國內(nèi)外塑封器件聲掃試驗標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及問題

作者： 趙海龍,裴選,彭浩,宋玉璽（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所） 在此特別鳴謝！

摘要：

由于結(jié)構(gòu)和材料等因素影響，塑封器件中存在一些潛在的缺陷。聲學(xué)掃描顯微鏡檢查是一種無損檢測技術(shù)，能有效識別和剔除有潛在缺陷的器件，降低使用風(fēng)險。該文研究了國內(nèi)外主要的3 類聲學(xué)掃描顯微鏡檢查標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)研究了國內(nèi)最常用的GJB 4027A- 2006 和正在編制的GB/T 4937.35- XXXX，指出了其中存在的問題。

0 引言

塑料封裝作為主要的電子封裝形式之一，近年來隨著芯片設(shè)計業(yè)、制造業(yè)和封裝業(yè)的發(fā)展得到了快速發(fā)展。同時，因塑封料成本低、生產(chǎn)工藝簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢，塑料封裝占據(jù)了整個微電子封裝97%以上的市場。

但是塑封微電路器件(Plastic EncapsulatedMicrocircuits,PEM)結(jié)構(gòu)和材料特殊，常存在一些潛在缺陷，如氣密性不良、易受溫度開裂變形等，塑封器件的結(jié)構(gòu)和缺陷形式如圖1 所示。為了提高塑封器件可靠性，降低使用風(fēng)險，使用前需要對其進(jìn)行篩選、鑒定和DPA等試驗。

聲學(xué)掃描顯微鏡檢查技術(shù)(Scanning AcousticMicroscope,SAM, 簡稱聲掃)是一種非破壞性的試驗方法，能夠有效檢測塑封器件內(nèi)部缺陷而不損壞器件，如器件內(nèi)部空洞、裂紋及各部件之間的離層等。由于聲掃試驗可以獲得其他試驗手段不能獲得的信息而被廣泛使用，但目前國內(nèi)外的聲掃試驗標(biāo)準(zhǔn)較少，給聲掃試驗人員造成了一定的困難。本文對常用的聲掃試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，指出了其中存在的問題。

1 塑封器件SAM 標(biāo)準(zhǔn)概述

目前國內(nèi)常用的聲掃試驗標(biāo)準(zhǔn)主要有GJB 4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》和GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》，本單位正在編制GB/T4937.35- XXXX《半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗方法第35 部分：塑封電子元器件的聲學(xué)掃描顯微鏡檢查》。國外常用的聲掃試驗標(biāo)準(zhǔn)主要有美國NASA 標(biāo)準(zhǔn)PEM- INST- 001: Instructions forPlastic Encapsulated Microcircuit(PEM)Selection, Screening, and Qualification、美國國防部標(biāo)準(zhǔn)MIL- STD883E:Microcircuits Test Method Standard、國際電工技術(shù)委員會國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60749- 35:Semiconductordevices- Acoustic microscopy for plasticencapsulated electric components 和美國聯(lián)合產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IPC/JEDECJ-STD-035:AcousticMicroscopy for Nonhermetic Encapsulated Electronic Components。國內(nèi)外塑封器件SAM標(biāo)準(zhǔn)對照表如表1 所示。

GJB 4027A- 2006 中塑封集成電路聲學(xué)掃描顯微鏡檢查部分是2006 年修訂時新增加的，是目前國內(nèi)進(jìn)行聲掃試驗依據(jù)的主要標(biāo)準(zhǔn)。其內(nèi)容與PEM-INST- 001 相對應(yīng)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改完善。

GJB 548B- 2005 方法2030是芯片粘接的超聲檢測，主要對半導(dǎo)體器件芯片粘接材料中的未粘附區(qū)域和空洞提供接收或拒收依據(jù)，其內(nèi)容與MIL-STD 883E 相對應(yīng)。

GB/T 4937.35- XXXX 是目前本單位正在編制的國家標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容等同采用IEC 60749- 35。此外IPC/JEDEC J- STD- 035 與IEC 60749- 35 內(nèi)容基本一致。

2 GJB 4027A- 2006

本標(biāo)準(zhǔn)工作項目1103 規(guī)定了塑封半導(dǎo)體集成電路的DPA 項目和程序，其中第二章第四條為聲學(xué)掃描顯微鏡檢查，內(nèi)容包括概述、設(shè)備和材料、檢查項目和缺陷判據(jù)。

2.1 檢查項目

將每一只樣品分6 個區(qū)域進(jìn)行迭層分離，檢查下列包封區(qū)域的空洞和裂紋：

(1)芯片和模塑化合物的界面；

(2)引線架和模塑化合物的界面(頂視圖)；

(3)引線引出端焊板邊緣和模塑化合物的界面(頂視圖)；

(4)芯片與引線引出端焊板的粘接界面(如果存在)。這可以使用直通傳輸掃描評估；

(5)引線引出端焊板與模塑化合物的分界面(后視圖)；

(6)引線架和模塑化合物的分界面(后視圖)。

對于安裝在基片上或熱沉上的芯片，芯片粘接檢查應(yīng)按照GJB548A- 1996 方法2030(芯片粘接的超聲檢查)規(guī)定進(jìn)行[1]。

2.2 缺陷判據(jù)

檢查器件時，呈現(xiàn)任何下列缺陷的器件應(yīng)拒收：

(1)塑封鍵合絲上的裂紋；

(2)從引線腳延伸至任一其他內(nèi)部部件(引腳，芯片，芯片粘接側(cè)翼)的內(nèi)部裂紋，其長度超過相應(yīng)間距的1/2；

(3)導(dǎo)致表面破碎的包封上的任何裂紋；

(4)跨越鍵合絲的模塑化合物的任何空洞；

(5)塑封和芯片之間任何可測量的分層；

(6)引線引出端焊板與塑封間界面上，分層面積超過其后側(cè)區(qū)域面積的1/2；

(7)引腳從塑封完全剝離(上側(cè)或后側(cè))；

(8)包括鍵合絲區(qū)域的引腳分層；

(9)連筋頂部分層超過其長度的1/2；

(10)如果不能確認(rèn)內(nèi)部裂紋或疊層分離是否應(yīng)拒收，則需要將樣品剖切并拋光進(jìn)行驗證[1]。

2.3 存在的問題

本標(biāo)準(zhǔn)是目前對塑封器件進(jìn)行DPA、篩選試驗聲學(xué)掃描顯微鏡檢查所依據(jù)的主要標(biāo)準(zhǔn)。但在使用時發(fā)現(xiàn)本標(biāo)準(zhǔn)存在很多問題，對試驗人員造成了一定的困擾，主要問題如下：

(1)檢查項目與缺陷判據(jù)不能一一對應(yīng)，如檢查項目第1 條“芯片和模塑化合物的界面”對應(yīng)的缺陷判據(jù)為第5 條“塑封和芯片之間任何可測量的分層”；

(2)檢查項目中的6 個區(qū)域不能完全覆蓋10 個缺陷判據(jù)中涉及的缺陷形式，如沒有檢查項目與缺陷判據(jù)第1~4 條中提到的裂紋和空洞相匹配；

(3)檢查項目和缺陷判據(jù)中部分描述不夠準(zhǔn)確，如“引線引出端焊板”、“連筋頂部”等指向容易讓人誤解，龍承武等人認(rèn)為將檢查項目中“后視圖”改為“底視圖”、“直通傳輸掃描”改為“透射掃描”、缺陷判據(jù)中“后側(cè)”改為“下側(cè)”更為妥當(dāng)[2]；

(4)檢查項目和缺陷判據(jù)的描述過于籠統(tǒng)，不同試驗人員在使用時容易造成偏差。

3 GJB 548B- 2005

3.1 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)方法2030 是芯片粘接的超聲檢測，針對的是半導(dǎo)體器件芯片粘接材料中的未粘附區(qū)域和空洞。本標(biāo)準(zhǔn)中“芯片粘接界面”指硅芯片和粘接的基板之間的全部區(qū)域，包括芯片粘接材料和芯片之間的界面、芯片粘接材料和基板之間的界面和芯片粘接材料本身[3]。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括試驗?zāi)康?、試驗設(shè)備要求、試驗程序和其他說明。

3.2 檢驗和接收判據(jù)

在器件檢驗中，表現(xiàn)出下列缺陷的器件應(yīng)被拒收：

(1)接觸區(qū)多個空洞總和超過應(yīng)該具有的總接觸區(qū)的50%；

(2)超過預(yù)計接觸區(qū)15%的單個空洞，或超過總預(yù)計接觸區(qū)10%的單個拐角空洞；

(3)當(dāng)用平分兩對邊方法把圖像分成四個面積相等的象限時，任一象限中的空洞超過了該象限預(yù)計的接觸區(qū)面積的70%。

當(dāng)用超聲圖示器件時，對某些種類的安裝材料可能不會顯示出真正的空洞，因此檢測此類器件時，應(yīng)在檢測報告中注明采用的安裝材料[3]。

3.3 存在的問題

本標(biāo)準(zhǔn)僅用于芯片粘接界面的聲掃檢查，適用面較窄。

4 GB/ T 4937.35- XXXX

4.1 標(biāo)準(zhǔn)編制情況

本標(biāo)準(zhǔn)是2016 年第一批國家標(biāo)準(zhǔn)計劃項目，標(biāo)準(zhǔn)名稱為《半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗方法第35 部分：塑封電子元器件的聲學(xué)顯微鏡檢查》，計劃代號為20162477- T- 339，由中華人民共和國工業(yè)和信息化部提出，全國半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC 78)歸口，主要承辦單位為中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，項目起止時間為2016 年12 月～2017 年12 月。

目前本標(biāo)準(zhǔn)已完成立項批復(fù)，編制工作組對等同采用的IEC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了翻譯、研究、分析和比較，到國內(nèi)具有聲學(xué)掃描顯微鏡檢查試驗?zāi)芰Φ膯挝婚_展了深入調(diào)研。通過召開討論會，修改、完善標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，形成了標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿，并編寫了編制說明。編制工作組將形成的征求意見稿及編制說明寄送給有經(jīng)驗的專家，下一步將根據(jù)書面反饋修改意見對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步修改、完善，并召開專家征求意見會。征求意見會之后將形成送審稿依次進(jìn)入審定階段和報批階段。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)為半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗方法，屬于基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)[4]。為保證半導(dǎo)體器件試驗方法與國際標(biāo)準(zhǔn)一致，實現(xiàn)半導(dǎo)體器件檢驗方法、可靠性評價、質(zhì)量水平與國際接軌，本標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC 60749- 35：2006《半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗方法第35 部分：塑封電子元器件的聲學(xué)顯微鏡檢查》。與IPC/JEDEC J- STD-035 相比，聲掃觀察區(qū)域增加了倒裝焊器件頂層未填充/ 模子內(nèi)區(qū)域界面，其余內(nèi)容基本一致。

本標(biāo)準(zhǔn)定義了塑封電子元器件進(jìn)行聲學(xué)掃描顯微鏡檢查的程序，提供了一種使用聲學(xué)掃描顯微鏡對塑料封裝進(jìn)行缺陷(分層、裂紋、模塑化合物空洞等)檢測的方法，這種方法可重復(fù)進(jìn)行并且沒有破壞性。主要內(nèi)容包括范圍、術(shù)語和定義、試驗設(shè)備、試驗程序和資料性附錄部分。

本標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)給出了聲掃試驗所涉及的術(shù)語和定義，包括掃描模式(A 模式、B 模式、C 模式、透射模式)、觀察區(qū)(基板背面觀察區(qū)、芯片粘接層觀察區(qū)、芯片表面觀察區(qū)、引線框架觀察區(qū)(L/F)、芯片側(cè)基板觀察區(qū)、倒裝焊器件頂層未填充/ 模子內(nèi)區(qū)域)、掃描參數(shù)(焦距(FL)、焦面、傳輸時間(TOF))和兩種聲學(xué)顯微鏡(反射聲學(xué)顯微鏡、透射聲學(xué)顯微鏡)。

試驗設(shè)備部分列出了反射聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)和透射聲學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的組成部分、參考件或標(biāo)準(zhǔn)件要求和樣品固定裝置要求。

試驗程序部分包括換能器選擇、設(shè)置確認(rèn)、樣品放置、換能器調(diào)整、聚焦和聲掃試驗，其中聲掃試驗包括異物檢查、潛在圖像缺陷、評價和記錄。

附錄A 是一個聲掃參考樣例，列出了所有需要檢查的界面及詳細(xì)記錄試驗結(jié)果的參考模板，附錄B 給出了潛在圖像缺陷和可能的原因，附錄C 給出了聲學(xué)顯微鏡方法的一些局限及解釋，附錄D 是當(dāng)前可用的掃描數(shù)據(jù)參考清單。附錄對于試驗操作人員解決試驗中遇到的實際問題有很大的指導(dǎo)意義。

4.3 存在的問題

本標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)重點(diǎn)在于術(shù)語和定義、試驗程序以及對聲掃圖像中的異常現(xiàn)象和聲學(xué)掃描顯微鏡的局限進(jìn)行解釋，試驗程序評價部分缺少失效判據(jù)，需要用相關(guān)規(guī)范詳述的失效標(biāo)準(zhǔn)評價聲學(xué)圖像。因此，在使用本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行聲學(xué)掃描顯微鏡檢查時要與其他標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范結(jié)合使用。

5 結(jié)論

綜上所述，目前國內(nèi)外塑封器件的聲掃試驗標(biāo)準(zhǔn)主要有3 類，各有優(yōu)缺點(diǎn)。GJB 4027A- 2006 和PEM- INST-001 有明確的檢查項目和缺陷判據(jù)，但標(biāo)準(zhǔn)描述過于簡單，不利于試驗人員使用。GJB 548B- 2005 和MIL-STD883E 僅針對芯片粘接界面，適用范圍較窄。GB/T4937.35- XXXX(制定中)和IEC 60749- 35(或IPC/JEDECJ- STD- 035)有詳細(xì)的試驗程序說明，但缺少失效判據(jù)部分。因此，建議在進(jìn)行聲學(xué)掃描顯微鏡檢查時幾類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合使用，下一步需要繼續(xù)完善聲掃標(biāo)準(zhǔn)體系。