基于超声扫描显微镜的金属封装检测研究

魏 鹏，周庆亚，连军莉，黄晓鹏

(中国电子科技集团公司第四十五研究所,北京 100176)

金属封装是采用金属作为壳体或底座，芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座大多采用玻璃－金属封装技术的一种电子封装形式。它广泛应用于混合电路的封装，主要是定制的专用气密封装，金属封装形式多样、加工灵活，可以和某些器件（譬如混合集成的A/D 或D/A 转换器）融合为一体，适合于低I/O 数的芯片和多芯片的用途，也适合于射频、微波、光电、声表面波和大功率器件，可以满足高可靠性的要求。在金属封装件的生产过程中，由于电子束焊设备、工装夹具、焊接工艺等种种原因，在焊接过程中难免会产生各种焊接缺陷，如气孔、焊偏、熔焊深度不足、裂纹等。缺陷的存在直接影响金属封装件的性能，因此，通常要求对封装件进行无损检测，以便对金属封装的质量进行评价。

由于金属封装需要检测内部的缺陷，常规的无损检测技术很难满足检测的要求，超声扫描显微镜可以对金属封装内部进行无损检测，笔者就采用超声扫描显微镜对金属封装进行检测研究。

超声扫描显微镜是一种用来检测物体内部结构、缺陷的无损检测设备，可用来检测器件内部的分层、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。其扫描模式主要有透射和反射两种模式。反射扫描主要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A、B、C、多层、TAMI 等多种检测方法。本文采用反射扫描方式对金属封装进行检测。

1 超声扫描显微镜工作原理

图1为超声扫描显微镜系统框图。超声波发射接收器产生特定频率(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。当超声波信号通过样品的时候，由于不同材料声阻抗的不同，在有缺陷或粘结不良的界面会出现反射波。超声波换能器接收到的反射回波信号通过超声波发射接收器传输给数据采集卡，回波信号经过处理，以波形的方式显示在屏幕上。而波形对应的器件内部图像也可以展示在操作界面上。三轴运动系统带着超声波换能器对被测器件进行高速扫描，最终得到一张相应界面的高分辨率超声波图像。

图1 超声扫描显微镜系统框图

2 超声扫描显微镜声学原理

超声波信号在材料中沿传播方向的波动方程为：

式中：Pi0表示声波的幅度函数；k为波数，且k=ω/c；ω为角频率；c为声速。

声波在探测面的反射波为：

底面反射波为：

由于缺陷与材料阻抗有差异，超声波遇到缺陷（在材料内部任意一点处）会有反射信号Prd(x，t)：

由(4)式可知缺陷反射波比探测面反射波滞后xi/c，比底面波超前(xT-xi)/c，若以x=xi为切面，则可以得到超声波在材料中沿传播方向任意一点的入射波。

获取缺陷关于x 轴方向的层深信息，仅仅凭借C 扫描获取的数据比较困难，因此需要借助超声信号的A 超显示，给缺陷定位：

式中：d为缺陷至换能器的距离，v为超声波信号在材料中的声速。

根据(5) 式得出声波从探测面到缺陷的传播时间,然后根据采样频率得出缺陷波在所采集得到的数组中的位置，这样在C 扫描过程中，通过定义缺陷波的位置，提取信号特征值，实现缺陷所在x 轴层深面的显示。

3 超声检测实现

利用成熟的超声扫描显微镜设备，对金属管壳封装进行检测，需要进行以下步骤

（1）首先在示波器波形上设置前表面门和数据门，门的要素有门的阈值大小，门的开始时间和长度大小；

（2）设置一个扫描的区域，这个区域包括区域的长度和宽度；

（3）设置扫描分辨率的大小；

（4）设置设备的数据采样频率；

（5）设置扫描的起始点；

（6）即可开始扫描并得到扫描图像。

通过以上设置方法对两个典型的金属封装样品进行检测实验，得到它们的扫描结果C 扫描图像如图2、图3所示。

图2 方形金属封装件的实物图和C 扫描图像

图3 长条形金属封装件的实物图和C 扫描图像

从图2（方形金属封装件的实物图）和图3（长条形金属封装件的实物图和C 扫描图像）的C 扫描图像可以看出，根据超声波传播的特性，超声波在传播过程中，如果遇有气泡或者空隙，就会进行全反射，超声波信号无透射。分析图2和图3 中的C 扫描图像，图像的灰度值比较小的地方说明超声波在此处的透过性较好，反射的超声波比较少，此处的金属封装焊接的质量比较好；而图像中的灰度值比较大的地方说明超声波在此处透过性比较差，反射的超声波较多，此处的金属焊接质量差。

通过实验证实，金属封装的检测可以运用超声扫描显微镜这种先进的技术设备，并且超声扫描显微镜在检测中具有快速，直观、精度高的优点。

4 总结

通过扫描获得的C 扫描图像可以较好地分析封装焊接的缺陷分布和精度情况，因此超声扫描显微镜可以获得直观、清晰的检测图像，检测速度较快，可以较好的分析金属管壳内部粘接层的粘接情况，提高检测的可靠性，超声扫描显微镜在金属封装的检测过程中具有重要的意义。

[1]美国无损检测学会.美国无损检测手册：超声卷[M].《美国无损检测手册（上）》译审委员会译，北京：世界图书出版公司1996：39-47.

[2]王浩全，曾光宇.玻璃纤维复合材料超声C 扫描检测研究[J].兵工学报.2005(7)：570-572.