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干貨分享 | 從原理到應(yīng)用,解讀超聲波掃描顯微鏡的神奇 “探測(cè)術(shù)”

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原創(chuàng)
2025-05-08 17:00:00
技術(shù)文章
作者: SGS_SEMI
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在電子封裝、材料科學(xué)以及芯片制造等前沿領(lǐng)域,超聲波掃描顯微鏡(Scanning Acoustic Microscopy,簡(jiǎn)稱 SAM)作為一種基于超聲波技術(shù)的非破壞性檢測(cè)工具,發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在 AEC-Q100、AEC-Q101、AEC-Q006 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,明確要求在應(yīng)力前后對(duì)核心部件進(jìn)行 SAM 掃描,以此來細(xì)致檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化。接下來,SGS帶你深入了解 SAM 的工作原理及其在實(shí)際中的應(yīng)用。

超聲波掃描顯微鏡(SAM)的工作原理

1. 超聲波的發(fā)射與接收
SAT通過壓電換能器發(fā)射高頻超聲波(通常為5-300MHz),穿透被測(cè)樣品(如芯片封裝結(jié)構(gòu))。當(dāng)超聲波遇到材料界面或缺陷(如分層、空洞)時(shí),會(huì)因聲阻抗差異產(chǎn)生反射或投射信號(hào),接收器捕獲這些信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。


2. 成像機(jī)制

  1. 脈沖回波模式(Pulse-Echo):通過分析反射波的振幅和時(shí)間延遲,重建樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫截面(C-Scan)或縱向截面(B-Scan)圖像。如下圖,通過聚焦不同相位的波形,可以聚焦顯示不同層面的結(jié)構(gòu),在波形時(shí)間圖中,從左到右,波形依次為compound表面-compound內(nèi)部-die表面-underfill填充-pad表面,通過框選die表面部分的波形和Pad表面部分的波形進(jìn)行掃描,便能分別得到Die表面的SAT圖像和Pad表面的SAT圖片。

    案例圖:

    圖一
  2. 透射模式(Through Transmission):檢測(cè)穿透樣品的超聲波能量,適用于高衰減材料的缺陷檢測(cè)。


檢測(cè)案例分享

1. 利用高頻探頭檢查chip與bump連接

  • 掃描Flip chip的bump球時(shí),通常要選取采用120MHz~ 200MHz,來兼顧較高的穿透能力和較好的圖像質(zhì)量。
  • 200MHz 以上探頭由于穿透能力較差且焦距較短,無法穿透Compound& Die層面從而掃描出bump,一般僅用于裸die的Flip chip掃描。

2. 利用SAM檢測(cè)Lead Frame邊緣的分層
部分Lead Frame樣品在試驗(yàn)后出現(xiàn)lead邊緣分層,在SAM圖像中,表現(xiàn)為引腳缺失部分,這是由于分層的存在,導(dǎo)致水可以更快進(jìn)入lead與compound中的gap中,從而導(dǎo)致lead掃描時(shí)不完整。通過烘烤蒸發(fā)水分后,快速掃描定位即可發(fā)現(xiàn)lead邊緣處的分層。


案例圖:

圖二

SAM與X-RAY的關(guān)系

  • SAM與X-Ray是互不矛盾、相互補(bǔ)充的非破壞性檢測(cè)手段和工具。
  • X-Ray射線成像操作采用的是穿透模式,得到整個(gè)樣品厚度的一個(gè)合成圖像。
  • SAM基于反射回波模式(CSAM)產(chǎn)生的圖像可以清晰的將產(chǎn)品不同層面展現(xiàn)出來。
  • X-Ray對(duì)材料內(nèi)部分層、微小裂紋和虛焊等缺陷非常不敏感,難以反映產(chǎn)品內(nèi)部輕微的分層。
  • SAM對(duì)物體內(nèi)部的分層非常的敏感,分層能阻斷超聲波的傳播;確定焊接層、結(jié)合層的完整性是SAM獨(dú)特的性能。


案例圖:

圖三

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