基于超聲掃描顯微鏡的金屬封裝檢測研究

魏 鵬，周慶亞，連軍莉，黃曉鵬

(中國電子科技集團公司第四十五研究所,北京 100176)

金屬封裝是采用金屬作為殼體或底座，芯片直接或通過基板安裝在外殼或底座上，引線穿過金屬殼體或底座大多采用玻璃－金屬封裝技術的一種電子封裝形式。它廣泛應用于混合電路的封裝，主要是定制的專用氣密封裝，金屬封裝形式多樣、加工靈活，可以和某些器件（譬如混合集成的A/D 或D/A 轉換器）融合為一體，適合于低I/O 數的芯片和多芯片的用途，也適合于射頻、微波、光電、聲表面波和大功率器件，可以滿足高可靠性的要求。在金屬封裝件的生產過程中，由于電子束焊設備、工裝夾具、焊接工藝等種種原因，在焊接過程中難免會產生各種焊接缺陷，如氣孔、焊偏、熔焊深度不足、裂紋等。缺陷的存在直接影響金屬封裝件的性能，因此，通常要求對封裝件進行無損檢測，以便對金屬封裝的質量進行評價。

由于金屬封裝需要檢測內部的缺陷，常規的無損檢測技術很難滿足檢測的要求，超聲掃描顯微鏡可以對金屬封裝內部進行無損檢測，筆者就采用超聲掃描顯微鏡對金屬封裝進行檢測研究。

超聲掃描顯微鏡是一種用來檢測物體內部結構、缺陷的無損檢測設備，可用來檢測器件內部的分層、氣孔、裂縫和夾雜等缺陷，而且在判別密度差異、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀的變化方面也具有一定的能力。其掃描模式主要有透射和反射兩種模式。反射掃描主要分析超聲波在分層或者缺陷上的反射波，可以確定缺陷的位置和尺寸，具有A、B、C、多層、TAMI 等多種檢測方法。本文采用反射掃描方式對金屬封裝進行檢測。

1 超聲掃描顯微鏡工作原理

圖1為超聲掃描顯微鏡系統框圖。超聲波發射接收器產生特定頻率(5 MHz～2 GHz)的超聲波脈沖，通過耦合介質（如去離子水、酒精等）到達樣品。由于超聲能量的傳遞要求介質是連續的，所以如氣孔、雜質、分層、裂紋等不連續界面都會干擾超聲信號傳播或導致超聲信號發生反射。當超聲波信號通過樣品的時候，由于不同材料聲阻抗的不同，在有缺陷或粘結不良的界面會出現反射波。超聲波換能器接收到的反射回波信號通過超聲波發射接收器傳輸給數據采集卡，回波信號經過處理，以波形的方式顯示在屏幕上。而波形對應的器件內部圖像也可以展示在操作界面上。三軸運動系統帶著超聲波換能器對被測器件進行高速掃描，最終得到一張相應界面的高分辨率超聲波圖像。

圖1 超聲掃描顯微鏡系統框圖

2 超聲掃描顯微鏡聲學原理

超聲波信號在材料中沿傳播方向的波動方程為：

式中：Pi0表示聲波的幅度函數；k為波數，且k=ω/c；ω為角頻率；c為聲速。

聲波在探測面的反射波為：

底面反射波為：

由于缺陷與材料阻抗有差異，超聲波遇到缺陷（在材料內部任意一點處）會有反射信號Prd(x，t)：

由(4)式可知缺陷反射波比探測面反射波滯后xi/c，比底面波超前(xT-xi)/c，若以x=xi為切面，則可以得到超聲波在材料中沿傳播方向任意一點的入射波。

獲取缺陷關于x 軸方向的層深信息，僅僅憑借C 掃描獲取的數據比較困難，因此需要借助超聲信號的A 超顯示，給缺陷定位：

式中：d為缺陷至換能器的距離，v為超聲波信號在材料中的聲速。

根據(5) 式得出聲波從探測面到缺陷的傳播時間,然后根據采樣頻率得出缺陷波在所采集得到的數組中的位置，這樣在C 掃描過程中，通過定義缺陷波的位置，提取信號特征值，實現缺陷所在x 軸層深面的顯示。

3 超聲檢測實現

利用成熟的超聲掃描顯微鏡設備，對金屬管殼封裝進行檢測，需要進行以下步驟

（1）首先在示波器波形上設置前表面門和數據門，門的要素有門的閾值大小，門的開始時間和長度大小；

（2）設置一個掃描的區域，這個區域包括區域的長度和寬度；

（3）設置掃描分辨率的大小；

（4）設置設備的數據采樣頻率；

（5）設置掃描的起始點；

（6）即可開始掃描并得到掃描圖像。

通過以上設置方法對兩個典型的金屬封裝樣品進行檢測實驗，得到它們的掃描結果C 掃描圖像如圖2、圖3所示。

圖2 方形金屬封裝件的實物圖和C 掃描圖像

圖3 長條形金屬封裝件的實物圖和C 掃描圖像

從圖2（方形金屬封裝件的實物圖）和圖3（長條形金屬封裝件的實物圖和C 掃描圖像）的C 掃描圖像可以看出，根據超聲波傳播的特性，超聲波在傳播過程中，如果遇有氣泡或者空隙，就會進行全反射，超聲波信號無透射。分析圖2和圖3 中的C 掃描圖像，圖像的灰度值比較小的地方說明超聲波在此處的透過性較好，反射的超聲波比較少，此處的金屬封裝焊接的質量比較好；而圖像中的灰度值比較大的地方說明超聲波在此處透過性比較差，反射的超聲波較多，此處的金屬焊接質量差。

通過實驗證實，金屬封裝的檢測可以運用超聲掃描顯微鏡這種先進的技術設備，并且超聲掃描顯微鏡在檢測中具有快速，直觀、精度高的優點。

4 總結

通過掃描獲得的C 掃描圖像可以較好地分析封裝焊接的缺陷分布和精度情況，因此超聲掃描顯微鏡可以獲得直觀、清晰的檢測圖像，檢測速度較快，可以較好的分析金屬管殼內部粘接層的粘接情況，提高檢測的可靠性，超聲掃描顯微鏡在金屬封裝的檢測過程中具有重要的意義。

[1]美國無損檢測學會.美國無損檢測手冊：超聲卷[M].《美國無損檢測手冊（上）》譯審委員會譯，北京：世界圖書出版公司1996：39-47.

[2]王浩全，曾光宇.玻璃纖維復合材料超聲C 掃描檢測研究[J].兵工學報.2005(7)：570-572.