相信大家都知道什么是B超，我們在體檢或看病的時候，檢查單上往往能看到B超項目，通過B超檢查能夠診斷肉眼看不到的人體內(nèi)部組織或器官是否發(fā)生病變，如肌腱軟骨是否病變、膽腎是否出現(xiàn)結(jié)石、胎兒的生長是否正常等等，這些都得益于超聲波技術(shù)。在電子元器件非破壞性分析技術(shù)中，掃描聲學(xué)顯微鏡（SAM）就像醫(yī)院的B超一樣，能夠?qū)﹄娮釉骷M行“體檢”，探測電子元器件內(nèi)部材料包括裂紋、空洞、分層、雜質(zhì)等缺陷。特別是塑封集成電路，通過掃描聲學(xué)顯微鏡檢查能夠有效評價器件的結(jié)構(gòu)缺陷、工藝質(zhì)量等，以達到元器件篩選或分析改進的目的。

一、掃描聲學(xué)顯微鏡（SAM）的原理

圖1? ?SAM設(shè)備示例

SAM系統(tǒng)主要由超聲波換能器、高頻信號發(fā)生器、波形采集系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和成像系統(tǒng)組成。掃描聲學(xué)顯微鏡由換能器發(fā)射和接收超聲脈沖信號，聲波與被測樣品發(fā)生相互作用后，由掃描系統(tǒng)在樣品上方來回掃描，把樣品每一點的聲波信息記錄下來，經(jīng)信號處理系統(tǒng)和成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為圖像信號顯示在高分辨率顯示屏上。

超聲波由壓電換能器產(chǎn)生，超聲波換能器受到電子脈沖信號激發(fā)能夠在固有的頻率下振蕩。而不同換能器的頻率和焦距，決定了換能器的穿透深度和理論分辨率，通常來說換能器的頻率越高，穿透深度越小，理論分辨率越大。超聲波換能器是超聲波掃描顯微鏡系統(tǒng)的核心部件。

聲波的傳播是通過介質(zhì)材料分子間的振動不斷向周圍傳遞的，分子間距越小，聲波的傳輸速度越快。測試樣品通常需要浸泡在去離子水中，去離子水就是聲波傳播的媒介。

SAM主要用到以下超聲波的傳輸特性：

超聲波通過介質(zhì)材料時，根據(jù)材料的聲阻特性，以波形的形式呈現(xiàn)，判斷材料界面是否突變。圖2為聲波通過不同介質(zhì)材料時的波形示意圖。波形的呈現(xiàn)主要與以下材料特性相關(guān)：

(1) 密度(ρ)：單位體積下物體的質(zhì)量，單位為kg/m3。

(2) 聲速(c)：聲波在介質(zhì)傳輸時的速度，單位為m/s。

(3) 聲阻抗(z)：Z=ρ?c。

(4) 反射率(R)：聲波從聲阻抗為Z1的介質(zhì)進入聲阻抗為Z2時，反射系數(shù)為 ?

??

當Z1＜Z2，超聲波由密度低的介質(zhì)通過密度高的介質(zhì)時，R為正數(shù)，即波形顯示為正波。

當Z1＞Z2，超聲波由密度高的介質(zhì)通過密度低的介質(zhì)時，R為負數(shù)，即波形顯示為負波。

當Z1＝Z2，超聲波通過相同密度的介質(zhì)時，波形顯示為平行波。

例如，圖2所示，如果Z1與Z2材料界面出現(xiàn)分層（通常分層位置為空氣，超聲波無法在空氣中傳播），此界面顯示的波形變成負波。

值得注意的是，聲波在介質(zhì)中傳播必然會發(fā)生衰減，主要原因有衍射、散射、吸收。所以根據(jù)樣品的材料和厚度選擇合適的換能器顯得非常重要。

圖2? ?聲波探測到不同介質(zhì)材料時的反射波形（A-Scan）

掃描聲學(xué)顯微鏡的掃描模式：

（1）脈沖反射模式：利用反射波成像（圖3）

優(yōu)點：可以聚焦到具體某一界面進行檢測，成像清晰，能夠判斷缺陷的深度。

缺點：通常需要對樣品正反面掃描。

脈沖反射模式常用的掃描方式:

A-Scan：超聲波的基本信號源，該波形代表了超聲波聚焦在樣品某一點上后得到的反射波形。

B-Scan：也叫縱向截面的掃描，可以確定缺陷縱向上的位置。

C-Scan：也叫平面掃描，通過選擇關(guān)注的界面波形在樣品上方來回掃描，把樣品每一點反射的波形處理形成二維圖像，可以精確地觀察感興趣的界面，判斷該界面或材料的缺陷。圖5為通過脈沖反射波（C-Scan）成像檢測倒裝芯片underfill的分層。

（2）透射模式：利用透射波成像（圖4）

優(yōu)點：一次掃描可檢測所有界面，可驗證脈沖反射成像結(jié)果，也可用于大批量器件快速篩選。

缺點：無法確認缺陷的位置，相比于反射波成像分辨率較低。

圖6為通過透射模式成像檢測塑封器件的內(nèi)部分層。

二、掃描聲學(xué)顯微鏡的應(yīng)用

掃描聲學(xué)顯微鏡檢查在破壞性物理分析（DPA）、失效分析（FA）、質(zhì)量控制以及材料分析中應(yīng)用廣泛，包括：

1. 評價大功率器件芯片的粘接質(zhì)量；

2. 檢測材料缺陷以及塑封電路的分層、裂紋、空洞等；

3. 也可用于大批量器件的篩選，剔除次品等。

特別對于塑封電路，分層缺陷較為常見。由于塑封電路屬于潮濕敏感器件，暴露在空氣中容易吸潮，如果器件中存在分層、空洞等缺陷，水汽會通過缺陷通道加速進入到器件內(nèi)部，可能對內(nèi)部芯片進行腐蝕，導(dǎo)致器件失效。另外樣品在回流焊的過程中，如果控制不當，溫度迅速升高，內(nèi)部的潮氣產(chǎn)生蒸汽壓力引起“爆米花”效應(yīng)，可能導(dǎo)致引線斷開或塑封料開裂。

在DPA數(shù)據(jù)統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)塑封集成電路的掃描聲學(xué)顯微鏡項目不合格的比例占了不合格總批數(shù)的80%以上。掃描聲學(xué)顯微鏡作為非破壞性分析手段是剔除缺陷器件的有效工具。

圖7至圖10是一些SAM檢查出的典型問題。圖7為塑封集成電路的芯片、引線架以及基板存在大面積分層。圖8為塑封集成電路的封裝材料存在空洞。圖9為大功率器件散熱片的粘接空洞。圖10為多層陶瓷電容器內(nèi)部材料存在分層。

三、小結(jié)