聲學掃描顯微鏡檢查標準研究★

李昕昕，黨煒，李永正，張澤明

（中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094）

0 引言

塑封器件由于具有成本低、性能高等優(yōu)勢而在空間高可靠領域有很大的需求，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]。聲學掃描顯微鏡 （SAM：Scanning Acoustic Microscope）檢查又被稱為超聲檢測，目前已作為一種成熟的檢查手段而廣泛地應用于塑封器件的無損檢測中，其主要功能為發(fā)現(xiàn)塑封器件包封體內(nèi)部空洞、裂紋和各個界面的分層等缺陷。但是，國內(nèi)外關于SAM檢查的標準中沒有形成統(tǒng)一的執(zhí)行判據(jù)，在實際的SAM檢測過程中，有時可能會遇過對相同的缺陷表征，若依據(jù)不同的檢測標準進行判定，最終結(jié)果可能不同的情況。因此，本文從裂紋、空洞、分層和應力試驗等判據(jù)方面對工程中常用的SAM檢測標準的差異進行了詳細的討論，以期為塑封器件各種缺陷的正確判定提供一定的參考。

1 聲學掃描顯微鏡檢查標準

1.1 聲學掃描顯微鏡檢查工程常用標準

目前，SAM檢查標準根據(jù)應用場景可以分為破壞性物理分析 （DPA）和篩選評估兩大部分，以下是工程中應用得較多的4個標準。

a）GJB 4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》[1]，該標準屬于我國軍用標準，主要規(guī)定了軍用電子元器件DPA的要求，其中工作項目1103的2.4章節(jié)對于SAM檢查進行了詳細的規(guī)定。

b） MIL-STD-1580B“Destructive Physical Analysis for Electronic， Electromagnetic， and Electromechanically Parts”[2]，該標準屬于美國軍用標準，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)，對于SAM檢查進行了相關規(guī)定。

c） PEM-INST-001： Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM） Selection， Screening，and Qualification[3]，該標準為美國國家航空航天局 （NASA：National Aeronautics and Space Administration）發(fā)布的塑封器件航天應用質(zhì)量保證要求。其中，5.3.3 Acoustic Microscopy（C-SAM）對DPA的應用進行了相關規(guī)定，3.0章節(jié)規(guī)定了超聲檢測應用篩選時的判別依據(jù)。

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

其中，GJB 4027A和MIL-STD-1580B分別是我國和美國的軍用標準，適用于塑封器件的DPA，兩者對于超聲檢測的要求和判據(jù)規(guī)定一致，下文比較時將兩者合并進行說明。PEM-INST-001和ESCC No.25200是美國和歐洲航空航天應用領域的標準，對于塑封器件DPA超聲檢測判據(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份標準進行比較時，發(fā)現(xiàn)三者的標準判據(jù)也存在著較大的差異。當將超聲檢測應用于塑封器件的篩選和評估環(huán)節(jié)時，對PEM-INST-001和ESCC No.25200進行比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者的標準缺陷判據(jù)也存在較大的差異。行業(yè)內(nèi)對SAM檢測標準的缺陷判據(jù)描述也存在相關意見[5]，如GJB 4027A中對于 “分層面積超過其后側(cè)區(qū)域面積的1/2”的描述，相關論文認為上句中 “后側(cè)”改為 “下側(cè)”更為妥當?shù)取１疚膶娜毕莘N類，如裂紋、空洞和分層等方面對標準判據(jù)的差異進行總結(jié)與分析。

1.2 聲學掃描顯微鏡檢查界面說明

超聲檢測按照標準要求，通常需要進行如圖1所示的6個界面的檢查[4]。

圖1 塑封器件超聲檢測界面示意圖

從左至右檢測界面分別為：

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 聲學掃描顯微鏡檢查標準判據(jù)的差異

本節(jié)主要討論上文中的超聲檢測標準的拒收判據(jù)的差異，主要從裂紋、空洞、不同位置的分層和應力試驗后的判據(jù)等進行討論。

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，其長度超過相應間距的1/2；

2）導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)部部件擴展向封裝表面的裂紋，超過其對應距離的2/3。

對于裂紋缺陷的要求，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；而其他標準中規(guī)定只有當裂紋的長度超過與內(nèi)部部件距離的1/2時才判定為失效；

對于內(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)定裂紋長度超過其對應距離的2/3時判定為失效；其他標準則規(guī)定只要導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準缺陷。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，已超過其后側(cè)區(qū)域面積的1/2，按照GJB 4027A和MIL-STD-1580B進行判別，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)）屬于標準拒收缺陷。ESCC 25200中7.1條款規(guī)定：擴展至其區(qū)域整個長度的分層 （引腳、連筋和熱沉）屬于標準缺陷，如圖4所示。但是PEM-INST-001規(guī)范中沒有明確的條款對該類缺陷進行規(guī)定。因此該類缺陷若依據(jù)PEM-INST-001進行判別，不屬于標準規(guī)定的拒收缺陷；按照GJB 4027A、MIL-STD-1580B和ESCC 25200進行判別，則該器件超聲檢測結(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：連筋頂部分層超過其長度的1/2屬于標準缺陷。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：任何分層長度延伸至整個界面都屬于標準缺陷。如圖5所示[7]的缺陷，分層已超過其長度的1/2，按照GJB 4027A和MIL-STD-1580B進行判別，該缺陷屬于標準缺陷，超聲檢測結(jié)果為不合格；若依據(jù)PEMINST-001和ESCC 25200進行判別，則該缺陷不屬于標準規(guī)定的拒收缺陷，超聲檢測結(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]。對于此類缺陷，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、影響引線架機械穩(wěn)定性的空洞均屬于拒收缺陷。通過對比發(fā)現(xiàn)空洞缺陷的規(guī)定判據(jù)基準存在較大的差異，實際試驗過程中可能發(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，超聲檢測結(jié)論為合格；若依據(jù)ESCC 25200判定，則超聲檢測結(jié)論為不合格。

圖6 塑封器件包封料空洞缺陷示意圖

d）應力試驗后超聲檢測判據(jù)差異

SAM檢查應用在塑封器件的篩選、評估環(huán)節(jié)時PEM-INST-001和ESCC 25200標準均有涉及條目。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)過標準要求的溫度沖擊試驗后，超聲檢測相關拒收條款為：芯片表面和模塑化合物界面任何可測量的分層、鍵合區(qū)域的任何分層和引腳與模塑化合物分層長度超過其長度的2/3，出現(xiàn)以上3條則為標準拒收缺陷。ESCC 25200對于應力試驗前后分層缺陷區(qū)域的變化量給出了規(guī)定，即應力測試后相關分層區(qū)域面積擴展超過10%屬于標準拒收情形。如圖7所示，在進行溫度循環(huán)若干次試驗前后，芯片焊板與模塑化合物 （后視圖）的分層增大超過區(qū)域面積的10%，依據(jù)PEM-INST-001進行判定，不屬于標準拒收的3個缺陷，超聲檢測結(jié)果合格；若依據(jù)ESCC 25200進行判定則屬于標準拒收缺陷，超聲檢測結(jié)果不合格。

圖7 應力試驗前后某SOT-23封裝焊板與塑封料分層變化 （后視圖）

2 應用討論

通過以上分析發(fā)現(xiàn)相同的缺陷表征適用不同的標準時，超聲檢測試驗結(jié)果可能存在差異。在實際工程應用時會造成疑惑。為此，筆者提出了以下幾點建議。

首先，對于上文中多個標準規(guī)定一致的缺陷描述，如鍵合區(qū)域的分層等需要嚴格地執(zhí)行，該缺陷與已知的塑封器件的失效模式的相關性較大。

其次，上文討論的多個標準規(guī)定存在差異的缺陷中到底哪些缺陷表征對塑封器件的可靠性影響較大，哪些缺陷在實際應用中具有高風險，個人認為結(jié)合塑封器件的失效機理以及具體的應用環(huán)境剖面進行考慮是較為可行的。當出現(xiàn)標準規(guī)定有差異的缺陷時，應結(jié)合應用的實際情況，制定針對性的考核方案，如加速壽命試驗等；當應用環(huán)境可能存在腐蝕問題時，應對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行考慮。

3 結(jié)束語

本文從塑封器件內(nèi)部裂紋、空洞和分層等缺陷類型的角度，討論了工程實戰(zhàn)中應用不同的超聲檢測標準來判別相同的缺陷表征時得到不同的檢測結(jié)果的問題，對此在實際工程實施時需要格外注意。其中，各個標準對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；對于裂紋擴展程度、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。應結(jié)合塑封器件型號任務的環(huán)境剖面，針對不同的缺陷表征，進行考核后，依據(jù)試驗結(jié)果進行合理的放寬判斷標準，做到既不影響工程使用又能夠保證應用可靠性。

對于上文多個標準規(guī)定不同的缺陷表征，哪些應用環(huán)境可以應用，個別缺陷表征在實際使用中發(fā)展趨勢如何，發(fā)展速度如何，最終經(jīng)過多久可能導致塑封器件的電參數(shù)失效。以上眾多問題需要進一步地研究解決，以優(yōu)化塑封器件的SAM檢查標準，剔除高風險缺陷器件，最終達到工程任務高可靠低成本的目的。