电子器件的扫描声显微镜失效分析

扫描声学显微镜，或SAM，是一种非破坏性的技术，用于失效分析复杂的设备。SAM可以提供低至亚微米厚度的分辨率。SAM是一种有效的工具，用于分析层之间的粘附性和每层中可能存在的缺陷。这可以用于例如密封，涂层，倒装芯片底填充，BGA, QFN，晶圆到晶圆键合等的研究。

在SAM中，超声波通过液体和固体传播。当声阻抗发生变化时，例如在内部缺陷的界面/边界处，材料的变化或同一材料中密度的变化，就会发生部分反射和透射。反射信号的振幅、极性和飞行时间提供了重要的信息。

材料的特征声阻抗Z由

Z =r.v

式中，ρ =材料的密度，v =材料中的声速。

图1。SAM的基本工作原理。左侧为分层/气隙，左侧为良好的附着界面结构。

图2所示。脉冲回波模式操作SAM仪器示意图。

空气的特性阻抗比固体低几个数量级，这导致几乎100%的反射。这种在气隙/分层处的全反射使SAM在所有类型结构的界面质量调查中独到之处。在SAM设备中，用一种液浴——耦合器——在换能器和样品之间传递声波。由于实际原因，水传统上被用作偶联剂。SAM的工作原理如图1所示。

P_R= cat (z₂- z₁）│/ (Z₂+ Z₁) P_Tz = 2₂/ (Z₂- z₁）

P_我=入射波振幅，P_R=反射波振幅和P_T=透射波振幅。由反射公式可知，特征阻抗差越大，反射信号幅值越高。

扫描声显微镜的结构示意图如图2所示。它包括:

• 一种压电换能器，它通过液体耦合器将声波脉冲送入样品。在脉冲之间，接收器接收样品反射的回波。在C-SAM发射机和接收机中，采用相同的压电换能器，在脉冲发送和回波接收两种模式之间进行电子切换。
• 机械扫描单元，使信号聚焦到感兴趣的区域和光栅扫描样品。
• 由软件系统提供扫描和数据分析的控制单元或PC机。

有两种检测方式;脉冲回波和穿透传输模式。反射信号用于脉冲回波模式成像，而传输信号用于穿透传输模式成像。

脉冲回波模式可以确定和定位大块材料的分层、缺陷和空洞，并提供高空间分辨率的图像。另一方面，透传图像的空间分辨率较低，无法定位大块样品中的缺陷位置。穿透传输模式作为脉冲回波模式发现和BGA扫描的补充工具。

地对空导弹的空间分辨率随频率的增加而增加，但频率的增加同时意味着情人深度信息的增加。低频和高频换能器之间的权衡在于穿透深度和分辨率。

案例故事
在介绍了扫描声显微镜的工作原理之后，我们将介绍一些用SAM技术研究的实例。下面是四个不同的案例，展示了SAM技术如何实际有效地检测故障。由于样品的保密性质，对样品细节的说明有限。

倒装芯片器件中底填材料中的空隙
A公司在安装在PCBA上的倒装芯片设备中遇到了短暂故障。客户认为焊锡球之间的底填材料存在空隙，导致回流焊过程中短路。采用x射线分析进行研究。x射线检测到现有的短路，但没有空洞。

采用SAM技术对器件进行无损分析。通过环氧模侧进行SAM分析。由于PCBA的双面和填充结构，通过衬底侧扫描效果不够好。图3所示为原始样品上的示范性SAM显微照片。排中焊料球之间的矩形白色纹理显示有空隙。

图3所示。原始样品的SAM显微照片。焊料球之间的白色矩形纹理意味着底填料材料中存在空隙。

图4拆模后SAM显微照片，采用超高频换能器。

在SAM分析中，非曲面和平面通过保持曲面聚焦和防止x-y平面扫描期间信号的衍射来帮助实现最佳结果。在这种情况下，表面是粗糙和弯曲的。因此，诸如100mhz和UHF(超高频)传感器这样的高频传感器是无用的。

对于清晰的图像，采用温和研磨的方法对顶部环氧模具进行破坏去除。这使得高频传感器的使用和结果更好的分辨率。

通过随后的破坏分析，证实了所有的底填充空隙都是在拆卸模具后通过光学检查检测到的，已经在SAM分析中检测到。

圆形物体的分层研究
B公司的一个子组件出了问题。造成这一问题的原因是由于环氧胶囊与金属沉积陶瓷电极之间的分层。该设备具有圆形结构，长度为几十毫米，周长约为10毫米。破坏性分析技术，如横截面，已成功用于分层检测，但客户B想要一种无损分析选项。

尽管SAM通常用于平面物体，但圆形物体的使用也在增加。通过使用50 MHz换能器旋转设备，沿着设备沿约0.5 mm宽的窄扫描线在多个位置执行。所得到的SAM显微照片如图5所示。在DELTA进行SAM分析之前，客户希望图像中的设备有部分分层。

图5所示。部分分层期望器件的SAM显微图(A)与对应的B扫描(截面扫描)，对应的扫描显微图(B)的相位门模式图像。

从图5中可以看出，使用了不同的扫描可能性模式，对分层区域和非分层区域显示了一致的看法。在SAM中，使用不同的扫描模式来确认结果是很重要的，因为这可以使操作员在做出最终结论之前正确地解释结果。

为了验证SAM结果，采用染料渗透试验来突出分层区域并进行目视观察。所得到的部分分层器件的立体显微镜图像如图6所示。图像上的黄线显示了沿着设备的扫描线。

图6所示。部分分层预期器件的光学显微图，黄线表示沿器件的示范性扫描线。扫描开始处的红色区域显示了界面的分层部分，与图5中给出的SAM结果一致。

涂层质量。阻焊层中空隙的研究
SAM技术通常用于涂层质量研究，如厚度测量、污染物侵入、分层和困住气泡/空隙。

客户C想调查用于空洞的焊锡掩模的质量，该空洞作为一个湿气陷阱，从长期来看会导致PCBA组件中与湿气相关的腐蚀故障。

在图7中，SAM显微照片与相同样品的截面SEM(扫描电子显微镜)图像一起给出。对试样进行破坏截面后，得到扫描电镜图像。为了进行分析，SAM在几分钟内扫描出了所有的空洞。使用的另一种方法是在随机位置进行横切，随后进行扫描电镜检查空隙，然后对整个表面积进行插值。SAM无损地为透明和不透明涂层提供了这种类型的分析-涂层中的空洞。

图7所示。PCBA的SAM显微照片(A)和PCBA横断面分析的SEM图像(B)。SAM显示了几分钟内一次扫描的总空洞数量。也可用扫描电镜结合截面和插值结果对PCBA的整个表面积进行分析。

过时的部件重新镀锡
D公司储存了“上次购买”的部件，但需要重新镀锡，以便在无铅工艺中使用。随后对组件进行功能测试。即使组件通过了功能测试，客户还是要求进行SAM分析。所得结果如图8所示。

图8所示。三种过时smd的SAM显微照片。设备顶部和背面SAM显微照片一起展示。相位门模式用于突出显示分层接口，便于理解扫描结果。从PCBA中取出后提供后侧显微照片。

结论
SAM是一种用于失效分析的无损技术，本文介绍了它在不同目的下的广泛应用。与相同目的的其他方法相比，SAM实用且耗时较少。在这篇文章中，不同主题的SAM分析的成功和失败被证明:

• 倒装芯片集成电路底填材料中的空隙
• 圆形物体的环氧外壳和金属电极之间的分层
• 气泡焊罩涂层质量-透明涂层和不透明涂层
• 重新镀锡的过时部件的分层和爆米花失效

确认
本文是在“基于可靠产品开发的故障物理学”项目下发布的，该项目由丹麦DELTA公司开展。