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用超声波检测汽车电子零部件
录入时间:2018/12/11 10:55:09

作者:Tom Adams, Nordson Sonoscan顾问

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暇(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,和高效快速自动化成型。(图1)是DF-2400™高效快速自动化机型的双工位检测图片。用于确定最佳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高效快速显微镜完成的。

 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。为了获得最大的速度和效率,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最强振幅回波信号,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,即使是最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。 (图3中的陶瓷芯片电容器的的图像是按电容的厚度设置门控的,因为任何深度的孔隙都可能是致命的。)

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。

图4     这是一张倒装芯片从凸点到基板的超声图像,除白色垂直的条状,白色表示凸点周围的孔隙.

图4是用230MHz换能器得到的倒装芯片图像,图像呈现的是填充物与基板之间的界面。最感兴趣的是寻找焊料凸点周围底部填充物内部或未能与基板粘合空隙。焊料可能发生蠕变而进入这些间隙,直到凸点失去电性接触。

图中四个孤立的显著白色区域就是这种类型的缺陷。四个缺陷右侧的白色垂直条状区域是基板的特征而不是缺陷。

对于某些器件来说,操作员可能只想知道组件内存在空隙类的异常。他并不关心异常的深度。在这种情况下,他可以使用能穿过整个器件厚度的透射成像模式,也就是器件上方的换能器将超声波脉冲送入顶部表面,组件下方另一接收换能器接受穿透器件超声波。由于间隙型异常完全阻挡超声波,接收换能器接收不到信号而在声像上呈现投影下来的黑色,而图像的其余部分将呈现各种灰色,灰度取决于脉冲通过的界面数量(部分信号被反射)。 Thru-Scan通常用来检测较便宜的器件,如塑料封装的微电路,这些器件如有内部异常就会被去除,无论异常是否与电气故障机制相关,这样做是经济的。超声也用于其它一些塑料封装的IC和陶瓷芯片电容器,这些器件内的分层或裂缝导致的电气故障风险很高。对于将用于汽车应用的陶瓷芯片电容器,THRU-Scan特别有用,因为可能导致故障的裂缝可能很薄且垂直的,并且更容易以较低的频率成像。

还有第二种方法主要用于陶瓷芯片电容器,其中内部结构几乎没有显着特征:从上表面进入的脉冲超声波仅在电容器的内部截取信号,通过狭窄的门控只截取背面的反射波,并返回到换能器,在电容任何中间深度的空隙型缺陷都会阻挡声波,而显示为黑色的投影。此外,Sonoscan还开发了大约十几种其他成像模式。大多数用于分析工作(非破坏性横截面,通过单次扫描得到多个不同频率图像,频域图像等),这些模式通常不用于大批量的检测系统。

在大批量检测系统上成像的一类器件就是IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块。这些大功率开关在混合动力汽车中最常见,但也可用于传统汽车的起动电机。IGBT消散大量的热量,如果任何结构异常(例如空隙或非键合)都会干扰散热路径,可能会因过热导致失效。 与其他部件不同,IGBT模块无法从顶部成像,因为IGBT顶盖下面是空的,即使没有封装的IGBT的芯片及铝线也也最好不要接触水。

为了防止模块的芯片接触到水,倒置换能器的快速超声扫描显微镜通过模块地部的散热基板进行扫描,基板以上完全不会接触到水。最常见的缺陷是散热基板与陶瓷筏间的焊料层中的孔隙。其他常见的缺陷包括翘曲或陶瓷筏的倾斜(两者都可以改变热流并使芯片破裂)和芯片下面焊锡中的孔隙。 IGBT模块可以在封装之前或之后进行成像检测。如果在封装前对它们进行成像,则可以对问题部分重新进行修复。

图5     这是穿过散热基板的IGBT 陶瓷筏翘曲的超声图像 (绿到蓝的色彩). 颜色代表与散热板之间的距离. 由于翘曲,焊锡层的厚度是变化的. 图片中的红色是焊锡内部的孔隙.

图5是一个IGBT模块的声像图。超声波脉冲进入散热基板的区域并穿过几层材料。此图像中的蓝色和绿色颜色表示厚度而不是回声的强度。由于已知上覆材料的声速,因此可以测量每个x-y位置从基板通过焊料到陶瓷筏界面的飞行时间,模块的陶瓷有翘曲。彩色带代表陶瓷筏的底面,同时表示焊料的厚度变化。深蓝色区域焊锡最厚,绿色是较薄的区域,而黑色区域焊锡最薄或几乎无焊锡而直接与散热基板接触。图像中的红色是焊料中的孔洞。

每一种器件都有一个如何检测以及如何解释其结果的配方,也就有一个有一个判别器件是合格还不合格的标准。判别的标准必须仔细编写和测试后再编入配方以获得最好的结果。当新器件进入生产时,必须使用新的判别标准。通常,工程师从类似J-20的通用标准开始,先对对部分新器件进行扫描,并进行寿命测试以改进每种类型结构缺陷的判别标准。然后修改初始行业标准以符合新器件表现。例如,J-20要求拒绝任何引脚分层长度超过芯片至封装外部距离的三分之二塑料IC封装。但是,该标准是否会导致给定器件在汽车应用中的最小现场故障最初是不确定的。当具有不同长度的引角分层的特定器件的样品通过模拟实际使用条件,而暴露于热,湿气和其他环境进行测试时,由此修改而得到允许极少数现场故障的标准将成为产生的行业标准。

C-SAM® is Sonoscan 的注册商标

联系信息:

Nordson Sonoscan

2149 E. Pratt Blvd.

Elk Grove Village IL USA 60007

Phone: 847 437-6400

Fax: 847 437-1550

E-mail: info@sonoscan.com

Website: www.sonoscan.com


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