2026年5月26日-爱璐德国际培训认证中心转载

声学扫描显微镜（SAM）技术是一种无损检测分析方法，其显著优势在于既能扫描材料表面，又可利用超声波的穿透能力逐层检测样品次表层结构。

该方法能在保持元器件电性能与结构完整的前提下，有效检测电子元器件内部的粘接不良、分层、空洞、裂纹和异物夹杂等缺陷。

尽管该技术操作和结果解读相对复杂，需具备一定的技能与经验，但其仍具有灵敏度高、可检出更微小缺陷等独特优势，相比其他无损检测技术更具竞争力。

SAM基本原理

SAM主要由超声发射换能器、机械扫描仪和图像处理器构成。其核心部分为压电换能器，通常由磁铁和射频线圈组成。当施加电压时，换能器中的晶体产生形变，进而激发超声波脉冲。

SAM的工作原理是基于超声波与物质的相互作用。声波经聚焦后，通过液体耦合介质（通常为水）传入样品内部。在与样品发生作用时，部分声波反射回换能器，部分则透射进入材料内部。回波由同一换能器（或根据扫描模式由另一换能器）接收，并转换为电信号以供处理成像。

由于材料内部各层之间的声阻抗存在差异，超声波的振幅与相位会相应发生变化。通过捕捉来自缺陷或未结合界面的反射波信息，并将其成像为缺陷特征，可从反射波和透射波的相位与幅值中获取样品的内部结构信息。

为获得完整的声学图像，换能器需沿样品表面进行扫描，覆盖整个检测区域。换能器具备沿x、y、z三轴运动的能力：z轴用于在特定深度聚焦超声脉冲，而x轴与y轴则实现在聚焦平面不同位置的数据采集。

1、SAM方法

SAM是一种方便、无损且精确的检测方法，对粘接界面具有较高灵敏度，可用于检测塑封器件中的多种缺陷，如晶界、裂纹、分层、空洞、气泡和污染物等。图1展示了在反射模式下超声波与样品内部各类缺陷相互作用的原理示意图。

图1 反射模式下，探测脉冲和样品内部结构中的各种缺陷相互作用

SAM通过换能器发出超声波脉冲探测样品，并接收经内部结构反射后产生的一系列时延回波，如图2所示。反射回波的幅度和往返时间分别反映了样品内部物理变化的程度和深度位置。

图2 超声脉冲探测样品原理

在SAM图像中，灰度与极性差异取决于超声脉冲的峰值振幅和相位极性，通过识别图像中的异常区域可判断样品是否存在缺陷。

超声波在界面处的反射或透射强度（反射信号振幅）受两种材料声阻抗的影响。声阻抗是超声波穿过材料时所遇到的阻力，材料密度和声速的增加均会导致声阻抗增大。图3列出了半导体器件中常用材料的声阻抗值。

图3 半导体器件中常用材料的声阻抗

界面处声阻抗差异越大，反射信号越强（图像越亮）。当超声波从低声阻材料进入高声阻材料时，反射率为正值，反射波与入射波相位相同；反之，当超声波从高声阻材料进入低声阻材料（例如进入空气层）时，反射率为负值，反射波与入射波相位相反，且超声波几乎全反射；若两种材料声阻抗相近，则超声波基本不发生反射。

超声波脉冲在穿越样品表面、关注层及底部时，各界面反射脉冲的传播时间t可用于推断材料内部缺陷的深度（位置）d=t×c/2，其中c为材料内声速。

同时，通过相位直方图可实时记录一系列反射波形（如图2所示），这称为反射模式SAM的A扫描，其相位变化通常由样品内部的不规则结构（如分层、空洞等）引起。

2、SAM的扫描模式

图4展示了用于材料表征的不同类型的SAM扫描分析模式。A扫描是由样品表面特定x-y位置沿z方向采集的声学数据构成的原始波形。在此模式下，通过沿z轴调整换能器位置，使回波振幅达到最大，从而将换能器聚焦于关注点。A扫描在示波器上通过反射波的相位和幅度来检测缺陷。

图4 不同类型的SAM扫描模式

B扫描为样品横截面图像，其原理与A扫描相同，但换能器沿样品内部一条直线进行扫描，提供样品内部的深度可视化信息，适用于横截面缺陷的评估。

C扫描是一种常用扫描模式，它给出样品在特定深度的二维图像（层切面），可通过分析反射波的相位与幅度反映粘接界面状态，广泛应用于分层和“爆米花”效应等缺陷的检测。

为扩展扫描功能，可采用P扫描（垂直样品表面）和X扫描（平行样品表面），在一次扫描中获取多个等间距图像。

T扫描利用透射超声信号，发射信号由第二个换能器接收，所有缺陷在同一幅全聚焦图像中显示。该模式可检测垂直方向上的分层情况，但无法定位具体层位，且精度相对较低，常与C扫描模式互补使用。

3、SAM的分辨率

SAM的主要参数有分辨率、穿透深度和对比度，其中用于成像的显微镜分辨率主要受换能器频率的影响，换能器频率越大，分辨率越高。但频率越高，随着深度的增加，超声信号衰减越快，衰减随频率的平方而增大，导致在较高频率下对样品的穿透深度减小。因此，对换能器的选择需要在穿透深度和图像的分辨率之间进行权衡。

同时，SAM的实际分辨率还受声波在材料内部纵向传播速度、探头间距长度和焦点直径的影响，因此对于不同性质的材料或不同聚焦长度、直径的换能器，仪器实际的分辨率是有差异的。用于分析电子元器件的典型超声频率范围为5~300 MHz。

换能器的类型由频率范围定义，分低频、中频和高频，如表1所示。目前在封装领域，常见的换能器的频率和对应的电子元器件种类应用原则如表2所示。

表1 换能器类型的选择

表2 常用换能器的频率与对应电子元器件的类别

SAM在塑封器件检测中的应用

1、塑封器件常见缺陷

塑封器件内部常见缺陷包括裂纹、空洞、界面分层等，其中界面分层是内部缺陷中最常见的现象。

裂纹缺陷可以发生在塑封器件内部的任何地方，如基板、引线框架、芯片和塑封体等，裂纹的存在会造成水分和其他污染物进入器件内部，降低器件的机械性能。

空洞一般存在于塑封料、芯片粘接层等位置，内部的小孔会增加多孔性和吸湿性，对封装的电学、热学和机械性能产生不利影响。

分层是影响塑封器件可靠性的重要因素之一，造成界面分层的因素有很多，材料和工艺的略微差异，都可能会导致界面分层的产生，如引线框架界面分层、芯片界面分层和焊板分层等。

2、SAM在塑封器件检测中的应用实例

图5为在典型塑封器件中SAM发出的超声波在一系列界面处反射及透射的工作示意图。采用SAM的A扫描、C扫描和X扫描3种模式对国内某厂家的封装形式为PDFN8L（5×6）的两个塑封器件进行检测，实验样品内部的X射线结构如图6所示。

图5 超声波与样品作用示意图

图6 试验样品的X射线检测图

由于封装底部中央位置存在裸露焊盘的原因，不存在背面塑封料与基板界面（后视图），根据GJB 4027A-2006《军用电子器件破坏性物理分析方法》中的规定，只对其内部的5个界面进行有效SAM检查，包括芯片与塑封料、引线架与塑封料、引线引出端焊板边缘与塑封料3个顶视图界面，以及引线架与塑封料、芯片与基板粘接两个后视图界面。

由于样品体积小、厚度薄，可以将换能器的景深聚焦于引线架层面上，从而同时观察芯片与塑封料、引线架与塑封料、引线引出端焊板边缘与塑封料3个界面。

具体检测步骤如下：首先，进行X扫描（即逐层C扫描），快速检查样品整体内部结构，扫描结果如图7所示。通过逐层扫描，可判断塑封体内是否存在明亮区域和黑色条纹，以检测塑空洞和裂纹等缺陷。然后，将换能器聚焦于引线框架上进行C扫描，如图8所示，可观察到前述3个顶视图界面。

图7 试验样品的逐层扫描图（顶视图）

图8 试验样品不同层次叠加的C扫描图（顶视图）

通过更细致地调节换能器，可以看到引脚和芯片上表面的情况，如图9~10所示。两个样品的引脚区域均有黑色条纹，无分层区域和分层区域的波形如图9b和c所示，反射波出现相位反转。芯片上表面一部分与塑封料结合，一部分与金属条带结合，着色图提示芯片与金属条带结合区域存在分层。

图9 试验样品引脚、芯片与塑封料的C扫描图和A扫描波形（顶视图）

图10 试验样品引脚、芯片与塑封料的C扫描图（顶视图）

通过X射线手段进行辅助，从样品的侧面可以观察到两个样品的金属条带都有不同程度的翘曲（如图11所示）。

图11 试验样品的Ｘ射线扫描照片（侧视图）

将换能器聚焦到基板上，可以看到两个样品上端的两个角都有明显的分层，图12a中标注的区域与图12b~d的A扫描波形图相对应，c、d区域均出现波形相位反转。

图12 试验样品基板与塑封料的C扫描图和A扫描波形（顶视图）

翻转样品，使器件底部朝上，将换能器聚焦到样品的背面基板上，可以观察到引脚与塑封料、芯片与基板界面，如图13a所示。箭头所指区域可以看到黑色条纹和明亮区域，其对应的图13b波形与图13c~d波形反相，即两个界面都存在分层缺陷。

图13 试验样品引脚与塑封料、芯片与基板界面的C扫描图和A扫描波形（后视图）

3、塑封器件超声扫描时的难点

随着封装技术的发展，工艺日趋复杂，结构更加紧凑，厚度不断减小，且不断涌现新的封装形式。

对于结构复杂、集成度高的塑封器件，其内部不同材料之间存在多个界面，且界面间距较小，这可能导致超声信号在相邻界面间相互干扰，使得最终扫描图像中缺陷显示不完整或与实际情况不符。因此，针对不同封装形式的器件，应根据具体情况调整检测条件，以确保扫描图像真实、准确地呈现缺陷。

此外，对SAM检测工程师而言，只有经过系统培训并具备丰富经验的人员才能做出相对可靠的判断。然而，面对结构复杂或工艺特殊的器件，仍可能出现漏判或误判的情况。例如，目前在集成电路保护中常在芯片表面涂覆有机材料层，此类器件的检测波形和图像往往与常规器件存在显著差异。若工程师考虑不足或经验欠缺，极易得出错误结论。

因此，对于复杂器件，应尽可能详细了解其内部封装结构，可借助X射线等手段进行辅助分析，同时也可向器件供应商咨询封装工艺细节，以提高判断的准确性。

国内外塑封器件声扫试验标准

目前，国内针对塑封半导体集成电路使用SAM进行检查的主要标准包括GJB 4027A-2006《军用电子元器件破坏性物理分析方法》中的1103章节2.4，GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法2030。另外，美国国家航空航天局标准PEM-INST-001、美国联合产业标准IPC/JEDECJ-STD-035等都有类似的检查方法和检查标准。

其中，GJB 4027A-2006是目前国内进行SAM测试依据的主要标准，提出了对塑封器件的6个界面进行扫描，主要用于非破坏性地检查下列缺陷：

a）模塑化合物与引线框架、芯片或引线引出端焊板的分层；

b）模塑化合物中的空洞和裂纹；

c）芯片粘接材料中的未键合区域及空洞。

但随着封装工艺的快速发展，逐渐出现了一些新的封装形式，塑封器件的体积和厚度都越来越小，由于换能器有一定的景深，并不需要对6个界面逐一进行扫描。通过将换能器聚焦到引线框架层面就可以看到引线框架与模塑化合物、引线引出端焊板与模塑化合物、芯片与模塑化合物这3个界面的情况，大幅减小了工作量。

此外，GJB 4027A-2006虽然是目前所依据的主要标准，但在使用时仍然存在一些问题，如检查项目与缺陷判据不能完全对应、部分描述不够准确、太过笼统等。因此，建议在做SAM检查时几类标准结合使用，同时应增加针对塑封分立器件及球栅阵列封装器件、倒装芯片等新型塑封器件的SAM检测标准。

结束语

塑封器件因其材料、结构和工艺的特殊性，在长期使用中易出现分层、空洞、裂纹和粘接不良等缺陷。声学扫描显微镜具有灵敏度高、无损等优点，在塑封器件的缺陷检测中应用广泛。本文系统总结了SAM在塑封器件缺陷检测中的应用，为后续塑封器件的失效分析工作提供了参考与支撑。

全文转载

标题：声学扫描显微镜在塑封器件缺陷检测中的应用

来源：公众号【无损检测NDT】（上海材料研究所有限公司《无损检测》杂志官方平台）