塑封器件無損檢測技術(shù)探討

在現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)中，塑封器件憑借其成本低、重量輕、體積小以及物理和電氣性能優(yōu)良等諸多優(yōu)勢，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的市場前景。然而，由于其固有的結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)，塑封器件不可避免地存在一些潛在缺陷，這些缺陷會直接影響其長期使用的可靠性。因此，在塑封器件裝入整機(jī)之前，必須進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)以降低風(fēng)險(xiǎn)。塑封器件的無損檢測技術(shù)不僅能剔除早期失效樣品，還能有效地識別和剔除有潛在缺陷的器件，從而提高電子整機(jī)的可靠性。
一、引言
近年來，隨著各塑封器件廠商對封裝材料、芯片鈍化和生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，塑封器件的可靠性有了顯著提高。航天用設(shè)備制造商不再局限于使用氣密封裝器件，開始考慮采用經(jīng)過可靠性試驗(yàn)篩選、鑒定評價(jià)且滿足規(guī)范要求的塑封商用器件。但塑封器件固有的結(jié)構(gòu)和材料特性使其存在潮氣入侵、腐蝕、開裂和內(nèi)部分層等失效機(jī)理，這使得塑封器件初被認(rèn)為是較容易失效的產(chǎn)品，也限制了其在高應(yīng)力和高可靠環(huán)境中的應(yīng)用。因此，如何辨別器件真?zhèn)巍⒖焖僭u價(jià)批次塑封器件的抗潮濕性能以及運(yùn)用無損物理檢測技術(shù)有效檢驗(yàn)剔除潛在缺陷，成為了亟待解決的問題。
二、塑封器件無損檢測技術(shù)
無損檢測技術(shù)是指不必打開封裝就能對樣品進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)的技術(shù)。目前，除初始電參數(shù)測試外，外部目檢、X 射線檢查和聲學(xué)掃描顯微鏡檢查是塑封器件主要且有效的三種物理無損檢測技術(shù)。其中，X 射線檢查對 MOS 器件有輻射損傷，在檢測塑封 MOS 器件時(shí)需格外謹(jǐn)慎。
電參數(shù)測試通常按照產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的參數(shù)和功能進(jìn)行，并記錄每個失效器件的失效模式。室溫下初始電測量中若檢出過多不合格品，可能意味著批產(chǎn)品質(zhì)量不佳，可作為替換批產(chǎn)品的依據(jù)。但對于許多電性能檢測無法發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)或制造工藝潛在質(zhì)量問題，物理無損檢測技術(shù)則是一種有效的解決方法。從某種意義上說，電子元器件的物理分析檢測與電性能檢測同樣重要，它不僅可用于元器件的采購質(zhì)量控制，還能進(jìn)行質(zhì)量對比優(yōu)選和真?zhèn)渭夹g(shù)鑒別。物理無損檢測的本質(zhì)是鑒別產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、材料和工藝缺陷，并通過分析缺陷可能產(chǎn)生的后果來評價(jià)產(chǎn)品的可靠性。
2.1 外部目檢
外部目檢依據(jù) GJB 4027A－2006 工作項(xiàng)目 1103 - 2.2 條和 GJB 548B - 2005 方法 2009.1 “外部目檢” 進(jìn)行檢測和判定。塑封器件采用整體模塑封裝結(jié)構(gòu)，包括金屬框架、芯片、芯片與基板的粘接材料、內(nèi)引線以及塑模化合物，沒有封裝空腔，也沒有金屬、玻璃或陶瓷材料形成的氣密性封裝。因此，相對于其他封裝形式的器件，塑封器件無需進(jìn)行氣密性方面的檢查，但必須著重檢查模塑化合物的完整性，對封裝變形、包封層外來物、空洞和裂紋、引線等方面提出了新的檢驗(yàn)要求，同時(shí)需要對（成品）批一致性進(jìn)行評估。
由于國產(chǎn)塑封器件研制起步較晚，整機(jī)廠商常采購國外產(chǎn)品。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，進(jìn)口塑封器件采購中混批情況時(shí)有發(fā)生，且多為質(zhì)量差、可靠性低的器件。混裝樣品很難從原始包裝和正面標(biāo)志辨別，需打開包裝，在 3× 至 10× 放大倍率下檢查樣品外觀，通常檢查型號、批次、產(chǎn)地等標(biāo)識信息是否清晰一致，包封表面有無磨痕、缺損，以此對器件真?zhèn)芜M(jìn)行初步鑒別。常見的異常現(xiàn)象包括器件背面外觀標(biāo)識不一致、包封層表面有明顯磨痕等。
2.2 X 射線檢查
X 射線檢查是利用樣品不同部位對 X 射線吸收率和透射率的差異，通過檢測 X 射線通過樣品各部位衰減后的射線強(qiáng)度，來判斷樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。如今，X 射線透視儀已具備亞微米量級的空間分辨率，能實(shí)現(xiàn)對被測物體的多角度旋轉(zhuǎn)成像，還可通過計(jì)算機(jī)分層掃描技術(shù)提供二維切面或三維立體成像。這種檢查方法不僅能清晰展示被測樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能識別塑封器件內(nèi)部的各種缺陷，如塑料包封的異物和空洞、芯片定位不準(zhǔn)和粘接空洞、引線框架毛齒、鍵合內(nèi)引線偏移和斷裂等設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料和工藝缺陷。
需要注意的是，X 射線檢查并非無損，它可能會使 MOS 等敏感器件暴露在非正常的高劑量下，從而造成損傷。因此，在進(jìn)行 X 射線檢查時(shí)，需要對敏感器件可能受到的輻射影響進(jìn)行評估。近年來，在檢查中發(fā)現(xiàn)不少以次充好的進(jìn)口塑封器件劣質(zhì)品，如鍵合絲下塌、無鍵合引線、同批樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一致（混批）等情況，這些劣質(zhì)品會給電子整機(jī)、系統(tǒng)的運(yùn)行帶來很大隱患。
2.3 聲學(xué)掃描顯微鏡檢查
聲學(xué)掃描顯微鏡利用超聲脈沖探測樣品內(nèi)部的空隙等缺陷。隨著技術(shù)的發(fā)展，聲波信號的探測模式已從單點(diǎn)探測 A - 掃描、截面探測 B - 掃描、截面探測 C - 掃描拓展到多層截面探測 X－掃描、投射探測 T - 掃描等。無論采用哪種模式，對界面缺陷的定位分析都是基于聲波信號在界面反射后是否發(fā)生相位變化來確定界面是否存在缺陷。
塑封器件屬于對潮濕敏感的非氣密性器件，抵抗環(huán)境能力較差，潮氣入侵、腐蝕和應(yīng)力引起的失效較為突出。一旦受到潮氣侵入，在焊接等溫變條件下，塑封器件容易發(fā)生各種作用導(dǎo)致分層，分層部位聚集的水汽或離子在某些條件下（如焊接、溫變）會造成內(nèi)部分層、鍵合損傷、金屬化腐蝕或熱膨脹，甚至出現(xiàn)爆米花現(xiàn)象。聲學(xué)掃描顯微鏡技術(shù)對材料內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)、裂紋、分層缺陷、空隙以及夾雜物異常現(xiàn)象具有高靈敏性和有效性。
標(biāo)準(zhǔn) GJB 4027A－2006 工作項(xiàng)目 1103 - 2.4 條要求將每一只塑封器件分成 6 個區(qū)域進(jìn)行迭層分離，檢查下列包封區(qū)域的內(nèi)部分層、空洞和裂紋：
芯片和模塑化合物的界面；
引線架和模塑化合物的界面（頂視圖）；
引線引出端焊板邊緣和模塑化合物的界面（頂視圖）；
芯片與引出端焊板與模塑化合物的分界面（如果存在）；
引線引出端焊板與模塑化合物的分界面（后視圖）；
引線架和模塑化合物的分界面（后視圖）。
塑封器件以上 6 個界面的內(nèi)部分層或空洞缺陷的典型聲掃圖如圖所示。

對于檢查的塑封器件，如呈現(xiàn)任何下列缺陷均應(yīng)拒收：包括鍵合絲區(qū)域的任何空洞、裂紋和分層；塑封與芯片之間任何可測量的分層；導(dǎo)致表面破碎的包封上的任何裂紋；引腳與塑封剝離（頂視圖或后視圖）；塑封材料與基板分層面積超過其后側(cè)區(qū)域面積的 1/2。