用超声波检测汽车电子零部件（一）

　　汽车制造商需要面临所有汽车电子元件的性能近乎无瑕疵的挑战。在汽车电子系统和电子元件数量迅速增长的时代，有时一辆车就有将近10,000个元件 。制造商的目标并不是每个电子元件的完好无损(这将会太昂贵)，但期望几乎没有明显的能引起功能失效的缺陷。

　　达到此目标意味着测试大多数或所有的电子器件。在塑料封装IC，陶瓷芯片电容器，IGBT模块和其他器件中，声学显微镜可以查找并分析其内部结构特征。它可以看到预期的特征其和各种异常，并可以非破坏性的方式对它们进行超声成像。 Sonoscan的C-SAM®声学显微镜有实验室型，半自动生产型，和快速自动化型。(图1)是DF-2400™快速自动化机型的双工位检测图片。用于确定成像参数的初始成像也可以在实验室或半自动机型上完成，但大多数器件的检测是通过快速显微镜完成的。

　　图1 快速检测DF2400 全自动机上同时扫描两个托盘。

　　器件级超声检测主要由设备和器件的制造商完成，而不是由汽车制造商自己完成。为了获得大的速度和效率，可成像器件可放置在JEDEC托盘中进行成像。常用的反射模式成像遵循以下顺序：

　　a. 超声脉冲换能器在托盘上方以超过1米/秒的速度扫描。

　　b. 换能器每秒将数千个有序的超声脉冲波发射到样品中。每个脉冲在指定的x-y位置进入样品。脉冲以每秒数千米的速度穿过样品中的材料。

　　c. 超声波被内部材料界面反射回波。

　　d. 换能器接收回声波，并记录其信号强度。信号振幅强度将确定声学图像中像素的颜色。

　　即几分之一毫秒后，移动的换能器在下一个x-y位置重复发射接收的动作。

　　超声成像的目的是把样品中的结构异常或缺陷通过图像显示出来，绝大多数结构异常包括材料内部或两种材料之间的分层及气泡，例如塑料封装IC中的芯片表面分层 或沿着引角的分层，或者是倒装芯片凸点接触面的孔洞。样品中的固体材料与空气间隙间的界面会反射回强振幅回波信号，这个信号在原始声学图像中将是亮白色，但固体到空气的反射通常在显示器是伪彩色的红色。固体 与固体界面产生中等振幅回波(灰色像素)，同质材料不产生回波(黑色像素)。除间隙类缺陷外，非间隙类型的异常包括倾斜和翘曲。

　　间隙型缺陷 ，也就是 各种称为非键合，分层，孔隙和裂缝等，对器件可靠性很关键，因为在器件在使用过程中它们有两种导致电气故障的模式。

　　首先，由于正常循环，间隙可以扩大其尺寸。汽车所经历大范围温度变化使得间隙的热膨胀成为潜在的危险。发动机舱内温度通常达到150°C; 温带气候低温可能达到-30°C。因此声学微成像在消除这种潜在的危险起着重要的作用。

　　其次，当水和空气传播并渗透到塑封体内，孔隙可能形成一个腐蚀腔。暴露在引擎盖下的湿度的器件可能会导致这种风险。当分子穿过塑料时，它们倾向于停留在间隙中，只要有十分子厚的水气有就可能引发腐蚀。

　　图2 塑胶封装器件单个托盘的超声图像，红色代表孔隙类缺陷。

　　图2是单个托盘塑料封装IC在DF2400全自动检测系统上得到的图像。图像抓取的是芯片表面这个深度的反射信号，也就只让这个深度的反射信号成像。大多数器件都没有缺陷，但有5个器件显示红色的区域(它们在单色声学图像中是亮白色的。)这些是封装料从芯片表面的分层。这类分层的风险在于它们会扩展并剪断连接芯片表面的金线。

　　图3 排列在托盘上的多层陶瓷电容的超声图像， 白色表示内部分层或裂纹。

　　图3是布置在一块平板上的多层陶瓷芯片电容器的反射模式声学图像的一部分。门控抓取的是电容器的整个厚度上，以便在任何深度对间隙进行成像。电容器主要由交替的电极和电介质薄层组成。层与层之间的水平间隙型缺陷(空隙和非键合)倾向于造成垂直裂缝，这些裂缝在层之间生长成导电通路并导致现场失效。电容器缺陷的后果可能会是增加无线电静电，例如氧气传感器的失灵。图3中的白色区域是分层，即使是小的分层也会导致不合格的电容。

　　成像的过程是由操作员控制的，例如，他可以从频率范围从5 MHz到400 MHz的频率来选择换能器。低频意味着低分辨率但有更强的穿透力。分辨率较低，是因为聚焦超声波的光斑尺寸较大，导致像素较大。用于倒装芯片量产的成像频率通常为230 MHz，这个频率对硅具有良好的穿透性，从而可穿过芯片使下面的填充料及基板成像。用于大多数塑胶封装器件大批量快速检测的换能器频率通常是30到100 MHz。然而，实验室机型可以使用300甚至400MHz的换能器，例如倒装芯片需要非常高的图像分辨率。

　　操作员还可以通过门控选择感兴趣的深度或界面成像，例如，裸片面或倒装芯片中的底部填充料的反射的回波。门控可以根据需要来控制得很窄，以避免使用太宽的门控而导致的不同深度特征的混淆。

　　位于门控上方的空隙类的气泡不会直接成像，而是作为黑色特征(影子)出现在声学图像中，因为它阻挡来自门控上方的声波。如果需要，可以设置多个门控同时使多个深度或层次内部特征生成图像。