超声波在集成电路中的分析应用

1、超声波在集成电路中的分析应用 姓 名 贺国成 工 卡 号 SN0292 部 门 研发部 指导工程师 宋关强 目录摘要1关键词11超声波工作原理12 脉冲反射和穿透扫描模式特点比较12.1 检测灵敏度12.2 缺陷精确定位12.3 操作方便性22.4 采用纵波垂直入射检查时22.5 声波由发射到接收23 超声波在集成电路中的失效分析23.1 PCB分层检测23.2 PCBA烧接均匀性检测43.3封装断裂分层检测54.0 结论7参考文献7摘要：本文主要介绍超声波扫描声学显微镜的工作原理，并针对脉冲反射和穿透扫描模式探讨超声波在PCB分层检测、PCBA烧接均匀性、封装分层检测和封装芯片断裂中的应用，

2、展现超声波声学显微镜无损检测在集成电路中的应用。关键词：无损检测；脉冲反射扫描；穿透扫描；分层；均匀性；断裂 1、超声波的工作原理超声波的本质是将材料层间的反射通量变化，成像为缺陷特征。由超声波探头发射出一定频率的超声波，经过水、树脂、Si、金属等良好传播媒介。当通过两种不同介质时，在结合界面处，超声波部分穿透界面继续传播，并有不同反射率的反射波。反射率R是关键参数之一，定义其为物体表面的反射辐射通量r与入射辐射通量i之比2，且有： (1)式中：Z为声波在材料中的声阻，满足Z=材料密度×传播速率。且Z1为先通过的材料声阻；Z2为后通过的材料声阻。Z1Z2时R为正，与入射脉冲同相位；Z

3、1Z2时，R为负，与入射脉冲反相位3。 通过对入射和反射两种声波的接收，可以得到两种扫描模式，即脉冲反射和穿透扫描，因为接收方式不同，又存在各自的特点。2、脉冲反射和穿透扫描模式特点比较2.1检测灵敏度脉冲反射法根椐缺陷脉冲的出现，判断缺陷存在，只要小缺陷信号能够引起明显高于噪声的回波，就可以通过提高增益，很容易观察并记录；而穿透法显示缺陷利用的是缺陷的处底波的降低量，当缺陷尺寸相对于探头声束直径较小时，引起声波变化的分贝数是很小的，由于衍射的原因，小缺陷不能引起穿透波的变化，但对非均匀性线路板穿透扫描效果较好1。2.2缺陷精确定位脉冲反射法利用传播时间与距离的线性关系，通过扫描的时间基线的精

4、确定标或根据已知声速，由脉冲波在时间基线上的位置可进行缺陷的精确定位；操作方便；穿透法只能判断该区域是否出现缺陷，不能得到缺陷深度信息1。2.3操作方便性脉冲反射法只需单面近试件进行扫描，可采用手动检测，自动扫描也简单，穿透法需将一收一发的探头准确对中，同样尺寸大小也有限定，相对于脉冲反射扫描尺寸较小1。2.4采用纵波垂直入射检查时脉冲反射法，存在一定的盲区，对位于表面和近表面的、平行于表面的缺陷的检出能力低，对薄试件的检测难以实现；而穿透扫描却这方面的强项1。2.5声波由发射到接收脉冲反射法要通过双倍的声程，相当于材料对声能有两倍的衰减，对于高衰减的材料的检测是不利的；而穿透法一次穿透的声能

5、衰减，相对脉冲反射法声能损耗较少1。3、超声波在集成电路中的失效分析3.1 PCB分层检测在PCB生产检测或新工艺研究都需对PCB可靠性进行检测，而超声波是在检验产品是否通过可靠性检测的必要手段。PCB经过可靠性测试后，线路板内部出现分层起泡，这些分层起泡在线路板里的位置及大小情况，肉眼是无法识别的。以下示例为使用脉冲反射对局部金属基板进行扫描，得到非正常板与正常板的分层起泡扫描图片。 （a）脉冲反射扫描铜基分层图片 （b）脉冲反射扫描正常铜基图片（c）穿透扫描分层图片 （d）穿透扫描正常图片图1 PCB超声波扫描图片通过超声波脉冲反射无损检测可以看金属基与PCB结合处树脂的分层情况，图a中的

6、白色区域是分层区域，灰白色是结合较好的地方，图b是正常无分层的PCB。图c是穿透扫描分层的PCB，图片中的黑色区域是分层处，相对于正常PCB板图d，我们不难发现分层的位置非常明显，且区域较大。通过两种不同的扫描方式，得到两种不同的图片效果。在这里脉冲反射适合金属基板件板件扫描，其原因是金属基本身是一块均匀平整的铜板，声波在金属基均匀物质中传输反射信号时，损耗是一样的，所以在分层处才会显示声波反射信号异常，在分层处声波全部反射，反映在图片中为白的区域。PCB板分层选用穿透扫描，是因为PCB板本身是一个混合材料板，含有油墨、玻纤、树脂、铜。用脉冲反射扫描时，定位深度后，得到的反射信号比较杂乱，无法

7、准确判断，而穿透扫描的好处是因为声波在PCB板内传输时，遇到分层声波完全反射，没有入射声波，在下方探头接收信号为0，显示图片为黑色，与其它区域的反射、损耗，散射影响得到的灰色区域，是有明显区别的。通过不同的扫描模式可以判断出不同参数材料好坏，对PCB板可靠性改进提供可靠的分析图片，同时根据分层的面积大小与分层位置，为生产工艺改善提供方向。3.2 PCBA烧接均匀性检测面对PCBA产品不断更新，也给产品检测提出了新的要求。PCB板与金属基烧接解决散热不良的工艺也越来越多，但在生产中难免会遇到许多难题，比如烧接层不均匀，PCB板内壤金属基与散热金属基处烧接不良等检测，这些不是X-Ray可以检测到的

8、，金属基本身价格较贵，不能作破坏性检测，就得先用超声波无损检测。（a）脉冲反射扫描不均匀图片 （b）脉冲反射扫描正常图片图2 超声波脉冲反射扫描PCBA锡膏烧接图片图片中PCBA板属于大功率散热板，在烧接过程中由于回流参数，板厚等原因导致烧接不均情况，图a中的白色区域较大地方就是由于炉温升温过快，导致助焊剂迅速挥发，出现锡被驱走的情况。如果此PCB上带有壤埋铜块，那么铜块表面的发热器件的散热一定达不到要求。利用超声波脉冲反射扫描，能够快速检测出PCBA板的烧接情况，加强质量控制，同时可以验证不同的回流参数对不同板的烧接情况，得出一个良好的回流参数，为生产提供指导。3.3 封装断裂分层检测封装形

9、式和工艺种类繁多，其中将电容电阻等器件与芯片封在一起的复杂的封装模式称为SIP封装。检测方式也多种多样，超声脉冲反射扫描是最常用的无损检测方式之一，在失效分析中能快速度准确的定位失效点。超声波检测不仅能够分析载板与Solder Mask，Solder Mask与molding胶之间的分层，还能分层出芯片断裂和芯片分层等情况。如下图所示。（a）超声波扫描基板与molding分层图片 （b）切片分析分层截面图片（c）超声波扫描芯片断裂图片 （d）切片分层芯片断裂截面图片（e）超声波扫描芯片分层图片 （f）切片分析芯片分层截面图片图3超声波扫描封装产品失效图片及对应切片图片通过上述产品失效分析图片，

10、不难看到三种常见的失效模式，molding胶与基板油墨分层；芯片断裂；芯片硅层分层。这种三种情况在超声波脉冲反射扫描模式能够清晰的看到失效点的位置，准确的做相关分析，查找失效的原因。图a中不规则的白色区域为分层区域，并通过切片（图b）验证了分层出现在油墨和Molding料相接的地方，通过检验等手段最终确定为做SMT时有助焊剂残留，在Molding时残留焊剂在基板表面形成隔离，同时在后续可靠性测试时，经历回流焊导致残留在基板表面及焊脚锡球里面的助焊剂二次熔解挥发，封装内部压力增大，导致封装产品分层；在超声波图片表现白色区域，原因为当声波遇到分层气泡时，在这时间段声波信号全部反射，能量表现在图片为

11、白区域；而图a 一些特别黑的区域是因为电容电阻声阻太大，声波在到达基板与molding胶接合处位置时要经过电容电阻，反射的时候也要经过电容电阻，这样能量减弱，在图片上显示为黑色区域。图c为芯片断裂，图片中一条灰色裂痕是断裂地方，大小位置清晰可见，通过切片图d，可以看到裂痕的深度；对图c进行解析，图上的黑点为 Molding胶层中的小气泡，因为芯片的大小为3*3mm，在超波声显微镜下，材料均匀的条件下，微小的气泡缝隙都能显示出来。通过对时间轴上的声波信号选取，选取在芯片与银胶层的反射信号，而先前通过气泡时声波，因反射而无法到达芯片与银胶层位置，即声波未到达指定获取信号的时间轴位置，无信号能量形成

12、黑色的区域。而断痕也一样，也表现为黑色，只是裂痕不规则及深度对声波的损耗影响，表现为灰色裂痕；当用超声波准确分析到失效点，对失效点进行研究分析，最终发现为芯片下方的导电孔排布不均，孔内油墨塞孔有气泡等原因，使得芯片在高温下受到两边的导电孔内的气泡油墨推顶而断裂，再通过对基板图形分析，偏移芯片的位置，最终解决芯片断裂问题，也为我们后继加工产品提供了丰富的经验。图e为芯片分层，在图f中看到与图d不一样，扫描芯片分层，需要对时间轴不同点取图，图e只是其中的一幅图，图e的反射信号层定位在硅片上，因分层的深度不一，即有白色和黑色，白色为芯片硅层分层反射区域，黑色为声波透过分层区域；通过选取不同的时间点获

13、取反射信号，即得到不同的深度图片，就可准备判断分层的深度位置，这样可以排除扫描银胶层时图片全是灰黑色效果，无法判定分层的位置情况；这种芯片分层属于典型的材料膨胀系数不符，导致芯片受到的应力过大而分层例子。4、 结论通过以上超声波无损检测案例分析，集合超声波的两种扫描方式原理特点，充分发挥超声波无损检测技术在我司几大类产品中的应用，增强公司的生产检测能力。在技术日新月异材料与工艺的不断更新的今天，让大家更多的了解超声波分析原理和产品失效模式，积极发挥超声波无损检测声学显微镜的能力，研究并分析产品的可靠性，解决产品失效的难题，以实现公司能力的提升和技术的进步，为公司带来新的飞跃。参考文献：1 史亦伟. 超声检测M.北京：机械工业出版社，2005.2 SEMMENS J，KESSLER L. Higher resolution acoustic images using frequ