超声扫描技术及设备

张继静，连军莉

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

在电子产品的装配过程中，塑胶封装器件在装配前是否存在内部缺陷是个非常关键的问题。在半导体产品中，裂纹、分层和气孔等在正常使用过程中会扩涨或局部腐蚀，可能会进一步引起内部断线，这些内部缺陷往往会产生可靠性问题导致电子产品的失效。随着电子工业时代的飞速发展，应运而生了一种新的无损检测技术来探测物体的内部结构，检查缺陷，并对材料做定性分析，这就是超声扫描检测。

利用超声波进行电子产品的检测，高频声波进入被测物体中以获取关于物体的信息而不会以任何方式改变或损坏物体。超声扫描检测是非破坏性的，即使没有找到结论性的证据，也不会对进一步的失效分析操作造成负面影响。

超声扫描检测系统可以用来检测器件缺陷，使用者分析缺陷类型后对器件进行分类处理。超声扫描检测系统不仅能检测分层、气孔、裂缝和夹杂等缺陷，而且在判别密度差异、弹性模量、厚度等特性和几何形状的变化方面也具有一定的能力。超声扫描检测系统可识别出含有缺陷的器件，捡出有缺陷的器件可避免增加后续加工生产成本，从而提高装配线的合格率。超声扫描检测获得的资料可找出前期造成缺陷的工艺过程，为改进工艺提供信息。用超声扫描方法对器件内部的缺陷进行无损检测，是目前对封装好后的器件进行检测的最可靠手段，通过检验发现生产流程的问题，便于生产控制和品质检验；通过检验，防止损坏的部件进入下一个生产流程，降低次品的产生率，降低生产成本。

1 超声扫描技术

超声扫描的工作原理：由传感器产生特定频率(5 MHz～2 GHz)的超声波脉冲，通过耦合介质（如去离子水、酒精等）到达样品。由于超声能量的传递要求介质是连续的，所以如气孔、杂质、分层、裂纹等不连续界面都会干扰超声信号传播或导致超声信号发生反射。当脉冲通过样品的时候，由于声阻的不同，在有缺陷或粘结不良的界面会出现反射波，通过安装有超声波换能器的扫描轴，可以对待测品进行高速扫描，以得到一张高分辨率的超声波图像。在反射回波脉冲中，有选择地聚焦，并使用声学阻抗极性检测器(AIPD)等分析技术，就可以从样品选定的深度和平面中或从粘结界面检测到分层的界面或者缺陷。

超声扫描检测的检测方法很多，可以从不同方面来观察器件的内部缺陷和结构。超声扫描检测有接触式和非接触式，接触式分为固态接触和液态接触。

固态接触就是探头与工件之间足够紧密地接触，以实现声能的传递。因此要实现固态接触，探头接触面及工件表面均应十分光滑，并需施加较大压力，以达到紧密配合的程度，这在实际检测中往往不易实现。液态接触借助探头与工件表面之间涂敷的液体，排除空气间隙，以实现声能的传递。这种方法探头与被检物不接触，因此，超声波的发射与接收都比较稳定，不受接触压力、表面光洁度等因素的影响。探头发射的声波经过一段液体后再进入工件，使得这种方式比固态接触更为有效。在浸液检测中，通过浸渍液体实现耦合，这时的液体就是耦合剂。一般用纯净水作耦合剂，超声波的发射与接收都比较稳定，且对被测物无污染和损害。因此液态接触检测比较常用。

液态接触检测大体上分为透射扫描模式和反射扫描模式。

1.1 透射扫描模式

透射扫描是一种基本的检测方法，和X射线检测相似，使用超声波透射检测可快速观察到样品内部的缺陷，而且容易操作，但是无法对缺陷的尺寸和位置进行测试，只能确定缺陷的存在与否。透射扫描中超声波透过样品全部厚度，这种操作模式提供的是该部件全部的投影图像。因为超声波不能通过空气隙（分层，裂缝或空洞），信号的阻断在图像上看就是黑色的区域，因此对某些缺陷会漏检，一般使用较少，见图1所示。

图1 透射式扫描模式

1.2 反射扫描模式

反射扫描分析超声波在分层或者缺陷上的反射波，可以确定缺陷的位置和尺寸，具有多种检测方法（见图 2）。

图2 各种反射式扫描模式

图2中：A扫描是单点扫描模式，是创建和解释图像的基础。可以检测波形并将波形、反射波的相位以及大小显示在示波器上，用于判断缺陷。A扫描是最精确的检测方式，但是只能对于一个点进行分析不能对于一个平面分析，可以用来确认检测结果。

B扫描是纵向截面模式，可以检测垂直x方向的二维截面图，显示每个界面垂直x方向的截面图，用于检测裂缝、倾斜和空洞等缺陷，分析水平缺陷。

C扫描是单一层面扫描模式，检测水平方向的二维截面图，在一个界面对焦后显示的平行x方向的图片，用于检测离层，芯片裂缝等缺陷。C扫描是最常用的检测方式，但是需要专家分析。

TAM I扫描（逐层扫描）是多层扫描模式，可以同时扫描出2～999层C式扫描方式，可探测所有种类的缺陷，不需要专家，不需要聚焦，可以检查任何细微的界面，可探测小到波长1.5倍的层厚。

托盘扫描是Tray盘扫描模式，可同时扫描2个JEDEC标准托盘中的元件，进行自动数据收集和分析作为接受或拒收的标准；

表面扫描，因为超声波对空气隙（空洞，裂缝和分层）类型缺陷的高敏感性，它甚至经常在检测一个样品表面是否存在裂缝都是有用的。在表面扫描中，从表面直接反射回来的超声波被记录下来，裂缝是很明显的。在表面波扫描中，超声波沿着部件表面传播。表面裂缝显示在这种模式中有高声学对比度。

Q-BAM扫描（聚焦轴多层定向扫描）是定量纵向聚焦截面扫描模式，用于虚拟切面分析。Q-BAM成像模式提供了一个样品的无损剖面图像。为了提供最精确的深度和图像幅度/极性信息，Q-BAM保持在扫描的每一层都保持着合适的焦点。与B扫描的区别：在B扫描中仅保持着单一的焦距。结果就导致在探头的焦距范围内的信息是最精确的，在焦距范围以外就不太精确了。

超声扫描的基本图像处理功能包括：中值滤波、均值滤波、图像增强、轮廓提取、边界增强、浮雕显示、反色处理、伪彩色处理、灰度波形统计、伪3D显示、量化分析等。其中，滤波功能可以提高判别分层缺陷或其他结构的图像对比度；图像增强可以调整对比度，将图像中的黑点缺陷增强，以便识别；边界增强将不同灰度范围边界增强，显示缺陷边界的形状；浮雕显示通过灰度处理显示出缺陷的立体效果。除了上述主要功能之外，超声扫描检测还有很多方便使用的小工具，比如显示图像的刻度，示波器的波形叠加、测量工具、微调焦点、波形存储、波形分类、声阻抗测量。当器件内部存在多个分层时，会出现大量内部交界面反射，使用波形分类功能，可以进行正确的回声分类整理，提高声学成像的准确度。

检测结果的分析方法主要有：脉冲回波分析和通过放置在塑封体下接收器所探测到的透射信号分析。在超声无损检测中，传统的脉冲回波法在许多方面得到了应用，它利用反射体反射超声波的幅值及其出现的时间来反映反射体的大小及位置。

2 超声扫描面临的机遇和挑战

2.1 超声扫描面临的机遇

超声扫描检测技术是国内外应用最广泛、使用频率最高，且发展较快的一种无损检技术。它可以在不破坏元器件的情况下，检测器件内部的气孔、裂纹、夹杂和孔隙率等问题；它可以穿透大部分工业上应用的材料，对不同材料的粘接层非常敏感，应力、热胀冷缩等造成的变形、裂纹等内部潜在缺陷和事故都可以通过超声扫描进行检测。超声扫描在产品的品质检验、质量控制、生产过程控制及失效分析等方面都有广泛的应用。由于其结构简单、检测速度快，多年来一直是主要的检测方法。

超声波的特点：微米级的分辨率、高灵敏度、能够检测出细微缺陷的大小、位置和形状，实时检测，对被测体无害。超声波是目前仅有的评估半导体可靠性的方法，使用超声波可以对内部缺陷进行无损检测，可以保留在损坏性检测中被丢失的细微缺陷；样品通过检测后可以继续使用。

超声扫描的主要应用领域包括半导体、材料科学和生物医学。在半导体领域的应用，可以检测半导体材料内部多种缺陷：裂纹、分层、夹杂物、附着物、空隙等；通过图像对比度可以判别材料内部声阻抗差异、确定缺陷形状和尺寸、确定缺陷方位。超声扫描检测还可以用来进行材料检测、MEMS、光电器件检测、微组装封装组件、塑封封装器件、器件/印刷电路板热沉焊接质量、多层陶瓷电容器、倒装焊接等多种分析检测。

2.2 超声扫描面临的挑战

两种不同声阻抗材料的分界线被称为声阻抗界面。当声音在正常入射的情况下到达声阻抗界面时，一部分声能反射，一部分透过了这个边界。最后，当超声波前行穿过媒质时会发生衰减。假如没有较大的反射，有3个产生衰减的原因：衍射、散射和吸收。穿过一种材料的衰减值在选择用于应用的换能器时起着重要作用。超声扫描过程中要在以下几方面进行协调，以达到最好的检测效果。

2.2.1 频率的选择

超声频率在很大程度上决定了超声波检测能力，必须选取合适。频率高时，分辨率高，缺陷定位准确，但扫描空间小，而且超声波在材料中衰减大，穿透能力差。频率低时，分辨率低，但扫描空间大，穿透能力强。由于超声波发射峰值功率有限，使得检测深度与分辨率之比受到限制，即要想增加检测深度，就要牺牲分辨率;要想提高分辨率，就要减小检测深度。

2.2.2 探头的选择

探头的选择主要是对频率、晶片尺寸和角度等几方面的选择。探头频率越高，价格就会越高；探头晶片尺寸大时，发射能量大，扩散角小，扫查空间大，近场长度长，发现远距离小缺陷的能力高。对于圆形晶片的探头，一般采用直接为14～20 mm的晶片。对于大型器件的检测，尽可能使用大直径晶片的探头。小直径晶片的探头在近场范围内声束窄，有利于缺陷定位，宜于较小厚度器件的检测。探头形式的选择要根据缺陷所在部位确定选择直探头或斜探头。

2.2.3 耦合剂的选择

超声检测中使用的耦合剂，从多方面考虑要具备以下性质：（1）容易附着在器件表面，有足够浸润性，借以排除探头与检测面之间由器件表面粗糙造成的空气薄层；（2）声阻抗大，尽量与被检测材料的声阻抗相差小些，以利于声能尽可能多的进入器件；（3）对人体无害，对被测器件无腐蚀作用；（4）容易清洗；（5）来源方便，价格低廉。实际常用的耦合剂有：机油、水、甘油、酒精和水玻璃，其中水或去离子水最为常用，也是最实用的一种耦合剂。

使用者关注的还有扫描范围、扫描速度、扫描分辨率、扫描模式等其他功能，各个超声扫描检测设备的生产厂家都在这些方面进行竞争。

2.3 超声扫描与X-RAY的异同点

目前X-Ray扫描是用于电子产品检测的主要方法。对于同一检测机构，超声扫描与X-Ray是互不矛盾、相互补充的非破坏性检测手段和工具。它们的主要差异在于展示样品的特性不同。X-Ray可以穿过塑封材料并对封装内部的金属部件成像，因此特别适用于评价由流动诱导应力引起的引线变形。

X-Ray为不可见，通过X光的透射和穿透，基于材料密度的差异，来观察样品的内部结构；密度高的金属材料比较密度低的陶瓷和塑料等材料，对于X射线有较大的不透过性和较少的穿透能力，X-Ray对于材料内部分层、微小裂纹和虚焊等缺陷是非常不敏感、比较困难探测的，除非材料有足够物理上的分离。X-Ray射线成像操作采用的是穿透模式，得到整个样品厚度的一个合成图像。

超声扫描检测设备的超声波能穿透密集的和疏松的固体材料，它对于内部存在的空气层非常的敏感，空气层能阻断超声波的传播；确定焊接层、粘接层、填充层、涂镀层、结合层的完整性恰恰是超声扫描检测设备独特的性能。超声扫描检测设备可以分层的展现样品内部一层一层的图像。反射扫描模式产生的图像只需要通过样品的表面，而透射扫描模式需要通过样品的两个表面。

近年来，超声扫描技术日益发展成熟，目前该系统已具有多种检测方法，图像处理功能非常庞大，使得检测器件内部结构非常简单。超声扫描检测设备使用的超声波频率高于兆赫兹，这个范围的超声波不会引起气穴现象，其频率和能量不会对材料、样品和人体产生危害。

3 超声扫描设备

超声波扫描检测是一种用于检测不可见的内在细微缺陷的非常有用工具，同时它可以用来评估半导体仪器的可靠性。目前超声扫描显微镜是用于电子产品检测的主要设备之一。

中国电子科技集团公司第四十五研究所研制的CS-300超声扫描显微镜

图3 CS-300超声扫描显微镜

●频率范围：1～100 MHz

●换能器选择：2.25～100 MHz

●扫描范围：300 mm×300 mm

●扫描速度：1 000 mm/s

●扫描重复精度：±1μm

●扫描模式：A，B ，C ，TAM I，多层 C，

●相位扫描，托盘C扫描，托盘相位扫描

●图像分辨率：最大4096×4096像素

●最小门限时间：1 ns

●图像输出格式：BMP，JPG，GIF，TIFF

●操作软件及图像处理软件包

科视达W IN超声扫描检测设备Vario II超声扫描显微镜

图4 Vario II超声扫描显微镜

●频率范围：1～500 MHz

●换能器选择：5～400MHz

●扫描范围：1mm×1mm～100mm×100mm

●扫描速度：360mm/s

●扫描机构分辨率：2μm

●扫描模式：A，B，C，D，G，X，3D

●图像分辨率：最大4096×4096像素

●最小门限时间1 ns

●阻抗测量，伪彩色表示

●图像输出可保存为BMP及超声扫描检测设备格式

Sonoscan D9500超声波扫描检测仪

图5 Sonoscan D9500超声波扫描检测仪

●频率范围：1～400 MHz

●换能器选择：5～400 MHz

●扫描范围：333 mm×322 mm

●扫描速度：700mm/s

●扫描机构分辨率：2μm

●图像分辨率：最大2048×2048像素●最小门限时间：0.25 ns

●图像输出保存

Sonix Quantum350超声扫描显微镜

图6 Sonix Quantum350超声扫描显微镜

●频率范围：最高300 MHz

●扫描速度：1 000 mm/s

●扫描面积：350mm×350mm

●扫描重复精度：±0.5μm

●扫描模式：A，B ，C ，TAM I，多层 C，相位扫描，托盘C扫描，托盘相位扫描

●WinIC软件

4 结束语

超声扫描显微镜是一种用于检测不可见的内在细微缺陷的非常有效的工具，同时它可以用来评估电子产品的可靠性。超声扫描检测设备获得的非破坏性检测结果与使用光学显微镜观测的结果一样，用直观的图像反映了物体内部的结构。

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