失效分析和可靠性测试：为什么SAM现在是必不可少的设备

来源：《半导体芯科技》杂志

扫描声学显微镜(SAM，Scanning Acoustic Microscopy)已成为半导体供应链完整性、在线制造、研发、质量控制实验室中不可或缺的测试设备，甚至可以对所有制造材料进行100%全面检查。

制造商测试实验室、研发中心、材料研究小组和质量控制部门，寻找微小缺陷正在刺激对扫描声学显微镜(SAM)设备的投资。失效分析和可靠性检测计量技术已变得至关重要，现在SAM与X射线和扫描电子显微镜(SEM)等其他实验室测试和测量仪器并驾齐驱。在当前电子元器件供应链极其受限的市场条件下，SAM是一种非常高效的工具，可以帮助减少半导体供应链中假冒元器件的扩散。

制造商测试实验室、研发中心、材料研究小组和质量控制部门，寻找微小缺陷正在刺激对扫描声学显微镜(SAM)设备的投资。失效分析和可靠性检测计量技术已变得至关重要，现在SAM与X射线和扫描电子显微镜(SEM)等其他实验室测试和测量仪器并驾齐驱。在当前电子元器件供应链极其受限的市场条件下，SAM是一种非常高效的工具，可以帮助减少半导体供应链中假冒元器件的扩散。

SAM也被称为超声波无损检测(NDT，Non-Destructive Testing)，在工业中用于识别制造过程中产品或组件中的小缺陷，并用于在现场器件发生失效时分析失效的特定根本原因。对这种强大的失效检测能力的需求，正在刺激该技术在消费、工业和军用电子器件制造商中的使用日渐增加。

SAM提供强大的非侵入式、非破坏性成像和材料分析，用于检查不透明材料的内部结构。它可以提取特定深度的信息并将其应用于创建二维和三维图像，而无需耗时的断层扫描程序或昂贵的X射线设备。专家可以分析SAM图像以检测和表征器件缺陷，例如键合界面中的裂纹、分层、夹杂物和空隙，以及评估PCB上的焊接和其他界面连接。

SAM的最新进展有助于检测比以前小得多的缺陷。

“先进的相控阵SAM系统可以提高失效分析的水平，因为它提高了检测的水平和精度。过去的目标是检测到500微米的缺陷；现在的目标已经变成了检测50微米的缺陷。通过这种类型的测试，我们可以检查材料并发现以前未被发现的缺陷，”总部位于弗吉尼亚州的工业SAM超声波无损检测系统制造商OKOS的总裁Hari Polu说。OKOS公司服务于电子制造、航空航天和金属/合金/复合材料制造商以及终端用户的市场。

当制造商利用更高级别的失效检测和分析工具时，电子器件的生产良率和整体可靠性都会显著提高。同时项目会加快进度，现场的潜在失效点也能够被消除。

由于使用SAM的显著优势，越来越多的制造商正在为研发和QA实验室配备SAM计量设备，并将其集成到生产线中以进行100%的全检。

SAM满足半导体和电子元器件行业需求

在半导体和电子元器件行业，对无损失效分析和可靠性测试的需求正在加速增长。在这些行业中，具有极高的一致性而且没有缺陷或杂质对于制造是至关重要的。无论产品是晶圆、分立电子元器件产品，还是手机、视频游戏、EV汽车子系统或火箭子系统中使用的封装组件，情况都是如此。

SAM满足了半导体和电子元器件行业的这一需求。该测试已经成为对半导体组件进行100%检测的行业标准，用于识别微电子器件中的空隙、裂纹和不同层的分层等缺陷。

除了半导体组件本身，当今的电子元器件产品还包含各种特种金属、合金、塑料和玻璃元件。所有半导体组件都需要以消费者可用的形式进行整合和封装。因此，SAM设备得以同步发展，现在正用于检测构成半导体组件的“封装”中这些类型材料表面下的缺陷、脱粘、裂纹和其他不规则现象。

由于用这些材料制成的许多组件的关键性质，高纯合金应该高度一致，杂质和污染水平要达到极低。铝、锌、钴、铜、钛、锆、钼、镁和不锈钢等高纯金属和合金是电子元器件、航空航天和医疗设备等许多行业的支柱。

SAM设备节省成本和时间

扫描声学显微镜的功能是将来自换能器的聚焦声音引导到目标物体上的一个小点。撞击物体的声音被散射、吸收、反射或传输。通过检测散射脉冲的方向和“飞行时间”，可以确定边界或物体的存在及其距离。

为了生成图像，样品会逐点、逐行扫描。扫描模式范围从单层视图到托盘扫描和横截面。多层扫描最多可包含50个独立层。可以提取特定深度的信息并将其应用于创建二维和三维图像，而无需耗时的断层扫描程序或昂贵的X射线设备。然后人们可以分析图像以检测和表征裂纹、夹杂物和空隙等缺陷。

较小的制造商和独立测试实验室可以选择桌面型SAM，该型设备提供超过300毫米的扫描范围，最大扫描速度为500毫米/秒，精度和可重复性为+/-5.0微米。其软件允许使用保存的数据以虚拟方式重新扫描、查看和分析数据，以进行同步实时分析或收集后重新查看。通常，此类台式设备用于分析数据以进行失效分析、产品检验、质量控制、研发、过程验证，以及确定产品可靠性、过程质量控制和供应商资格。

随着要求的提高，为了适应更高水平生产方面的测试，制造商通常会使用具有高速检测能力的更大系统。然而，这时的挑战在于要以极高的吞吐量执行此检查，并且还要通过100%的检查来识别和移除不符合质量要求的组件。这需要更先进的设备，这些设备可以同时检查多层，通常也是在多个通道上以自动方式扫描处理托盘中的多个样本以加速该过程。

根据Polu的说法，SAM还可以定制设计以完全集成到大批量制造系统中。先进的相控阵系统可检测特种金属和合金中的微小缺陷，从而对所有材料进行100%的检查。半导体工厂现在可以对托盘中的晶圆、面板和分离组件进行100%的检查。

幸运的是，SAM技术的最新进展显著提高了吞吐速度和缺陷检测能力。当100%检查需要高吞吐量时，可使用超快速单或双龙门扫描系统以及128个传感器进行相控阵扫描。多个换能器也可用于同时扫描以获得更高的吞吐量。

“传统的5MHz传感器最多可能需要45分钟来检查8-10英寸的方形或圆形合金。然而，如今，带有64-128个传感器的先进相控阵和用于渲染图像的创新软件可以将检查时间缩短至五分钟，并且可以更精细地检测小杂质或缺陷。”Polu说。

与进行扫描的物理和机械方面的硬件同样重要的是，软件对于提高分辨率和分析信息以生成详细扫描至关重要。

多轴扫描选项支持对复合材料、金属和合金进行A、B和C扫描、轮廓跟踪、离线分析和虚拟重新扫描。这时的能够通过检查软件对缺陷和厚度测量进行高精度的内部和外部检查。

各种软件模式可以实现简单和易用，可以进行详细分析，也可以自动化进行生产扫描。离线分析模式也可用于虚拟扫描。

Polu估计OKOS的软件驱动模型使他们能够降低SAM测试的成本，同时还能提供相同质量的检查结果。因此，即使是一般的测试实验室也可以使用这种类型的设备。

“由于当今对检测和精度的严格要求，每家公司最终都会转向更高水平的失效分析，”Polu说。“工业SAM设备的成本优势和时间节省使得这种要求成为可能。”

OKOS在加利福尼亚州圣克拉拉、亚利桑那州凤凰城和弗吉尼亚州马纳萨斯设有实验室，提供符合现有工业和军事标准的合同分析和测试服务。该服务还使客户能够在投资设备之前审查技术和可行性。

如今，在众多行业中，与传统方法相比，SAM提供的失效分析细节水平极高，从而具有最佳价值。因此，人们现在普遍认为先进的SAM系统是研发和质量保证实验室以及高速生产线中必不可少的工具。

审核编辑 黄宇