超聲掃描技術及設備

張繼靜，連軍莉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

在電子產品的裝配過程中，塑膠封裝器件在裝配前是否存在內部缺陷是個非常關鍵的問題。在半導體產品中，裂紋、分層和氣孔等在正常使用過程中會擴漲或局部腐蝕，可能會進一步引起內部斷線，這些內部缺陷往往會產生可靠性問題導致電子產品的失效。隨著電子工業時代的飛速發展，應運而生了一種新的無損檢測技術來探測物體的內部結構，檢查缺陷，并對材料做定性分析，這就是超聲掃描檢測。

利用超聲波進行電子產品的檢測，高頻聲波進入被測物體中以獲取關于物體的信息而不會以任何方式改變或損壞物體。超聲掃描檢測是非破壞性的，即使沒有找到結論性的證據，也不會對進一步的失效分析操作造成負面影響。

超聲掃描檢測系統可以用來檢測器件缺陷，使用者分析缺陷類型后對器件進行分類處理。超聲掃描檢測系統不僅能檢測分層、氣孔、裂縫和夾雜等缺陷，而且在判別密度差異、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀的變化方面也具有一定的能力。超聲掃描檢測系統可識別出含有缺陷的器件，撿出有缺陷的器件可避免增加后續加工生產成本，從而提高裝配線的合格率。超聲掃描檢測獲得的資料可找出前期造成缺陷的工藝過程，為改進工藝提供信息。用超聲掃描方法對器件內部的缺陷進行無損檢測，是目前對封裝好后的器件進行檢測的最可靠手段，通過檢驗發現生產流程的問題，便于生產控制和品質檢驗；通過檢驗，防止損壞的部件進入下一個生產流程，降低次品的產生率，降低生產成本。

1 超聲掃描技術

超聲掃描的工作原理：由傳感器產生特定頻率(5 MHz～2 GHz)的超聲波脈沖，通過耦合介質（如去離子水、酒精等）到達樣品。由于超聲能量的傳遞要求介質是連續的，所以如氣孔、雜質、分層、裂紋等不連續界面都會干擾超聲信號傳播或導致超聲信號發生反射。當脈沖通過樣品的時候，由于聲阻的不同，在有缺陷或粘結不良的界面會出現反射波，通過安裝有超聲波換能器的掃描軸，可以對待測品進行高速掃描，以得到一張高分辨率的超聲波圖像。在反射回波脈沖中，有選擇地聚焦，并使用聲學阻抗極性檢測器(AIPD)等分析技術，就可以從樣品選定的深度和平面中或從粘結界面檢測到分層的界面或者缺陷。

超聲掃描檢測的檢測方法很多，可以從不同方面來觀察器件的內部缺陷和結構。超聲掃描檢測有接觸式和非接觸式，接觸式分為固態接觸和液態接觸。

固態接觸就是探頭與工件之間足夠緊密地接觸，以實現聲能的傳遞。因此要實現固態接觸，探頭接觸面及工件表面均應十分光滑，并需施加較大壓力，以達到緊密配合的程度，這在實際檢測中往往不易實現。液態接觸借助探頭與工件表面之間涂敷的液體，排除空氣間隙，以實現聲能的傳遞。這種方法探頭與被檢物不接觸，因此，超聲波的發射與接收都比較穩定，不受接觸壓力、表面光潔度等因素的影響。探頭發射的聲波經過一段液體后再進入工件，使得這種方式比固態接觸更為有效。在浸液檢測中，通過浸漬液體實現耦合，這時的液體就是耦合劑。一般用純凈水作耦合劑，超聲波的發射與接收都比較穩定，且對被測物無污染和損害。因此液態接觸檢測比較常用。

液態接觸檢測大體上分為透射掃描模式和反射掃描模式。

1.1 透射掃描模式

透射掃描是一種基本的檢測方法，和X射線檢測相似，使用超聲波透射檢測可快速觀察到樣品內部的缺陷，而且容易操作，但是無法對缺陷的尺寸和位置進行測試，只能確定缺陷的存在與否。透射掃描中超聲波透過樣品全部厚度，這種操作模式提供的是該部件全部的投影圖像。因為超聲波不能通過空氣隙（分層，裂縫或空洞），信號的阻斷在圖像上看就是黑色的區域，因此對某些缺陷會漏檢，一般使用較少，見圖1所示。

圖1 透射式掃描模式

1.2 反射掃描模式

反射掃描分析超聲波在分層或者缺陷上的反射波，可以確定缺陷的位置和尺寸，具有多種檢測方法（見圖 2）。

圖2 各種反射式掃描模式

圖2中：A掃描是單點掃描模式，是創建和解釋圖像的基礎。可以檢測波形并將波形、反射波的相位以及大小顯示在示波器上，用于判斷缺陷。A掃描是最精確的檢測方式，但是只能對于一個點進行分析不能對于一個平面分析，可以用來確認檢測結果。

B掃描是縱向截面模式，可以檢測垂直x方向的二維截面圖，顯示每個界面垂直x方向的截面圖，用于檢測裂縫、傾斜和空洞等缺陷，分析水平缺陷。

C掃描是單一層面掃描模式，檢測水平方向的二維截面圖，在一個界面對焦后顯示的平行x方向的圖片，用于檢測離層，芯片裂縫等缺陷。C掃描是最常用的檢測方式，但是需要專家分析。

TAM I掃描（逐層掃描）是多層掃描模式，可以同時掃描出2～999層C式掃描方式，可探測所有種類的缺陷，不需要專家，不需要聚焦，可以檢查任何細微的界面，可探測小到波長1.5倍的層厚。

托盤掃描是Tray盤掃描模式，可同時掃描2個JEDEC標準托盤中的元件，進行自動數據收集和分析作為接受或拒收的標準；

表面掃描，因為超聲波對空氣隙（空洞，裂縫和分層）類型缺陷的高敏感性，它甚至經常在檢測一個樣品表面是否存在裂縫都是有用的。在表面掃描中，從表面直接反射回來的超聲波被記錄下來，裂縫是很明顯的。在表面波掃描中，超聲波沿著部件表面傳播。表面裂縫顯示在這種模式中有高聲學對比度。

Q-BAM掃描（聚焦軸多層定向掃描）是定量縱向聚焦截面掃描模式，用于虛擬切面分析。Q-BAM成像模式提供了一個樣品的無損剖面圖像。為了提供最精確的深度和圖像幅度/極性信息，Q-BAM保持在掃描的每一層都保持著合適的焦點。與B掃描的區別：在B掃描中僅保持著單一的焦距。結果就導致在探頭的焦距范圍內的信息是最精確的，在焦距范圍以外就不太精確了。

超聲掃描的基本圖像處理功能包括：中值濾波、均值濾波、圖像增強、輪廓提取、邊界增強、浮雕顯示、反色處理、偽彩色處理、灰度波形統計、偽3D顯示、量化分析等。其中，濾波功能可以提高判別分層缺陷或其他結構的圖像對比度；圖像增強可以調整對比度，將圖像中的黑點缺陷增強，以便識別；邊界增強將不同灰度范圍邊界增強，顯示缺陷邊界的形狀；浮雕顯示通過灰度處理顯示出缺陷的立體效果。除了上述主要功能之外，超聲掃描檢測還有很多方便使用的小工具，比如顯示圖像的刻度，示波器的波形疊加、測量工具、微調焦點、波形存儲、波形分類、聲阻抗測量。當器件內部存在多個分層時，會出現大量內部交界面反射，使用波形分類功能，可以進行正確的回聲分類整理，提高聲學成像的準確度。

檢測結果的分析方法主要有：脈沖回波分析和通過放置在塑封體下接收器所探測到的透射信號分析。在超聲無損檢測中，傳統的脈沖回波法在許多方面得到了應用，它利用反射體反射超聲波的幅值及其出現的時間來反映反射體的大小及位置。

2 超聲掃描面臨的機遇和挑戰

2.1 超聲掃描面臨的機遇

超聲掃描檢測技術是國內外應用最廣泛、使用頻率最高，且發展較快的一種無損檢技術。它可以在不破壞元器件的情況下，檢測器件內部的氣孔、裂紋、夾雜和孔隙率等問題；它可以穿透大部分工業上應用的材料，對不同材料的粘接層非常敏感，應力、熱脹冷縮等造成的變形、裂紋等內部潛在缺陷和事故都可以通過超聲掃描進行檢測。超聲掃描在產品的品質檢驗、質量控制、生產過程控制及失效分析等方面都有廣泛的應用。由于其結構簡單、檢測速度快，多年來一直是主要的檢測方法。

超聲波的特點：微米級的分辨率、高靈敏度、能夠檢測出細微缺陷的大小、位置和形狀，實時檢測，對被測體無害。超聲波是目前僅有的評估半導體可靠性的方法，使用超聲波可以對內部缺陷進行無損檢測，可以保留在損壞性檢測中被丟失的細微缺陷；樣品通過檢測后可以繼續使用。

超聲掃描的主要應用領域包括半導體、材料科學和生物醫學。在半導體領域的應用，可以檢測半導體材料內部多種缺陷：裂紋、分層、夾雜物、附著物、空隙等；通過圖像對比度可以判別材料內部聲阻抗差異、確定缺陷形狀和尺寸、確定缺陷方位。超聲掃描檢測還可以用來進行材料檢測、MEMS、光電器件檢測、微組裝封裝組件、塑封封裝器件、器件/印刷電路板熱沉焊接質量、多層陶瓷電容器、倒裝焊接等多種分析檢測。

2.2 超聲掃描面臨的挑戰

兩種不同聲阻抗材料的分界線被稱為聲阻抗界面。當聲音在正常入射的情況下到達聲阻抗界面時，一部分聲能反射，一部分透過了這個邊界。最后，當超聲波前行穿過媒質時會發生衰減。假如沒有較大的反射，有3個產生衰減的原因：衍射、散射和吸收。穿過一種材料的衰減值在選擇用于應用的換能器時起著重要作用。超聲掃描過程中要在以下幾方面進行協調，以達到最好的檢測效果。

2.2.1 頻率的選擇

超聲頻率在很大程度上決定了超聲波檢測能力，必須選取合適。頻率高時，分辨率高，缺陷定位準確，但掃描空間小，而且超聲波在材料中衰減大，穿透能力差。頻率低時，分辨率低，但掃描空間大，穿透能力強。由于超聲波發射峰值功率有限，使得檢測深度與分辨率之比受到限制，即要想增加檢測深度，就要犧牲分辨率;要想提高分辨率，就要減小檢測深度。

2.2.2 探頭的選擇

探頭的選擇主要是對頻率、晶片尺寸和角度等幾方面的選擇。探頭頻率越高，價格就會越高；探頭晶片尺寸大時，發射能量大，擴散角小，掃查空間大，近場長度長，發現遠距離小缺陷的能力高。對于圓形晶片的探頭，一般采用直接為14～20 mm的晶片。對于大型器件的檢測，盡可能使用大直徑晶片的探頭。小直徑晶片的探頭在近場范圍內聲束窄，有利于缺陷定位，宜于較小厚度器件的檢測。探頭形式的選擇要根據缺陷所在部位確定選擇直探頭或斜探頭。

2.2.3 耦合劑的選擇

超聲檢測中使用的耦合劑，從多方面考慮要具備以下性質：（1）容易附著在器件表面，有足夠浸潤性，借以排除探頭與檢測面之間由器件表面粗糙造成的空氣薄層；（2）聲阻抗大，盡量與被檢測材料的聲阻抗相差小些，以利于聲能盡可能多的進入器件；（3）對人體無害，對被測器件無腐蝕作用；（4）容易清洗；（5）來源方便，價格低廉。實際常用的耦合劑有：機油、水、甘油、酒精和水玻璃，其中水或去離子水最為常用，也是最實用的一種耦合劑。

使用者關注的還有掃描范圍、掃描速度、掃描分辨率、掃描模式等其他功能，各個超聲掃描檢測設備的生產廠家都在這些方面進行競爭。

2.3 超聲掃描與X-RAY的異同點

目前X-Ray掃描是用于電子產品檢測的主要方法。對于同一檢測機構，超聲掃描與X-Ray是互不矛盾、相互補充的非破壞性檢測手段和工具。它們的主要差異在于展示樣品的特性不同。X-Ray可以穿過塑封材料并對封裝內部的金屬部件成像，因此特別適用于評價由流動誘導應力引起的引線變形。

X-Ray為不可見，通過X光的透射和穿透，基于材料密度的差異，來觀察樣品的內部結構；密度高的金屬材料比較密度低的陶瓷和塑料等材料，對于X射線有較大的不透過性和較少的穿透能力，X-Ray對于材料內部分層、微小裂紋和虛焊等缺陷是非常不敏感、比較困難探測的，除非材料有足夠物理上的分離。X-Ray射線成像操作采用的是穿透模式，得到整個樣品厚度的一個合成圖像。

超聲掃描檢測設備的超聲波能穿透密集的和疏松的固體材料，它對于內部存在的空氣層非常的敏感，空氣層能阻斷超聲波的傳播；確定焊接層、粘接層、填充層、涂鍍層、結合層的完整性恰恰是超聲掃描檢測設備獨特的性能。超聲掃描檢測設備可以分層的展現樣品內部一層一層的圖像。反射掃描模式產生的圖像只需要通過樣品的表面，而透射掃描模式需要通過樣品的兩個表面。

近年來，超聲掃描技術日益發展成熟，目前該系統已具有多種檢測方法，圖像處理功能非常龐大，使得檢測器件內部結構非常簡單。超聲掃描檢測設備使用的超聲波頻率高于兆赫茲，這個范圍的超聲波不會引起氣穴現象，其頻率和能量不會對材料、樣品和人體產生危害。

3 超聲掃描設備

超聲波掃描檢測是一種用于檢測不可見的內在細微缺陷的非常有用工具，同時它可以用來評估半導體儀器的可靠性。目前超聲掃描顯微鏡是用于電子產品檢測的主要設備之一。

中國電子科技集團公司第四十五研究所研制的CS-300超聲掃描顯微鏡

圖3 CS-300超聲掃描顯微鏡

●頻率范圍：1～100 MHz

●換能器選擇：2.25～100 MHz

●掃描范圍：300 mm×300 mm

●掃描速度：1 000 mm/s

●掃描重復精度：±1μm

●掃描模式：A，B ，C ，TAM I，多層 C，

●相位掃描，托盤C掃描，托盤相位掃描

●圖像分辨率：最大4096×4096像素

●最小門限時間：1 ns

●圖像輸出格式：BMP，JPG，GIF，TIFF

●操作軟件及圖像處理軟件包

科視達W IN超聲掃描檢測設備Vario II超聲掃描顯微鏡

圖4 Vario II超聲掃描顯微鏡

●頻率范圍：1～500 MHz

●換能器選擇：5～400MHz

●掃描范圍：1mm×1mm～100mm×100mm

●掃描速度：360mm/s

●掃描機構分辨率：2μm

●掃描模式：A，B，C，D，G，X，3D

●圖像分辨率：最大4096×4096像素

●最小門限時間1 ns

●阻抗測量，偽彩色表示

●圖像輸出可保存為BMP及超聲掃描檢測設備格式

Sonoscan D9500超聲波掃描檢測儀

圖5 Sonoscan D9500超聲波掃描檢測儀

●頻率范圍：1～400 MHz

●換能器選擇：5～400 MHz

●掃描范圍：333 mm×322 mm

●掃描速度：700mm/s

●掃描機構分辨率：2μm

●圖像分辨率：最大2048×2048像素●最小門限時間：0.25 ns

●圖像輸出保存

Sonix Quantum350超聲掃描顯微鏡

圖6 Sonix Quantum350超聲掃描顯微鏡

●頻率范圍：最高300 MHz

●掃描速度：1 000 mm/s

●掃描面積：350mm×350mm

●掃描重復精度：±0.5μm

●掃描模式：A，B ，C ，TAM I，多層 C，相位掃描，托盤C掃描，托盤相位掃描

●WinIC軟件

4 結束語

超聲掃描顯微鏡是一種用于檢測不可見的內在細微缺陷的非常有效的工具，同時它可以用來評估電子產品的可靠性。超聲掃描檢測設備獲得的非破壞性檢測結果與使用光學顯微鏡觀測的結果一樣，用直觀的圖像反映了物體內部的結構。

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