摘要：声学扫描显微镜检查是塑封器件可靠性分析中一项重要的试验项目，然而声扫设备在自动识别缺陷上存在局限性会导致分层假象产生。指出了所用声扫设备的图像着色原理存在的问题以及几类常见分层假象的特征，分析了不同分层假象的检测波形形成的物理原理，在此基础上提出了检测波形与器件结构相结合的分析方法。实践证明该方法可以对声扫图像中异常区域进行正确分析，并对分层假象进行准确识别。

1 引言

随着塑封器件制造技术水平的不断提升，其使用可靠性也不断提高，并且大量应用于有着高可靠性要求的军品领域。由于塑封器件自身存在非气密性、塑封料导热性差以及与其他材料之间热膨胀系数差异大等不足，导致其长期存在不容忽视的使用可靠性问题，其中塑封器件分层缺陷问题是塑封器件失效的最主要原因之一。

声学扫描显微镜检查作为塑封器件分层缺陷检测的主要手段，一直是 DPA 试验中必要的试验项目，同时也是塑封器件筛选试验中常规的筛选项目。由于声扫设备在自动识别缺陷上存在局限性，会导致分层假象产生，同时目前塑封器件内部结构多样以及受试样品数量大，如果对器件结构、声扫设备成像原理不清楚或工作经验不足，容易对一些分层假象产生误判。本文以美国 Sonoscan 公司生产的 DS9500 声扫设备为例，介绍了声扫设备检测原理并指出其图像着色原理存在的问题；结合作者工作中的实例，对分层缺陷的假象特点进行了总结分析，同时应用检测波形与器件结构相结合的分析方式，对塑封器件声扫中存在的分层假象进行了分析与识别。

2 DS9500 声扫设备工作原理

2.1 超声波成像原理

传感器产生特定频率(5~500 MHz)的超声波脉冲，脉冲通过耦合介质(如去离子水)到达样品，传感器再接收反射信号并处理后成像。超声波不能在真空中传播，同时频率大于 10 MHz 的超声波不能在空气中传播。超声波的传递要求介质是连续的，不连续介质会干扰超声信号传播或导致超声信号发生反射。使用超声波检测样品时，根据超声波成像原理，最终呈现灰度和极性不同的图像，通过对图像上异常区域的定位来判断样品是否有缺陷。

声波传导时介质位移需要克服阻力——— 声阻抗。声阻抗以字母 Z 表示，Z=籽C，其中籽 和 C 分别为介质密度和介质声速。超声波从声阻抗为 Z 1 的介质传入声阻抗为 Z 2 的介质中，关于超声波反射率 r 和透射率 t 见式（1）、 （2）：

界面两侧介质声阻抗的差异决定着反射率和透射率的比例，两种物质声阻抗的差异决定反射波 (回声) 的正负极性和幅值，最终呈现出不同灰度值的图像。

2.2 DS9500 成像原理及存在的问题

声扫设备成像原理都是基于超声波成像原理，只是不同设备之间在超声波波形和图像呈现原理上会存在不同。一般将 DS9500 发射的超声波称为正波，由声阻抗低的介质（Z 1 ）传入声阻抗高（Z 2 ）的介质，这两种介质界面反射的超声波为正波，反之为负波；最终将各界面反射的正负波在显示屏上以不同的颜色呈现出来，如图 1 所示。

DS9500 声扫设备图像着色原理是在选定的门限内，只要检测波形中正向幅值大于负向幅值，则着灰白色或白色；只要检测波形中负向幅值大于正向幅值，则着黄色或红色。这种着色原理不能对结构特殊以及多界面波叠加等复杂情形进行正确区分，仅仅从图形着色上来识别分层缺陷容易引起误判。

3 常见分层假象分析与识别

常见的分层假象一般分为 2 类，一是图像显示为黄色或红色而实际上未分层（真像假分层），另外就是图像显示为灰白色或白色而实际上为分层（假像真分层）；其中每一类现象在实际工作中，因器件结构和波形特点不同又可以分为多种情形。

3.1 先负后正波形

从公式（1）中可以看到，当 Z 2 >Z 1 时反射波为正波，当 Z 2 <Z 1 时反射波为负波。当声阻抗为 Z 1 和 Z 2 的介质之间存在一层极薄的声阻抗为 Z 0 的介质，并且Z 0 <Z 1 、Z 0 <Z 2 时，超声波在两个间距极小的界面之间的反射波相互叠加后形成先负后正的波形，并非图 1 所示的标准正波或标准负波，如图2 中波形 1 号、2 号和图 3 中波形 1 号、3 号所示。检测波形形状相同，正向幅值和负向幅值不同，则在图像上可以表现为白色、黄色或红色，它们可以代表合格和分层缺陷 2 种截然不同的结果。因此，这种先负后正的检测波形是表示合格还是分层需要结合器件的实际结构进行分析确认。

以样品 1（IL485E）和样品 2 为例对先负后正波形产生的图像表象进行解析，其正面声扫典型形貌分别如图 2 和图 3 所示。图 2 中异常区域为塑封料与芯片间界面，表现为红色、黄色和亮白，对应图中 1 号波和2 号波，其中 3 号波为正常情况；图 3 中异常区域为塑封料与引脚间界面，表现为亮白，对应图中 1 号波和 3号波，其中 2 号波为正常情况。芯片表面为复杂的多层结构，大多数层是由极薄的硅的碳化物或氧化物组成，这些介质的声阻抗均大于塑封料的声阻抗，正常情况下界面反射波应为正波。器件引脚为单一的金属材质，正常情况下塑封料与引脚间界面的反射波为正波。分别对两种样品进行制备，对样品 1 进行化学开封，发现界面表现异常的两只芯片表面均有一层薄膜；对样品 2 进行制样研磨，发现 1 号和 3 号波形对应引脚存在分层。结论是样品 1（IL485E）芯片表面的红色和黄色，按图像着色看为分层，但实际并非分层所致，因此该样品声扫结果合格；样品 2 引脚处的亮白色按图像着色看为合格，但实际却是分层所致，因此该样品声扫结果不合格。

综上所述，可以看到先负后正波的检测波形可以表现出不同颜色，同时可以对应分层和未分层两种截然相反的结论，因此不能仅从图像表象上给出分层与否的判定，实际情况应结合检测波形所在部位和受试样品结构进行综合分析后确定。

3.2 先正后负波形

先正后负波形通常发生在塑封料与芯片间界面上，以样品 3（MAX4380EUT-T）为例对先正后负的检测波形产生的图像表象进行解析，其正面声扫典型形貌如图 4 所示。图中异常区域为塑封料与芯片间界面，表现为红色和亮白，对应图中 1 号波和 2 号波，其中 3号波为正常情形。先正后负波形与先负后正的检测波形产生原理以及图像表象相似，都是超声波在两个间距极小的界面之间的反射波相互叠加后形成的，只是各介质的声阻抗大小不同。

检测波形先出现正波，表明超声波从塑封料传播至下一介质时该介质的声阻抗比塑封料的声阻抗大，即可排除分层。再结合器件结构分析，先正后负波形出现在塑封料与芯片间界面，由于芯片表面为复杂的多层结构，因此正波后面的负波是因芯片复杂结构所致。结论是样品 3（MAX4380EUT-T）芯片表面的红色，按图像着色看为分层，但实际并非分层所致，因此该样品声扫结果合格。

3.3 标准负波

塑封料与芯片间界面处的标准负波产生的原因通常有 2 种，一种是分层缺陷，另外一种是芯片表面涂覆了有机材料。样品 4（SJA1000T）芯片表面即存在声阻系数不详的涂覆胶，导致芯片界面声扫图像为红色，其正面声扫典型形貌如图 5 所示。

芯片界面红色的分层样貌是否为涂覆胶所致，需要进一步验证才能确定，验证方法主要分破坏性和非破坏性 2 类。破坏性验证方法有化学开封、正面研磨以及剖切制样；非破坏性方法主要是结合超声波反射信号以及不同扫描模式的声扫图像进行综合分析。

2 种验证方法相比较而言，破坏性验证方法得到的结果更加直观，更便于结果判定。但样品被破坏后即报废，因此建议声扫试验员对芯片表面存在涂覆胶的器件进行汇总并建立数据库，便于后续对此类器件的声扫结果进行正确判定。

3.4 准负波

文中提及的准负波是由标准负波变化而来的，其属性和标准负波一样，都代表分层缺陷。准负波多发生在声扫结果易受浸水时间影响的塑封器件，常见型号有 OP07CSZ、MCP2515-*、MAX903ESA、MAX3232EEUE 等。以样品 5（MCP2515-E/ST）的声扫情况为例进行分析，其正面声扫典型形貌如图 6 所示。

图 6 中 1 号波和 2 号波为准负波，仅从这两只引脚的着色上看，与其他正常引脚（如 3 号波）几乎没有区别，但它们实际为分层，声扫结果应为不合格。将图片放大后，仔细观察发现 1 号波和 2 号波对应的引脚边上呈现淡黄色。此类分层器件随着浸水时间的变长，颜色会从全红变至边缘黄，最后甚至是正常白色。对于经验不足以及对设备成像原理不清楚的试验员，极容易给出误判结果，因此建议声扫试验员要尽量减少塑封器件浸水时间，同时对易受浸水时间影响的塑封器件进行汇总并建立数据库，便于后续工作参考。

4 总结

以美国 Sonoscan 公司生产的 DS9500 声扫设备为例，分析了几类常见分层假象的检测波形形成的物理原理，并提出了利用检测波形与器件结构相结合的分析方法来识别分层假象。

关于先负后正的检测波形，如果发生在塑封料与芯片间界面，一般是芯片表面膜层所致，并非分层缺陷；如果发生在塑封料与引脚之间，一般为分层缺陷所致。关于先正后负的检测波形，可以排除与塑封料接触界面的分层，该情形多发生在塑封料与芯片间界面，主要是芯片多薄层表面结构所致。应尽量减少塑封器件浸水时间，便于分层缺陷的真实显现。同时，对于特殊器件如芯片表面存在涂覆胶、结果易受浸水时间影响等的器件，建议对此类器件进行统计并建立数据库，便于后续工作中作为参考。

来源：半导体封装工程师之家

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