摘要：随着塑封器件质量与可靠性的提升，塑封器件在航空、航天、军用领域的应用越来越广泛。但是封装缺陷是塑封半导体器件常见的可靠性问题。声学扫描检测技术是一种基于 超 声 波 反 射 成 像 的 无 损 检 测 技 术，可以 有 效 的 检 测 塑 封 器 件 各 类封

塑封 半 导 体 器 件 特 殊 封 装 缺 陷 的 声 学 扫 描 检 测

李 智 闫玉波 钟 炜 王志林

（中国航天科工集团第三研究院第三〇三研究所）

摘 要：

随着塑封器件质量与可靠性的提升，塑封器件在航空、航天、军用领域的应用越来越广泛。但是封装缺陷是塑封半导体器件常见的可靠性问题。声学扫描检测技术是一种基于 超 声 波 反 射 成 像 的 无 损 检 测 技 术，可以 有 效 的 检 测 塑 封 器 件 各 类封装缺陷。简要介绍了塑封半导体器件内部材料、界面 分 层 缺 陷 及 相 关 失 效 机 理，并基 于 裸 露 散 热 基 板 的 塑 封 器 件、无键 合引线的塑封器件和 ＢＧＡ 封装塑封器件的声学扫描检测实例，对声学扫描检测技术在塑封器件内部缺陷检测方面的应用进行了深入分析探讨，通过对比国军标和美军标的相关判据，对部分特殊的封装缺陷提出了合适的参考判据和检测依据。

０ 引 言

近年来，由于塑封半导体器件（简称塑封器件）可靠性的不断提高，同时具备在尺寸、重量、成本和可获得性等方面的优点，其在高可靠性领域的应用越来越广。但是由于其模塑化合物封装工艺的固有特点，塑封器件的应用不可避免潮气入侵、腐蚀、分层、开裂等可靠性风险，直接影 响其长期可 靠 性。 声学 扫 描 显 微 镜 （ｓｃａｎｎｉｎｇａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉ－ｃｒｏｓｃｏｐｅ）技术可以有效 的 检 测 出 由 于 塑 封 器 件 的 固 有 材料和结构特点引起的分层、空洞、裂纹等缺陷，同时具有无损的特点［１－２］，已经逐 渐 成 为 一 种 对 塑 封 器 件 在 高 可 靠 性领域应用至关重要的检测手段。

１ 塑封器件内部材料、界面 分 层 缺 陷 及 相 关 失 效机理介绍

和传统的密封器件相比，塑封器件是一种对潮气敏感的非 气 密 性 （ｎｏｎｈｅｍｅｔｉｃ）器件。 根据 美 国 航 空 航 天 局（ＮＡＳＡ）的调查报告，塑封器件在暴露到空气中大概 ２４ｈ之内就 会 达 到 潮 气 入 侵 的 “饱和 ”。 空气 中 存 在 着 超 过１３０种可以影响模塑材料的大气污染物，这些污染物和水分子会穿过模塑化合物到达器件内部。如果水汽入侵，在回流焊工艺的高温下器件内部的水将会转化为水蒸气，其产生的压力可以导致塑封材料不同界面间产生分层，空洞或者裂纹，甚至 器 件 开 裂 的 “爆米 花”效应［３－５］，如图 １ 所示。空气中污染物 的 入 侵 将 会 加 快 金 属 表 面 的 离 子 电 迁移，导致金属腐蚀，或者催化引发柯肯德尔（ＫｉｒＫｅｎｄａｌｌ）效应，造成键合失效。

声学扫描显微镜 利 用 超 声 波 在 不 同 界 面 中 传 播 时 反射相位不同的原理，可以有效的检测不同封装结构的塑封器件内部的分层、空洞、裂纹 等 缺 陷［６］。本文 采 用 探 头 频率３０ ＭＨｚ和５０ ＭＨｚ的超 声 波 扫 描 显微 镜 对 不 同 封 装结构的塑封器件进行检查，以对其内部缺陷进行有效的判定和分析。

２ 不同结构塑封器件的声学扫描检测

２．１ 裸露散热基板的表面安装塑封器件

２．１．１ 封装结构特点

随着表 面 贴 装 技 术 （ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和大封装尺寸的应用，由水汽入侵引起的塑封器件内部分层缺陷逐渐引起大家的 重 视。表面 贴 装 器 件 的 小 尺 寸 趋 势 使得芯片到基板和塑封外表面的距离越来越小，而这一厚度又恰是决定塑封器 件 潮 气 敏 感 性 的 重 要 因 素 之 一。越小的厚度带来 更 高 的 可 靠 性 风 险。为此，半导 体 工 业 不 断尝试新的技术和方法来改善表面贴装的 塑 封 器 件 的 可 靠性。美国德州仪器公 司 （ＴＩ）采用 了 具 有 ＰｏｗｅｒＰａｄ专利的 ＰＷＰ封装。以该 公 司 生 产 的 ＴＰＳ７６７Ｄ３０１ＰＷＰ 型电压调整器为例，该器 件 基 于 传 统 的 ＴＴＳＯＰ 封装，在器 件背面裸露了一部分 基 板 从 而 起 到 加 强 散 热 作 用 （ｅｘｐｏｓｅｄｔｈｅｒｍａｌｐａｄ），其外 观 和 内 部 Ｘ 射线 结 构 如 图 ２、图 ３所示。

２．１．２ 声学扫描显微镜检查出现的问题

尽管这种封装结构在散热方面存在优势，但在声学扫描显微镜检查时出现了新问题：

１）由于裸露基板的原因，不存在背面塑封材料与基板界面（后视图），根据 ＧＪＢ４０２７Ａ－２００６工作 项 目 １１０３的规定，只对 其 内 部 的 ５ 个界 面 进 行 有 效 声 学 扫 描 显 微镜 检查，在后视图时只需 要 对 塑 封 材 料 与 引 线 架 界 面，芯片 与基板粘接界面进行检查。

２）在对器件后视图进行声学扫描检查时，由塑封材料与引线架界面分层，引脚从塑封完全剥离造成的不合格比例很高。经过对某 航 天 研 究 院 该 型 号 器 件 近 一 年 的 破 坏性物理分析（ＤＰＡ）和筛 选 数 据 统 计，发现 在 １６ 个不 同 批次的 ＤＰＡ 试验中出现 了 １３ 个批 次 的 声 学 扫 描 显 微 镜 检查不合 格，且缺 陷 均 为 “塑封 与 引 线 架 界 面 分 层 （后视图）”，典型照片如图４所示。对部分不合格批次器件进行了全部声学扫描显微镜检查，结果每一批次的不合格率均超过了 ＱＪＢ１０３中对塑封表贴封装要求的２０％，而且不合格缺 陷 中 “塑封 与 引 线 架 界 面 分 层 （后视 图）”的比 率 超过９８％。

对该公司采用 裸 露 散 热 基 板 的 ＰＷＰ 封装 结 构 的 其他型号塑 封 器 件 进 行 的 ＤＰＡ 实验 都 有 着 类 似 的 结 果。可见 采 用 裸 露 散 热 基 板 的 ＴＳＳＯＰ 封装 结 构 有 很 高 的 概率在引线架和塑封材料界面（后视图）出现 引 脚 完 全 剥 离的分层。

２．１．３ 引脚后侧分层缺陷分析

目前国内对于塑 封 器 件 的 声 学 扫 描 显 微 镜 检 查 仅 在ＧＪＢ４０２７Ａ－２００６工作 项 目 １１０３ 第 ２．４ 条规 定 了 适 用 于ＤＰＡ 的判定标准，其他如航天科工标准 ＱＪＢ１０３等均引用该条进行检查。美国 ＮＡＳＡ 发布的 ＰＥＭ－ＩＮＳＴ－００１对塑封微电路的选择、筛选 和 鉴 定 均 提 出 了 具 体 的 要 求，其中筛选（ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ）项目对于声 学 扫 描 检 查（Ｃ－ＳＡＭ）只要 求进行正面（ｔｏｐｓｉｄｅ）的检 查，只有 对 功 率 器 件 要 求 从 背 面进行芯片粘接的检 查 （有热 沉 或 基 片 结 构）。其缺 陷 判 据也由其中用于 ＤＰＡ 的６个界面８个缺陷缩减为３个。对于塑封器件，可能引入污染和腐蚀的键合丝区域的引脚分层和芯片表面的分层是最值得关注的部分，位于器件正 面的这两个界面都由键合丝和引脚提供了 从 外 部 连 接 芯 片金属化的通道。在 ＰＥＭ－ＩＮＳＴ－００１中规定进 行 筛 选 的 声学扫描显微镜检查的器件，应该在结束后进行１ｈ１２５℃的烘烤，以除去在 进 行 超 声 波 检 查 时 浸 入 用 作 耦 合 的 去离子水中带来的潮气影响。而国内对 于 声 学 扫 描 显 微 镜检查本身引入的 潮 气 入 侵 危 害 并 没 有 相 应 的 预 防 规 定。因此，如果按照美国 ＮＡＳＡ 的标 准 对 塑 封 器 件 进 行 筛 选和鉴定，那么这 种 ＰＷＰ 结构 的 器 件 即 使 在 ＤＰＡ 中出 现引脚后侧分层缺 陷 导 致 的 不 合 格，其筛 选 也 可 以 通 过 声学扫描显微镜检测，满足 ＮＡＳＡ 对塑 封 器 件 空 间 使 用 的要求。

另一方面，美国 的 联 合 工 业 标 准ＩＰＣ／ＪＥＤＥＣＪ－ＳＴＤ－０２０规定了非气密表面安装器件的潮气／回流敏感等级划分试验，该标准规定了在声学扫描显微镜检查之前进行的一系列烘烤、潮气入 侵 和 回 流 模 拟 等 试 验，充分 考 虑 了 实际应用中的各项应力影响。在其６．２条“需要后续分析的判据”中说明对通过 了 电 性 能 测 试 的 表 面 安 装 器 件，如果发现后侧分层出现在基板，散热片，或者芯片背面（对于引线架在芯片上的器件），但是 没 有 证 据 出 现 裂 纹 或 者 其 他分层 的 话，器件 同 样 视 同 通 过 了 该 等 级 的 潮 气 敏 感 度试验［７－９］。可见该标准并未将器件背面的分层作为一项关键判据。

２．２ 无键合引线的塑封半导体分立器件

随着对器件小型 化、轻量 化 的 要 求，塑封 分 立 器 件 也逐渐进入航空航天等高可靠性领域。利用 ＤＰＡ 分析可以对其批质 量 进 行 评 价［１０－１３］。 塑封 分 立 器 件 的 ＤＰＡ 参考ＧＪＢ４０２７Ａ－２００６ 工作项目 １１０３ 塑封 半 导 体 集 成 电 路 和ＧＪＢ１２８Ａ－１９９７半导体分立器件实验方法，其声学扫描显微镜 检 查 参 考 ＧＪＢ４０２７Ａ－２００６ 工作 项 目 １１０３ 第 ２．４条［１４－１５］。但是由于该 类 器 件 在 封 装 结构 上 和 塑 封 微 电 路多有不同，因此在声学扫描显微镜检查中需要观察点和缺陷判据都有待分析和讨论。

以 ＰＡＮＪＥＴ 公司生 产 的 ３．０ＳＭＣＪ９０Ａ 为例，该器 件是一种塑封表面 安 装 的 瞬 态 电 压 抑 制 （ＴＶＳ）管。其外 观形貌如图４所示。对该器件进行 Ｘ 射线检查，可见其内部结构是由上下两层基板粘接中间的芯片形成电连接，两基板向器件两侧引出形成外引脚用于表面安装，所以其基板本身也代替了引线 架 的 作 用，内部 也 不 存 在 键 合 丝 互 连，如图５、图６所示。

在对该型号器件进行声学扫描显微镜检查时，发现器件的塑封材料与引线 架 界 面 和 塑 封 材 料 与 基 板 界 面 均 存在分层，如图 ７ 所示。按 ＧＪＢ４０２７Ａ－２００６ 工作 项 目 １１０３第２．４条中的规定，器件的塑封材料与引线架界面存在包括键合丝区域的引脚分层，或者塑封材料与基板界面分层超过其后侧面积 的 １／２ 都属 于 标 准 判 据。但是 通 过 对 该器件的内部结构进行观察，发现虽然其外管脚都向一侧弯曲用于表面安装，但是 其 内 部 结 构 是 正 反 两 面 对 称 的，所以对基板的 分 层 应 该 在 正 面 和 后 面 都 进 行 缺 陷 的 判定。同时，该 ＴＶＳ管采用基板直接作为外部电连接，对基板边缘的检查应采用塑封材料和引线架界面的相关判据，而这种结构在芯片和引线架上均不存在键合区域，所以不存在包括键合丝区域的 引 脚 分 层 这 一 缺 陷。对该 批 器 件 进 行筛选，表现出良好的电性能合格率。参考相关标准，对该器件的声学扫描显微 镜 检 查 结 果 应 该 是 在 塑 封 材 料 与 引线架界面、塑封材料 与 基 板 界 面 存 在 分 层 未 超 标，给出 合格的结论。

２．３ ＢＧＡ 封装塑封半导体集成电路

随着电子 产 品 向 高 密 度 和 高 集 成方 向 的 发 展，ＢＧＡ（球栅阵列）封装因为具有更小的引线间距、更高的焊点密度、更短的引线长度、更平整的焊接平面等优点，在高可靠性领域的应用比例逐渐增大。

对于 ＢＧＡ 封装集成电路的 ＤＰＡ 实验，可以参考 ＧＪＢ４０２７Ａ－２００６工作项目 １１０３ 塑封 半 导 体 集 成 电 路 和 ＧＪＢ５４８Ｂ－２００５ 微电子 器 件 试 验 方 法 和 程 序 进 行。 但是 由 于该类器件在封装结构上的特殊性，背面覆盖了大量的球栅阵列，所以在声学扫描显微镜检查中只对器件的塑封材料与芯片界面、塑封 材 料 与 ＰＣＢ 界面 进 行 有 效 的 声 学 扫 描显微镜检查。

以 ＴＩ公司生产的 ＴＭＳ３２０Ｃ６７１３ＢＧＤＰＡ２００为例，该器件为 ＢＧＡ 封装的 ＤＳＰ处理器，其外观和内部 Ｘ 射线照片如图８所示。在对其进行声学扫描显微镜检查中，发现在塑封材料内部存在空洞。根据 ＧＪＢ４０２７Ａ－２００７工作 项目１１０３第２．４．４．ｄ条，“跨越键合丝的模塑化合物的任何空洞”的缺 陷 应 拒 收，否则 缺 陷 判 定 为 空 洞 未 超 标。 如图９所示。

由 ＡＬＴＥＲＡ 公司 生 产 的 ＥＰ２Ｃ５Ｆ２５６Ｉ８Ｎ 器件 同 样采用塑封 ＢＧＡ 封装 的 现 场 可 编 程 门 阵 列 电 路 （ＦＰＧＡ）。其外观和 Ｘ 射线照片如图１０所示。对某批次该器件进行声学扫描显微镜检查时，发现其在 ＰＣＢ 内部存在裂纹，对其采用 Ｑ－ＢＡＭ 虚拟切面扫描，可以清晰的看出裂纹几乎贯穿 ＰＣＢ基板，如图１１所示。但是此裂纹仅存在于 ＰＣＢ内部，没有延伸到塑 封 材 料 内 的 其 他 部 件，而且 在 国 军 标中并没有对应的缺陷判据，只能作为非标准规定的缺陷提出，不能判定为不合格结论。

３ 结 论

本文基于几种封 装 结 构 塑 封 半 导 体 器 件 的 声 学 扫 描检测实例，对声学扫描检测技术在塑封器件内部缺陷检测方面的应用进行了 分 析 探 讨。对部 分 特 殊 的 封 装 缺 陷 提出了合适的参考判 据 和 检 测 结 论。为保 证 塑 封 半 导 体 器件的推广应用，未来有必要针对高可靠产品的质量保证需求提出合适的检测标准或规范，以指导各类塑封器件在筛选、ＤＰＡ 过程中声学扫描显微镜检查项目的开展。

来源：半导体封装工程师之家一点号