塑封元器件聲掃檢測(cè)：失效現(xiàn)象與應(yīng)對(duì)措施
引言
本文簡(jiǎn)要介紹超聲掃描分析的基本原理和在塑封元器件篩選中的應(yīng)用情況，針對(duì)塑封元器件在聲掃中可能出現(xiàn)的失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的解決方案。特別地，針對(duì)某些使用特殊工藝的器件在聲掃中表現(xiàn)出的批次性大面積失效，提出應(yīng)對(duì)措施。
一、超聲掃描分析
1.超聲掃描技術(shù)
超聲掃描技術(shù)利用超聲波對(duì)電子元器件內(nèi)部的固有缺陷進(jìn)行探測(cè)。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)脈沖，激勵(lì)壓電傳感器產(chǎn)生特定頻率的超聲波。這些超聲波通過(guò)耦合介質(zhì)（例如去離子水）傳播到待檢測(cè)的樣品。在傳播過(guò)程中，超聲波會(huì)遇到不同介質(zhì)而發(fā)生反射。當(dāng)超聲波與被測(cè)物及其中的缺陷（如空洞、裂紋、分層等）相互作用時(shí)，會(huì)干擾超聲信號(hào)的傳播或?qū)е鲁曅盘?hào)發(fā)生反射。最終，根據(jù)接收到的信號(hào)（透射或反射），形成超聲波掃描圖像。這些圖像包含樣品超聲掃描檢測(cè)層面的各個(gè)點(diǎn)的信息。通過(guò)對(duì)圖像的分析，可以對(duì)器件的合格性進(jìn)行判斷。
2.檢測(cè)對(duì)象
聲掃技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)的缺陷主要包括分層、空洞、裂紋等。
在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，最常出現(xiàn)的缺陷是分層。分層是指封裝體內(nèi)部不同材料粘接在一起的界面之間出現(xiàn)微小的分離或裂紋，可引起器件性能下降甚至失效。分層的主要區(qū)域有封裝樹脂與引線框架、芯片表面與引腳鍵合區(qū)之間的界面。
塑封空洞缺陷通常由封裝材料或塑封工藝的缺陷造成?？斩吹拇嬖跒槲廴驹春统睔獾木奂峁┝丝臻g，與此同時(shí)，也降低了塑封體的電、熱和機(jī)械性能。
同樣地，塑封裂紋缺陷也是一種塑封材料或塑封工藝缺陷，水分和其他污染物通過(guò)裂縫進(jìn)入到器件內(nèi)部，最終影響器件的長(zhǎng)期可靠性。
3.器件分層成因
塑封器件的塑封材料與結(jié)構(gòu)具有特殊性，易受水汽和溫度變化的影響。當(dāng)水汽進(jìn)入器件內(nèi)部，容易在材料界面上形成水膜，導(dǎo)致塑封體膨脹變形，從而引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)分層。在溫度發(fā)生變化時(shí)，由于塑封材料的熱脹冷縮系數(shù)與其他材料不同，在界面處會(huì)產(chǎn)生剪切力，引起界面分層。
小面積分層可能進(jìn)一步導(dǎo)致大面積分層。在塑封材料已與其他材料分層后，若在儲(chǔ)存或使用時(shí)發(fā)生溫度變化，局部的小面積分層會(huì)擴(kuò)張為大面積的分層。
二、聲掃不合格的具體表現(xiàn)
塑封器件的典型結(jié)構(gòu)和缺陷形式如下圖所示。
圖1塑封器件的典型結(jié)構(gòu)和缺陷示意圖[1]
由于不同材料的聲阻抗通常各不相同，SAM可以通過(guò)探測(cè)元器件不同區(qū)域聲學(xué)回波的類型和強(qiáng)度，標(biāo)記出元器件內(nèi)部材料不同的區(qū)域。如圖2所示為美國(guó)Sonoscan公司生產(chǎn)的DS9500聲掃設(shè)備著色圖。使用該設(shè)備進(jìn)行聲掃時(shí)，在選定門限內(nèi)，檢測(cè)波形中正向幅值大于負(fù)向幅值，則著色為灰白或白色；檢測(cè)波形中負(fù)向幅值大于正向幅值，則著黃色或紅色。
圖2 DS9500聲掃設(shè)備著色圖[2]
以分層缺陷為例，出現(xiàn)分層現(xiàn)象的塑封元器件的聲掃結(jié)果如圖3所示。紅色區(qū)域表示該區(qū)域可能出現(xiàn)分層，結(jié)合波形圖說(shuō)明該區(qū)域確實(shí)有分層現(xiàn)象。[3]
圖3有分層現(xiàn)象的塑封元器件聲掃結(jié)果[3]
聲掃不合格的常見現(xiàn)象包括出現(xiàn)空洞、外鍵合點(diǎn)分層、鍵合區(qū)域的引線鍵合指或底板分層、引線鍵合指與模塑料剝離等。通常，個(gè)別塑封元器件會(huì)由于生產(chǎn)制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中的偶然因素，出現(xiàn)無(wú)規(guī)律分布、小面積的分層，這種情況按規(guī)定處理即可。在特殊情況下，也會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的大面積分層現(xiàn)象，這種情況需要慎重考慮，針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行分析。
圖4顯示大面積分層現(xiàn)象的塑封元器件聲掃結(jié)果圖[3]
三、影響聲掃相位偏移的因素
1.元器件內(nèi)稟結(jié)構(gòu)缺陷
元器件內(nèi)稟結(jié)構(gòu)缺陷指元器件在生產(chǎn)制造過(guò)程中，由于材料、工藝或制造過(guò)程的不合格，導(dǎo)致器件本身出現(xiàn)相位偏移的現(xiàn)象。
對(duì)于塑封器件來(lái)說(shuō)，封裝材料的選擇在很大程度上影響著塑封器件的可靠性。通常在組裝過(guò)程中需要進(jìn)行回流焊，在回流區(qū)，整個(gè)元器件要經(jīng)歷183℃以上持續(xù)60~90s的高溫作用。在高溫作用下，元器件內(nèi)部的水分會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為熱蒸汽，氣壓突變導(dǎo)致塑封體快速膨脹，而膨脹程度與塑封材料的成分、實(shí)際吸收的濕氣量等因素有關(guān)。如果塑封材料的熱應(yīng)力太低，當(dāng)膨脹壓力達(dá)到一定程度時(shí)，構(gòu)成元器件的不同材料之間的配合失調(diào)，就會(huì)導(dǎo)致元器件分層或爆裂（“爆米花”現(xiàn)象）。
此外，封裝工藝的影響巨大。若在封裝時(shí)，需要完全結(jié)合的兩種物質(zhì)（如引線框架和樹脂）的表面沾污，或者粗糙面積不夠大，就會(huì)因?yàn)榻缑娴恼持π《l(fā)生分層。在表面處理過(guò)程中可能采用電解除膠及除油工序，電解電壓需控制在合適范圍內(nèi)，否則過(guò)高的電壓會(huì)加速氫離子與水中電子的反應(yīng)，氫氣運(yùn)動(dòng)的碰撞力會(huì)造成引線框架與高分子材料的分離，導(dǎo)致框架與樹脂的結(jié)合處內(nèi)部開裂損傷。
尤其對(duì)于消費(fèi)電子或工業(yè)級(jí)器件，受限于工藝水平，同批器件常會(huì)在相同的區(qū)域發(fā)生分層，此時(shí)可以判斷為元器件制造廠的工藝問(wèn)題，此類元器件不適用于高可靠應(yīng)用。此外，需要特別注意的是，很多消費(fèi)電子或工業(yè)級(jí)塑封元器件并不具有氣密性，但是因?yàn)槁晵叩墓ぷ鹘橘|(zhì)是水，而水和塑封材料的聲阻抗相近，這類器件反而容易通過(guò)聲掃試驗(yàn)。同樣地，這類器件也不適合高可靠應(yīng)用。
2.芯片表面膠粘劑
由于元器件工藝的持續(xù)改進(jìn)，功能日益強(qiáng)大，要求電子產(chǎn)品封裝更小、更薄、功能更強(qiáng)大，各種封裝形式不斷涌現(xiàn)。新型封裝在提供保護(hù)芯片、互聯(lián)、冷卻和支撐等基礎(chǔ)功能的同時(shí)，為了兼顧應(yīng)力釋放和α粒子屏蔽，有時(shí)會(huì)在其內(nèi)部芯片表面涂覆一層硅樹脂、環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺等有機(jī)材料（簡(jiǎn)稱為膠粘劑）。內(nèi)部的膠粘劑在聲掃中可能表現(xiàn)出分層，導(dǎo)致誤判。
四、聲掃不合格的應(yīng)對(duì)措施
1.不合格率低：剔除不合格品
對(duì)于不合格率較低的，在確認(rèn)器件為不合格品后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行剔除。如果不合格率低于質(zhì)保大綱要求的控制閾值，在剔除不合格品后，其他合格器件可以繼續(xù)使用。
需要注意的是，應(yīng)當(dāng)保存好不合格器件，避免其流入市場(chǎng)或者再次投入生產(chǎn)。
2.批次性不合格：拒收/批退
如果聲掃不合格率高于質(zhì)保大綱要求的控制閾值，篩選試驗(yàn)機(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)器件進(jìn)行批退。
3.特殊情況：大面積分層應(yīng)當(dāng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證
在出現(xiàn)嚴(yán)重分層，尤其是批次性的大面積異常時(shí)，需要進(jìn)一步分析，而不能草率地判斷為聲掃不合格而整批拒收。對(duì)于這種情況，需考慮廠家在元器件制造過(guò)程中是否使用了膠粘劑。
如前所述，某些器件會(huì)在內(nèi)部芯片表面使用膠粘劑，由于膠粘劑與塑封材料的聲阻抗不同，而在聲掃中表現(xiàn)出不同的超聲回波，導(dǎo)致在聲掃結(jié)果中出現(xiàn)類似于圖4所示的大面積標(biāo)紅而被判定為分層。此外，膠粘劑通常用于芯片和框架的粘接，其分布和幾何形狀通常比較規(guī)則。基于以上特征，可以采取如下方法進(jìn)行分析。
(1)經(jīng)驗(yàn)判別法
在面對(duì)大面積異常的聲掃結(jié)果時(shí)，首先，可以觀察超聲回波信號(hào)的類型和強(qiáng)度，與其他區(qū)域出現(xiàn)的小面積分層的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，初步判斷是否與空洞或分層的信號(hào)一致。其次，可以通過(guò)觀察分層區(qū)域的分布和邊界整齊度，初步判斷是否使用了膠粘劑。通過(guò)這兩步，可以基本判定聲掃結(jié)果是否出現(xiàn)了“假陽(yáng)性”。該方法依賴于試驗(yàn)人員對(duì)特定的元器件的品牌、封裝類型、封裝工藝等信息的掌握和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。
(2)溫循對(duì)比法
利用溫度循環(huán)試驗(yàn)也可以對(duì)聲掃結(jié)果進(jìn)行二次確認(rèn)。在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，按照設(shè)定的試驗(yàn)應(yīng)力曲線，元器件在短期內(nèi)反復(fù)經(jīng)歷高低溫變化。由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，會(huì)對(duì)導(dǎo)致分層的氣泡進(jìn)行擠壓，而導(dǎo)致分層區(qū)域的形狀發(fā)生改變。通過(guò)對(duì)比聲掃發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域在溫循前后的分布情況，可以確認(rèn)是否存在氣泡。但是，若要判斷為“假陽(yáng)性”，仍需要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)根據(jù)異常區(qū)域的分布和邊界形狀進(jìn)行判別。
以下是利用溫度循環(huán)試驗(yàn)輔助聲掃判斷的兩個(gè)關(guān)鍵步驟：
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溫度應(yīng)力下的性能：通過(guò)在極端溫度下對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)試，可以觀察到。溫度變化對(duì)元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。如果元器件在極端溫度下的聲波掃描測(cè)試結(jié)果仍顯示不合格，這可能進(jìn)一步確認(rèn)了初步的測(cè)試結(jié)果。然而，如果元器件只在特定溫度下顯示異常，這可能指示一個(gè)溫度相關(guān)的問(wèn)題，而不是一個(gè)固有的物理缺陷。
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可靠性：溫度循環(huán)試驗(yàn)可以幫助確定元器件在溫度變化下的穩(wěn)定性。如果在經(jīng)過(guò)多個(gè)溫度循環(huán)后，元器件的性能保持穩(wěn)定，且聲波掃描測(cè)試結(jié)果變?yōu)楹细?，這可能表明初次不合格的判斷是誤判。
(3) DPA法
可以通過(guò)DPA（Destructive Physical Analysis）對(duì)聲掃異常結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。DPA是一種徹底的物理分析方法，用于深入檢查元器件的物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特性。通過(guò)DPA，可以在微觀層面上觀察元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，識(shí)別可能的物理缺陷或異常。
以下是利用DPA輔助聲掃判斷的兩個(gè)關(guān)鍵步驟：
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內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析：DPA通常涉及對(duì)元器件進(jìn)行切割、研磨和拋光，以及在顯微鏡下的內(nèi)部目檢。通過(guò)這種分析，可以直接觀察到聲掃檢測(cè)到的缺陷，如空洞、裂紋或分層。
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驗(yàn)證聲掃結(jié)果：通過(guò)DPA發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷可以與聲波掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如果DPA發(fā)現(xiàn)了聲掃指示的缺陷，則可以確認(rèn)聲掃的準(zhǔn)確性。反之，如果DPA未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，可能表明聲掃的不合格結(jié)果是誤判。
4.改進(jìn)手段：妥善的質(zhì)量保證措施
由于塑封材料天然的吸濕性，對(duì)于高可靠應(yīng)用，元器件的保存方法與使用方法同樣重要。在運(yùn)輸和貯存的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)器件的包裝防護(hù)和貯存管理。若貯存環(huán)境不當(dāng)，元器件內(nèi)部金屬部件會(huì)氧化腐蝕，封裝材料受潮產(chǎn)生裂紋或分層。遵循適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)環(huán)境要求可以延長(zhǎng)元器件的壽命，確保其性能和可靠性。
通常，塑封器件具有濕度敏感等級(jí)（MSL）。在貯存過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)元器件的MSL對(duì)倉(cāng)庫(kù)或貯存柜的濕度進(jìn)行控制，使元器件的貯存環(huán)境長(zhǎng)期保持穩(wěn)定、干燥、清潔。在使用時(shí)，若將一盤原包裝拆開使用部分元器件，應(yīng)將剩余器件進(jìn)行真空包裝處理。打開包裝后的元器件應(yīng)根據(jù)敏感等級(jí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成焊接，若打開包裝的元器件累計(jì)暴露時(shí)間超規(guī)定時(shí)間而并未使用，需對(duì)元器件進(jìn)行充分烘烤再進(jìn)行電裝，以排除元器件吸收的潮氣。
五、小結(jié)
聲掃作為檢測(cè)元器件內(nèi)稟缺陷的非破壞性手段，在塑封元器件的篩選中存在不適用的情況。有些器件會(huì)在內(nèi)部芯片表面使用膠粘劑，而導(dǎo)致聲掃誤判為批次性的大面積分層。因此，在遇到這種情況時(shí)，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判別法、溫循對(duì)比法、DPA法作進(jìn)一步分析，對(duì)聲掃結(jié)果進(jìn)行二次確認(rèn)。如確認(rèn)是器件的特殊工藝導(dǎo)致的聲掃誤判，則聲掃不適用于該款器件的篩選。