制高頻數(shù)據(jù)采集卡采集高頻探頭接收到的超聲回波信號(hào)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并成像，從而實(shí)現(xiàn)對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測。

由于系統(tǒng)選用的高速數(shù)據(jù)采集卡提供的開發(fā)包是基于微軟.NET框架的，因此本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境也基于微軟的.NET框架，選擇的開發(fā)工具為Visual C#。C#從C和C++演變而來，是一種簡單、現(xiàn)代、類型安全和面向?qū)ο蟮恼Z言，它同時(shí)具有Visual Basic的易用性、高性能以及C++的低級內(nèi)存訪問性。程序通過動(dòng)態(tài)鏈接庫與硬件相連接，通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫提供的API函數(shù)來驅(qū)動(dòng)硬件動(dòng)作。

超聲顯微鏡系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖4所示，圖中為使用20MHz超聲聚焦換能器對一塊電子封裝芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)掃查的運(yùn)行界面。

圖4 超聲顯微鏡系統(tǒng)的運(yùn)行界面

（2）全波數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

為了便于對超聲顯微檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理與分析，軟件實(shí)現(xiàn)了全時(shí)域波形（簡稱全波）數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)功能。

在超聲顯微檢測中，由于采用的超聲換能器均為高頻聚焦探頭，AD采樣頻率很高；同時(shí)，超聲顯微檢測系統(tǒng)要求的掃查精度也很高，這些因素導(dǎo)致在掃查過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量很大，很難實(shí)現(xiàn)全波數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。一些商業(yè)化的超聲顯微鏡產(chǎn)品也沒有提供此功能，僅能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)閘門內(nèi)的參數(shù)，這滿足不了后期數(shù)據(jù)處理分析的需要。

通過精心設(shè)置掃查參數(shù)和軟件的程序控制，便能實(shí)現(xiàn)全波數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能。有了全波采集的超聲信號(hào)數(shù)據(jù)后，可以很方便地對其進(jìn)行分析成像。例如，可以在只進(jìn)行一次掃查過程的情況下，顯示任意深度的C掃圖像，顯示任意位置的橫向和縱向剖面圖像（B掃）、3D成像等，這些操作在沒有提供全波采集功能的系統(tǒng)上需要重新進(jìn)行多次掃查才能完成，甚至難以完成。

圖5所示為應(yīng)用采集到的全波超聲顯微信號(hào)數(shù)據(jù)，對電子封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同位置的C掃成像圖。圖中箭頭左側(cè)為A掃波形信號(hào)，右側(cè)為對應(yīng)數(shù)據(jù)閘門位置的C掃圖像。圖中從上到下，數(shù)據(jù)閘門（A掃波形中的白色雙橫線）在時(shí)間軸上的位置依次右移，即C掃成像的位置逐漸加深。從圖中可看出不同深度下電子封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。

圖5 不同深度的C掃圖

（3）成像方法

超聲顯微掃查時(shí)，如B掃描、C掃描，需要把掃查結(jié)果直觀地顯示出來，這就涉及到超聲成像。軟件在設(shè)計(jì)時(shí)提供了多種成像方法以及灰度和彩色著色模式。對于常用的C掃描模式，提供了正/負(fù)向峰值成像、最大峰值成像、峰-峰值成像、ToF（Time of Flight，聲時(shí)）成像等成像方法，同時(shí)還提出了頻域成像的方法。

系統(tǒng)接收到的超聲信號(hào)包括很多不同的頻率成分，傳統(tǒng)峰值成像方式使用的峰值是各種頻率成分平均后的結(jié)果，這導(dǎo)致成像的邊緣比較模糊。為改善此問題，可以選取某一具體頻率成分的峰值進(jìn)行成像，從而提高成像分辨率。本系統(tǒng)提出了一種頻域成像方法，首先對超聲顯微C模式掃描中的A掃描信號(hào)進(jìn)行全波采集，然后對時(shí)域上的閘門數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，用頻譜中對應(yīng)于超聲換能器中心頻率的頻率成分來成像。圖6所示為傳統(tǒng)峰值成像和頻域成像的對比圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明頻域成像比峰值成像具有更好的分辨率，能展現(xiàn)一些傳統(tǒng)成像方式不能顯示的細(xì)節(jié)。

圖6 兩種成像方法的對比圖

3.3 超聲顯微鏡的系統(tǒng)指標(biāo)

研發(fā)的超聲顯微鏡具有較高的精度和性能，其系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 超聲顯微鏡的系統(tǒng)指標(biāo)

4 電子封裝與焊接質(zhì)量的檢測實(shí)驗(yàn)

為測試系統(tǒng)的檢測能力，在本超聲顯微鏡系統(tǒng)上對一些試件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用的超聲換能器為20MHz～100MHz頻率范圍的超聲高頻聚焦換能器，試樣放置于換能器的焦柱范圍之內(nèi)；耦合劑為水，室溫環(huán)境。

圖7所示為對某電子封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測的C掃成像圖，圖7（a）為初始的電子封裝的掃查圖，圖中可清晰地分辨出內(nèi)部芯片、襯墊及引線等結(jié)構(gòu)；圖7（b）為經(jīng)過若干次熱沖擊后的電子封裝掃查圖，從圖中可以明顯的看出，經(jīng)過若干次熱沖擊后內(nèi)部引線處出現(xiàn)一條裂紋（圖中上方畫圈處），右側(cè)還出現(xiàn)了分層缺陷（圖中右下方畫圈處），由于分層缺陷產(chǎn)生了很強(qiáng)的超聲波反射。

在焊接質(zhì)量的檢測實(shí)驗(yàn)中，作者人工制造了一些缺陷來進(jìn)行檢測，如圖8（a）所示，首先把一個(gè)雙列直插式芯片的引腳折彎，然后把芯片一側(cè)的引腳（圖中畫圈處）焊接在印刷電路板上，焊接時(shí)使用不同的焊錫量。

當(dāng)把時(shí)間閘門設(shè)置在電路板表面時(shí)，對該芯片引腳焊接處的C掃描結(jié)果如圖8（b）所示。當(dāng)焊點(diǎn)處存在孔洞時(shí)，會(huì)在孔洞的交界面產(chǎn)生較強(qiáng)的反射回波，從而導(dǎo)致掃查圖中對應(yīng)部位較周圍“亮”，因此從圖中可見最右側(cè)引腳的焊接質(zhì)量最差，幾乎完全虛焊。

圖7 某封裝結(jié)構(gòu)熱沖擊前后的C掃成像結(jié)果

圖8 焊接質(zhì)量的檢測實(shí)驗(yàn)

5 總結(jié)

電子封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺度微小、層狀結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、引腳的間距很小，傳統(tǒng)的無損檢測方法很難檢測出來，而超聲顯微技術(shù)能夠較好地進(jìn)行檢測。

本文結(jié)合超聲顯微技術(shù)原理，采用高速數(shù)據(jù)采集卡、高頻超聲聚焦換能器、脈沖收發(fā)儀和高精度的電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，研發(fā)了一套超聲顯微鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有造價(jià)相對低廉、精度高、功能基本完善的特點(diǎn)，提供了多種成像方法，擁有全波采集與存儲(chǔ)功能，可用于電子封裝結(jié)構(gòu)與焊接質(zhì)量的檢測，也可用于其他領(lǐng)域細(xì)微缺陷的檢測，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］Briggs A,Kolosov O.Acoustic Microscopy[M].New York: Oxford University Press,2009.

［2］Fassbender S U,Kraemer K.Acoustic microscopy a powerful tool to inspect microstructures of electronic devices[C].2003.

［3］姚立新.超聲掃描檢測技術(shù)在半導(dǎo)體封裝中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù)（增刊）， 2010，35（7）：176-179.

［4］Ma L,Bao S,Lv D,et al.Application of C-mode Scanning Acoustic Microscopy in Packaging[Z].2007：1-6.

［5］吳時(shí)紅，何雙起.超聲顯微檢測技術(shù)的應(yīng)用研究[J].無損檢測，2007，（5）: 278-279.

［6］Barth M,Schubert F,Koehler B.Where x-ray imaging fails-delamination,crack,and micro-pore detection using ultrasonic reflection tomography in a scanning acoustic microscope[C].Dresden,2008.

［7］Sutor A,Winkler G,Bischoff G.Scanning acoustic microscopy for non-destructive tests of electronic components[J].Electron Technology,2006,37/38（7）:1-4.