聲學(xué)掃描顯微鏡檢查標(biāo)準(zhǔn)研究★

李昕昕，黨煒，李永正，張澤明

（中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094）

0 引言

塑封器件由于具有成本低、性能高等優(yōu)勢(shì)而在空間高可靠領(lǐng)域有很大的需求，界面分層、包封料空洞等封裝缺陷是影響其可靠性的重要因素[1-3]。聲學(xué)掃描顯微鏡 （SAM：Scanning Acoustic Microscope）檢查又被稱(chēng)為超聲檢測(cè)，目前已作為一種成熟的檢查手段而廣泛地應(yīng)用于塑封器件的無(wú)損檢測(cè)中，其主要功能為發(fā)現(xiàn)塑封器件包封體內(nèi)部空洞、裂紋和各個(gè)界面的分層等缺陷。但是，國(guó)內(nèi)外關(guān)于SAM檢查的標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有形成統(tǒng)一的執(zhí)行判據(jù)，在實(shí)際的SAM檢測(cè)過(guò)程中，有時(shí)可能會(huì)遇過(guò)對(duì)相同的缺陷表征，若依據(jù)不同的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，最終結(jié)果可能不同的情況。因此，本文從裂紋、空洞、分層和應(yīng)力試驗(yàn)等判據(jù)方面對(duì)工程中常用的SAM檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的差異進(jìn)行了詳細(xì)的討論，以期為塑封器件各種缺陷的正確判定提供一定的參考。

1 聲學(xué)掃描顯微鏡檢查標(biāo)準(zhǔn)

1.1 聲學(xué)掃描顯微鏡檢查工程常用標(biāo)準(zhǔn)

目前，SAM檢查標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景可以分為破壞性物理分析 （DPA）和篩選評(píng)估兩大部分，以下是工程中應(yīng)用得較多的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

a）GJB 4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)屬于我國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)定了軍用電子元器件DPA的要求，其中工作項(xiàng)目1103的2.4章節(jié)對(duì)于SAM檢查進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

b） MIL-STD-1580B“Destructive Physical Analysis for Electronic， Electromagnetic， and Electromechanically Parts”[2]，該標(biāo)準(zhǔn)屬于美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)定了軍用電子元器件DPA的要求，其中Requirement 16.5.1.3 Acoustic Microscopy章節(jié)，對(duì)于SAM檢查進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。

c） PEM-INST-001： Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM） Selection， Screening，and Qualification[3]，該標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)國(guó)家航空航天局 （NASA：National Aeronautics and Space Administration）發(fā)布的塑封器件航天應(yīng)用質(zhì)量保證要求。其中，5.3.3 Acoustic Microscopy（C-SAM）對(duì)DPA的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，3.0章節(jié)規(guī)定了超聲檢測(cè)應(yīng)用篩選時(shí)的判別依據(jù)。

d）Application of Scanning Acoustic Microscopy to Plastic Encapsulated Devices ESCC Basic Specification No.25200[4]，該標(biāo)準(zhǔn)由歐洲空間元器件協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu) （ESCC：European Space Components Coordination）發(fā)布，適用于塑封器件質(zhì)量保證的DPA、評(píng)估等環(huán)節(jié)。

其中，GJB 4027A和MIL-STD-1580B分別是我國(guó)和美國(guó)的軍用標(biāo)準(zhǔn)，適用于塑封器件的DPA，兩者對(duì)于超聲檢測(cè)的要求和判據(jù)規(guī)定一致，下文比較時(shí)將兩者合并進(jìn)行說(shuō)明。PEM-INST-001和ESCC No.25200是美國(guó)和歐洲航空航天應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于塑封器件DPA超聲檢測(cè)判據(jù)的規(guī)定兩本規(guī)范存在較大的差異。在將GJB 4027A（MILSTD-1580B）、 PEM-INST-001和 ESCC No.25200 3份標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)三者的標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)也存在著較大的差異。當(dāng)將超聲檢測(cè)應(yīng)用于塑封器件的篩選和評(píng)估環(huán)節(jié)時(shí)，對(duì)PEM-INST-001和ESCC No.25200進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者的標(biāo)準(zhǔn)缺陷判據(jù)也存在較大的差異。行業(yè)內(nèi)對(duì)SAM檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷判據(jù)描述也存在相關(guān)意見(jiàn)[5]，如GJB 4027A中對(duì)于 “分層面積超過(guò)其后側(cè)區(qū)域面積的1/2”的描述，相關(guān)論文認(rèn)為上句中 “后側(cè)”改為 “下側(cè)”更為妥當(dāng)?shù)取１疚膶娜毕莘N類(lèi)，如裂紋、空洞和分層等方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)的差異進(jìn)行總結(jié)與分析。

1.2 聲學(xué)掃描顯微鏡檢查界面說(shuō)明

超聲檢測(cè)按照標(biāo)準(zhǔn)要求，通常需要進(jìn)行如圖1所示的6個(gè)界面的檢查[4]。

圖1 塑封器件超聲檢測(cè)界面示意圖

從左至右檢測(cè)界面分別為：

a）芯片和模塑化合物 （塑封料）界面；

b）引線架和模塑化合物界面 （頂視圖）；

c）芯片焊板邊緣和模塑化合物界面 （頂視圖）；

d）芯片與芯片焊板粘接界面 （如果存在）；

e）芯片焊板與模塑化合物界面 （后視圖）；

f）引線架與模塑化合物界面 （后視圖）。

1.3 聲學(xué)掃描顯微鏡檢查標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)的差異

本節(jié)主要討論上文中的超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的拒收判據(jù)的差異，主要從裂紋、空洞、不同位置的分層和應(yīng)力試驗(yàn)后的判據(jù)等進(jìn)行討論。

a） 裂紋缺陷

GJB 4027A、MIL-STD-1580B和PEM-INST-001均有以下相同規(guī)定：

1）從引線腳延伸至任一其他內(nèi)部部件 （引腳、芯片或芯片粘接側(cè)翼）的內(nèi)部裂紋，其長(zhǎng)度超過(guò)相應(yīng)間距的1/2；

2）導(dǎo)致表面破碎的任何包封上的裂紋。

而ESCC 25200規(guī)范規(guī)定：

1）從引線架延伸至其他任何部件的裂紋，包括芯片、引線架和基板；

2）從器件塑封料的內(nèi)部部件擴(kuò)展向封裝表面的裂紋，超過(guò)其對(duì)應(yīng)距離的2/3。

對(duì)于裂紋缺陷的要求，ESCC 25200中規(guī)定從引腳延伸至器件內(nèi)部的裂紋只要出現(xiàn)，如圖2中Horizontal crack所示[7]，即判別為失效；而其他標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定只有當(dāng)裂紋的長(zhǎng)度超過(guò)與內(nèi)部部件距離的1/2時(shí)才判定為失效；

對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)延伸至封裝表面的裂紋，如圖2中Diagonal crack所示，ESCC 25200中規(guī)定裂紋長(zhǎng)度超過(guò)其對(duì)應(yīng)距離的2/3時(shí)判定為失效；其他標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定只要導(dǎo)致表面破碎的任何包封上的裂紋出現(xiàn)即判定為失效。

圖2 塑封器件裂紋缺陷示意圖

b）分層缺陷

1）芯片焊板與模塑化合物 （塑封料）界面分層

GJB 4027A和MIL-STD-1580B均有相同的規(guī)定：芯片焊板與模塑化合物界面分層面積不得超過(guò)其后側(cè)區(qū)域面積的1/2。PEM-INST-001規(guī)定此條為非拒收性缺陷，不納入合格與否的判據(jù)，但需進(jìn)行考核。ESCC 25200則規(guī)定：芯片焊板與模塑化合物完全分層屬于標(biāo)準(zhǔn)缺陷。如圖3中箭頭部位所示的缺陷，僅考慮芯片焊板與模塑化合物界面分層情況，已超過(guò)其后側(cè)區(qū)域面積的1/2，按照GJB 4027A和MIL-STD-1580B進(jìn)行判別，該樣品超聲檢查結(jié)論為不合格；而按照PEM-INST-001和ESCC 25200進(jìn)行判別，則該樣品超聲檢查結(jié)論為合格。

圖3 焊板與塑封料分層示意圖 （后視圖）

2）引腳與模塑化合物界面分層

GJB 4027A、MIL-STD-1580B規(guī)定：引腳從塑封完全剝離 （上側(cè)或下側(cè)）屬于標(biāo)準(zhǔn)拒收缺陷。ESCC 25200中7.1條款規(guī)定：擴(kuò)展至其區(qū)域整個(gè)長(zhǎng)度的分層 （引腳、連筋和熱沉）屬于標(biāo)準(zhǔn)缺陷，如圖4所示。但是PEM-INST-001規(guī)范中沒(méi)有明確的條款對(duì)該類(lèi)缺陷進(jìn)行規(guī)定。因此該類(lèi)缺陷若依據(jù)PEM-INST-001進(jìn)行判別，不屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拒收缺陷；按照GJB 4027A、MIL-STD-1580B和ESCC 25200進(jìn)行判別，則該器件超聲檢測(cè)結(jié)果為不合格。

圖4 引腳與塑封料分層示意圖 （后視圖）

3）連筋頂部與模塑化合物界面

GJB 4027A、MIL-STD-1580B均有相同規(guī)定：連筋頂部分層超過(guò)其長(zhǎng)度的1/2屬于標(biāo)準(zhǔn)缺陷。PEM-INST-001規(guī)定此條為非拒收性缺陷，不納入合格與否的判據(jù)。ESCC 25200則規(guī)定：任何分層長(zhǎng)度延伸至整個(gè)界面都屬于標(biāo)準(zhǔn)缺陷。如圖5所示[7]的缺陷，分層已超過(guò)其長(zhǎng)度的1/2，按照GJB 4027A和MIL-STD-1580B進(jìn)行判別，該缺陷屬于標(biāo)準(zhǔn)缺陷，超聲檢測(cè)結(jié)果為不合格；若依據(jù)PEMINST-001和ESCC 25200進(jìn)行判別，則該缺陷不屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拒收缺陷，超聲檢測(cè)結(jié)果合格。

圖5 連筋頂部與塑封料分層示意

c）空洞缺陷

空洞缺陷如圖6所示[7]。對(duì)于此類(lèi)缺陷，GJB 4027A、MIL-STD-1580B和PEM-INST-001均有相同的規(guī)定：跨越鍵合絲的模塑化合物的任何空洞均屬于拒收缺陷。ESCC 25200則規(guī)定：從內(nèi)部延伸貫穿塑封料2/3區(qū)域的空洞、影響引線架機(jī)械穩(wěn)定性的空洞均屬于拒收缺陷。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)空洞缺陷的規(guī)定判據(jù)基準(zhǔn)存在較大的差異，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中可能發(fā)生相同表征結(jié)果不同的情形。例如：某器件存在空洞缺陷，空洞直徑超過(guò)其所在區(qū)域包封料的2/3，但未跨越鍵合絲，依據(jù)GJB 4027A、MILSTD-1580B和PEM-INST-001判定該缺陷屬于非拒收缺陷，超聲檢測(cè)結(jié)論為合格；若依據(jù)ESCC 25200判定，則超聲檢測(cè)結(jié)論為不合格。

圖6 塑封器件包封料空洞缺陷示意圖

d）應(yīng)力試驗(yàn)后超聲檢測(cè)判據(jù)差異

SAM檢查應(yīng)用在塑封器件的篩選、評(píng)估環(huán)節(jié)時(shí)PEM-INST-001和ESCC 25200標(biāo)準(zhǔn)均有涉及條目。PEM-INST-001規(guī)范3.0章節(jié)表格2“Screening Requirements for PEMs”備注4中規(guī)定經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的溫度沖擊試驗(yàn)后，超聲檢測(cè)相關(guān)拒收條款為：芯片表面和模塑化合物界面任何可測(cè)量的分層、鍵合區(qū)域的任何分層和引腳與模塑化合物分層長(zhǎng)度超過(guò)其長(zhǎng)度的2/3，出現(xiàn)以上3條則為標(biāo)準(zhǔn)拒收缺陷。ESCC 25200對(duì)于應(yīng)力試驗(yàn)前后分層缺陷區(qū)域的變化量給出了規(guī)定，即應(yīng)力測(cè)試后相關(guān)分層區(qū)域面積擴(kuò)展超過(guò)10%屬于標(biāo)準(zhǔn)拒收情形。如圖7所示，在進(jìn)行溫度循環(huán)若干次試驗(yàn)前后，芯片焊板與模塑化合物 （后視圖）的分層增大超過(guò)區(qū)域面積的10%，依據(jù)PEM-INST-001進(jìn)行判定，不屬于標(biāo)準(zhǔn)拒收的3個(gè)缺陷，超聲檢測(cè)結(jié)果合格；若依據(jù)ESCC 25200進(jìn)行判定則屬于標(biāo)準(zhǔn)拒收缺陷，超聲檢測(cè)結(jié)果不合格。

圖7 應(yīng)力試驗(yàn)前后某SOT-23封裝焊板與塑封料分層變化 （后視圖）

2 應(yīng)用討論

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)相同的缺陷表征適用不同的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，超聲檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果可能存在差異。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)會(huì)造成疑惑。為此，筆者提出了以下幾點(diǎn)建議。

首先，對(duì)于上文中多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一致的缺陷描述，如鍵合區(qū)域的分層等需要嚴(yán)格地執(zhí)行，該缺陷與已知的塑封器件的失效模式的相關(guān)性較大。

其次，上文討論的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定存在差異的缺陷中到底哪些缺陷表征對(duì)塑封器件的可靠性影響較大，哪些缺陷在實(shí)際應(yīng)用中具有高風(fēng)險(xiǎn)，個(gè)人認(rèn)為結(jié)合塑封器件的失效機(jī)理以及具體的應(yīng)用環(huán)境剖面進(jìn)行考慮是較為可行的。當(dāng)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有差異的缺陷時(shí)，應(yīng)結(jié)合應(yīng)用的實(shí)際情況，制定針對(duì)性的考核方案，如加速壽命試驗(yàn)等；當(dāng)應(yīng)用環(huán)境可能存在腐蝕問(wèn)題時(shí)，應(yīng)對(duì)引腳與模塑化合物貫穿性的分層或裂紋，即可能產(chǎn)生外部環(huán)境與塑封器件內(nèi)部水汽通道的缺陷進(jìn)行考慮。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文從塑封器件內(nèi)部裂紋、空洞和分層等缺陷類(lèi)型的角度，討論了工程實(shí)戰(zhàn)中應(yīng)用不同的超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判別相同的缺陷表征時(shí)得到不同的檢測(cè)結(jié)果的問(wèn)題，對(duì)此在實(shí)際工程實(shí)施時(shí)需要格外注意。其中，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于跨越鍵合絲的裂紋和鍵合區(qū)域的分層規(guī)定相同，均判定其為拒收缺陷；對(duì)于裂紋擴(kuò)展程度、芯片焊板區(qū)域、引腳后視圖區(qū)域、連筋頂部區(qū)域的分層和封裝體內(nèi)部空洞的位置要求存在不同程度的差異。應(yīng)結(jié)合塑封器件型號(hào)任務(wù)的環(huán)境剖面，針對(duì)不同的缺陷表征，進(jìn)行考核后，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理的放寬判斷標(biāo)準(zhǔn)，做到既不影響工程使用又能夠保證應(yīng)用可靠性。

對(duì)于上文多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同的缺陷表征，哪些應(yīng)用環(huán)境可以應(yīng)用，個(gè)別缺陷表征在實(shí)際使用中發(fā)展趨勢(shì)如何，發(fā)展速度如何，最終經(jīng)過(guò)多久可能導(dǎo)致塑封器件的電參數(shù)失效。以上眾多問(wèn)題需要進(jìn)一步地研究解決，以優(yōu)化塑封器件的SAM檢查標(biāo)準(zhǔn)，剔除高風(fēng)險(xiǎn)缺陷器件，最終達(dá)到工程任務(wù)高可靠低成本的目的。