相信大家都知道什么是B超，我們?cè)隗w檢或看病的時(shí)候，檢查單上往往能看到B超項(xiàng)目，通過(guò)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(zhǎng)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(jìn)行“體檢”，探測(cè)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(guò)掃描聲學(xué)顯微鏡檢查能夠有效評(píng)價(jià)器件的結(jié)構(gòu)缺陷、工藝質(zhì)量等，以達(dá)到元器件篩選或分析改進(jìn)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(hào)發(fā)生器、波形采集系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)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(hào)，聲波與被測(cè)樣品發(fā)生相互作用后，由掃描系統(tǒng)在樣品上方來(lái)回掃描，把樣品每一點(diǎn)的聲波信息記錄下來(lái)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)和成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)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(hào)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(lái)說(shuō)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(guò)介質(zhì)材料分子間的振動(dòng)不斷向周?chē)鷤鬟f的，分子間距越小，聲波的傳輸速度越快。測(cè)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(guò)介質(zhì)材料時(shí)，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(guò)不同介質(zhì)材料時(shí)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)：?jiǎn)挝惑w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(shí)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(jìn)入聲阻抗為Z2時(shí)，反射系數(shù)為 ?

??

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

當(dāng)Z1＞Z2，超聲波由密度高的介質(zhì)通過(guò)密度低的介質(zhì)時(shí)，R為負(fù)數(shù)，即波形顯示為負(fù)波。

當(dāng)Z1＝Z2，超聲波通過(guò)相同密度的介質(zhì)時(shí)，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(wú)法在空氣中傳播），此界面顯示的波形變成負(fù)波。

值得注意的是，聲波在介質(zhì)中傳播必然會(huì)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(cè)到不同介質(zhì)材料時(shí)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(diǎn)：可以聚焦到具體某一界面進(jìn)行檢測(cè)，成像清晰，能夠判斷缺陷的深度。

缺點(diǎn)：通常需要對(duì)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(hào)源，該波形代表了超聲波聚焦在樣品某一點(diǎn)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(guò)選擇關(guān)注的界面波形在樣品上方來(lái)回掃描，把樣品每一點(diǎn)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(guò)脈沖反射波（C-Scan）成像檢測(cè)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(diǎn)：一次掃描可檢測(cè)所有界面，可驗(yàn)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(diǎn)：無(wú)法確認(rèn)缺陷的位置，相比于反射波成像分辨率較低。

圖6為通過(guò)透射模式成像檢測(cè)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(píng)價(jià)大功率器件芯片的粘接質(zhì)量；

2. 檢測(cè)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(duì)于塑封電路，分層缺陷較為常見(jiàn)。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(huì)通過(guò)缺陷通道加速進(jìn)入到器件內(nèi)部，可能對(duì)內(nèi)部芯片進(jìn)行腐蝕，導(dǎo)致器件失效。另外樣品在回流焊的過(guò)程中，如果控制不當(dāng)，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(xiàn)斷開(kāi)或塑封料開(kāi)裂。

在DPA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)塑封集成電路的掃描聲學(xué)顯微鏡項(xiàng)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(wèn)題。圖7為塑封集成電路的芯片、引線(xiàn)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)