从未切割晶圆一直到安装在最终产品上，电子元件需要通过各种仪器的测试和检测，以确保长期无故障的使用寿命。声学显微成像 (Acoustic Micro Imaging, AMI) 设备是一种经常使用的仪器，它使用超声回波传送到换能器的多种类型的数据来揭示器件的内部材料界面和材料特性。

声学显微成像设备具有锁定器件内部结构特征位置的能力，甚至在器件开始生产之前，即能够对封装设计的完整性和稳健性进行评估，而无需激活或切开器件。该设备得到的图像可以验证原型的芯片键合是否包含未键合区域或者塑封料及填充料是否有气泡。该设备在评估和查看满负荷测试后器件内的热偏移结果方面也很有价值。

当正常使用的器件出现现场故障时，AMI 数据和图像可以通过无损成像在器件被物理切开的目视检查之前查明原因。而这个破坏性过程称为声导破坏性物理分析 (AGDPA)。

在上述设计和原始器件应用中，AMI 设备通常在实验室中运行并对少量器件进行分析。但是器件制造商和用户需要进行大规模芯片筛选。这可以通过把器件装在标准托盘通过自动化 AMI 设备进行高速成像来实现。本文将分别介绍了两种成像环境 – 小批量分析和大批量筛选。

声学显微成像原理

当声学显微成像设备的换能器将超声波脉冲发射到电子元件的表面时，脉冲（图 1 中的#1）会穿过水，水是换能器与器件表面的耦合剂。当脉冲撞击水和器件表面之间的界面 (#2) 时，一部分脉冲能量被反射 (#3) 回换能器，这也报告了脉冲到达表面的时间或者从换能器到器件的表面的距离。

脉冲的另一部分进入（#4）第一层材料，通常是塑封料。脉冲能量的变小是能量在界面分配的结果。

穿过塑封料的超声波到达塑封料和硅芯片之间的界面 (#5)。从这个材料界面，一部分超声波将再次被反射（#6）回换能器，其余的超声波穿过（#7）界面进入芯片。

这个从界面返回的回波#6，到达换能器并报告其传播时间及深度。它还报告其振幅、超声波频率内容以及界面的极性（正或负）。

这些位数据告诉用户界面的深度以及界面上两种材料的很多信息。

换能器快速扫描元件表面，每秒在数万个 x-y 位置中的每一个位置发射一个脉冲，在发射下一个脉冲之前接收来自每个位置的回波。软件会将来自每个位置的返回回声转换为器件声学图像中的一个像素。每个像素可以表示成回声的幅度、频率、或到达时间等内容。

完成的声学图像可以将塑封料和硅管芯之间的界面显示为一种颜色，将塑封料和铜之间的界面显示为不同的颜色。

但是 AMI 设备将对固体材料和空气之间的界面（超声波在这样的频率下不能穿过空气）之间的界面进行最明亮的成像，因为固体-空气界面几乎可以 100% 反射到达的脉冲。AMI 系统很容易发现隐藏的内部缺陷，因为大多数威胁性能的缺陷都含有空气，也就是表现为固体对空气的界面。

△图 1：将脉冲发射到器件中的时间顺序

在黑白声学图像中，固体到空气区域通常以亮白色成像。在彩色图像中，通常为这些气隙选择红色，代表空隙、裂纹、分层，这种缺陷通常会导致使用中的电气故障。

在某些器件中，用户可能只对器件内的单个深度感兴趣。在给定的器件类型中，如果故障通常涉及芯片键合，则可以设置窄电子门，仅收集那些在与芯片键合材料的垂直范围匹配的时隙内到达换能器的回波。

根据上面简要介绍的基本原理，声学显微成像设备可以确保安装在产品中的电子元件在使用过程中不会出现可能导致电气故障的内部结构异常。声学显微成像设备之一是Nordson SONOSCAN 的实验室 C-SAM®，它不处理多个器件托盘；相反，它旨在对从单个器件到一个托盘进行成像，但它配备了所有 C-SAM 设备的14 个成像模式。

C-SAM 分析可用于一种或多种相同类型的器件。它们可能是在使用中或在环境测试期间出现故障的器件，或者它们可能是来一直使用的器件，但是刚到货的样品。或者它们可能是即将推出的全新器件。所有这些都可以成像以发现可能导致缺陷的异常或材料变化。多种声学成像模式的应用可以确保即使是难以检测的异常也能被发现并成像。

还有一种情况是在不进行成像的情况下分析器件，以确定新装运中的塑封料是否与之前装运中使用的塑封料不同。通常，用少数器件在五个不同位置接收单个脉冲，如果声阻抗和吸声值与之前发货的数值接近，则材料很可能相同。

IGBT 模块可以在 C-SAM 反射模式下成像，如图 1 所示。在这种模式下，从各个深度接收回波以组合声学图像。这种方法可以提供一个整体视图，但如果目的是仔细检查所有深度，用户可能会发现某些深度失焦且无法准确评估。

更好的选择可能是 PolyGate 模式。在这种模式下，换能器将来自每个 x-y 位置的传入回波流按到达时间分为 5 组，因此能够创建 5 个图像，代表五个不同的深度。

△图 2 ：倒喷水换能器通过散热板扫描的 IGBT

图 2 用于揭示 IGBT 模块中可能存在的内部缺陷。未封装的 IGBT 模块必须通过其底面成像，因为顶部成像可能会留下残留物，从而导致该高功率器件出现电气故障。

底面扫描是使用一种具有倒置换能器的 C-SAM 设备完成的。它将超声波脉冲发送到其上方的 IGBT。来自换能器的超声波通过喷泉式的水柱到达 IGBT 底部表面的散热板。

门通常设置为从刚好在散热板内部开始到刚好在到达DBC表面的深度收集回波。如果需要对位于DBC上面的芯片本身进行成像，则可以电子门扩展包括芯片。

但在图 2 中，感兴趣的深度是散热板和DBC板之间的焊料层。图中两个事实立即显而易见：

• 焊料厚度不均, 可能会导致DBC的翘曲变形。该图像使用了时差模式，像素的颜色由时间差或距离决定，而不是由其幅度或某其他属性决定。左下角和左上角焊料较薄，右边，尤其是右边中部焊料较厚。

• 焊料中形状各异的微小特征是充满空气的空隙。空隙反射的颜色由返回回波的深度决定。白色空隙可能与散热板平齐。有绿色、蓝色和粉红色的空隙，还有一些多色空隙延伸到不止一种深度颜色。

这张图片中的信息非常直接：焊锡厚度存在显着差异，这将导致上方芯片的热量分布不均。此外，还有一些充满空气的空隙会将热量反射回芯片。该 IGBT 可能不适合在生产中使用。

△图 3 ：为什么超声波能看到这么多信息，因为有14 种声学成像模式。

为 C-SAM 开发的所有成像模式（图 3）均可用于器件的实验室分析。一种模式是 Q-BAM，用户能够选择感兴趣的垂直平面，并沿该线对器件执行无损横截面。声学图像显示了器件表面的细节，就好像器件已被锯成两半。因为这个过程是非破坏性的，所以它可以沿着许多其他直线重复 – 用户喜欢的任何角度。在Q-BAM之后，有时会进行物理切片来比较结果。依次使用非破坏性和破坏性的方法被称为声学引导的破坏性物理分析（AGDPA）。

下面我们快速浏览一下其他模式：

声学 3-D 使用超声波以指示每个特征深度的颜色对非垂直内部界面进行成像。

声学表面平整度 (ASF) 使用颜色来揭示局部平整度的偏差，例如，BGA 封装的锡球或 300 毫米晶圆的表面。

频域显示来自回波的特定频率，以揭示在此模式下比通过查看总回波幅度更好地揭示的内部特征。回波可能包含很宽的频率范围，比如 75 MHz到 125 MHz，但该特征可能只在相对较短的频率范围内出现 - 例如，93 MHz 到 98 MHz。

PolyGate 允许用户在一次扫描期间创建多个图像，每个图像都具有特定的垂直范围。结果可以是，例如，20幅图像的序列，每幅图像显示返回回波被划分成的20个切片中的一个。

THRU-Scan 使用两个换能器，一个在器件顶部，一个在器件下方。每个都通过水耦合到器件表面。C 形安装座始终将两者保持在相同的 x-y 位置。顶部换能器发射脉冲，但忽略从各个深度到达它的回声。一部分脉冲穿过后壁并被下方的换能器收集。没有超声波通过空隙和分层等气隙，因此这些缺陷在声学图像中显示为纯黑色特征。

STaR 代表 “同步反射及透射成像模式”。反射图像是由从内部界面返回（反射）的回波，同时透射图像通过器件并被下方接收换能器检测到的信号，两者同步完成。

VRM 指的是 “虚拟重新扫描模式”。当器件可能已被破坏或丢失或者对于确定通过筛选测试但由于先前未预料到的缺陷而失败的器件故障的根本原因可能很重要。VRM 模式记录样品整个厚度的原始回波数据并创建矩阵数据文件，它不再需要对器件进行重新扫描成像。如果 FA 工程师想要使用不同的分析模式对零件进行声学重新筛选，则会重新筛选矩阵文件而不需要丢失的器件。

近年来，一些曾经仅用于分析工作的成像模式已适用于筛选。这些模式在图 3 中用星号标记。

大批量筛选

当实验室完成对经历过类似故障的芯片的详细分析后，已收集到足够的数据来编写对大量单一器件类型进行大批量声学筛选的程序。

芯片内已知缺陷的具体位置以及最能说明问题的参数将与该芯片用于组装的所有公司位置共享。有些缺陷是难以捉摸的，但最佳成像方法的细节将由实验室与公司的组装地点共享，这些地点可能遍布全球。这要求每个 AMI 设备都能够从同一器件获得精确相同的图像。Nordson SONOSCAN 通过提供多个匹配的设备（实际上是可操作的双胞胎、三胞胎等）使这成为可能，即使器件需要使用与通常菜单大不相同的参数进行成像。AMI 设备与使用不同语言且位于不同大陆的不同操作员将从单个器件生成完全相同的图像。

筛选可以在器件安装到电路板上之前和之后进行。筛选的目的是识别和移除那些具有内部特征的器件，实验室已将其识别为可能导致现场故障的异常。

制造过程中使用的托盘中的器件由 Nordson SONOSCAN FastLine® 大批量 AMI 设备扫描。如果感兴趣的深度不止一个，或者如果怀疑异常可能无法通过相同的方式全部成像，则在同一扫描期间收集来自多个门的回波。筛选设备必须高度自动化，以便快速检测数以千计的器件。

传感器必须能够自动聚焦。它们必须能够以十几种或更多模式成像，并且必须能够使用完全相同的参数——成像模式、频率、幅度和深度范围。他们必须能够在相同的百万分之一秒时间内捕获返回的回声。并且他们必须避免让任何残留物或污染物到达被成像的器件。甚至分析图像以及挑选报废的器件也是自动化的。

选择换能器的频率旨在在器件内的所需深度提供最大分辨率。脉冲进入器件的超声波频率范围可以从 10 MHz（低分辨率，但穿透深度）到 300 MHz（高分辨率，但穿透率较低）。

由于实验室的分析工作已经确定了可能发生给定缺陷的最可能位置，因此可以通过仅使用在特定时间跨度内到达换能器的那些回波来简化扫描。时间跨度定义了“门”，即缺陷最常见的垂直深度。例如，如果缺陷最常见的深度是在芯片面和塑封料之间的界面，则可能不需要处理来自该器件其他深度的回波。

△图 4 ：塑料封装 IC 托盘的声学筛选图像。

图4是装有器件的托盘的 AMI 30 MHz 反射模式图像。之所以对它们进行筛选，是因为实验室发现器件中的类似缺陷会导致测试过程中出现故障。这些图像是使用 Nord-son SONOSCAN FastLine 设备获得的。

该图像是在托盘的单次扫描过程中获得的多个图像之一。设置了几个门，来自两个门之间的回声将用于为器件的非常薄的水平切片制作单个图像。该图像是由塑封料和硅芯片顶部之间的界面处产生的回声获得的。该图像的电子门的两边设置为刚好从塑封料到芯片界面的正下方到该界面的正下方。选择红色作为颜色来识别固体对空气界面的像素。

红色缺陷是充气分层 - 扁平气泡。在这个位置，使用过程中的热偏移可能会导致它们上下移动，这些动作可能会导致连接到芯片的电线断裂或芯片本身破裂。两种情况下的结果都是电气故障。

实验室分析可以使用 14 种成像模式中的任何一种。多年来，实验室的模式逐渐被修改以用于筛选环境——PolyGate 就是一个例子。但是，某些成像模式对于高速筛选来说过于耗时且数据密集。例如 Q-BAM 无损横截面和三维声学成像。

实验室 C-SAM 和生产车间 FastLine 一起在风险器件发展为现场故障之前找到它们。关键是各种成像模式可以报告来自不同类型内部结构异常的许多不同数据形式。受益者是最终用户，他们的电子设备、车辆、计算机、电话、电器和设备不发生故障。

C-SAM® 是 Nordson SONOSCAN 的注册商标。