国内外塑封器件声扫试验标准现状及问题

作者： 赵海龙,裴选,彭浩,宋玉玺（中国电子科技集团公司第十三研究所） 在此特别鸣谢！

摘要：

由于结构和材料等因素影响，塑封器件中存在一些潜在的缺陷。声学扫描显微镜检查是一种无损检测技术，能有效识别和剔除有潜在缺陷的器件，降低使用风险。该文研究了国内外主要的3 类声学扫描显微镜检查标准，重点研究了国内最常用的GJB 4027A- 2006 和正在编制的GB/T 4937.35- XXXX，指出了其中存在的问题。

0 引言

塑料封装作为主要的电子封装形式之一，近年来随着芯片设计业、制造业和封装业的发展得到了快速发展。同时，因塑封料成本低、生产工艺简单、适合大规模生产等优势，塑料封装占据了整个微电子封装97%以上的市场。

但是塑封微电路器件(Plastic EncapsulatedMicrocircuits,PEM)结构和材料特殊，常存在一些潜在缺陷，如气密性不良、易受温度开裂变形等，塑封器件的结构和缺陷形式如图1 所示。为了提高塑封器件可靠性，降低使用风险，使用前需要对其进行筛选、鉴定和DPA等试验。

声学扫描显微镜检查技术(Scanning AcousticMicroscope,SAM, 简称声扫)是一种非破坏性的试验方法，能够有效检测塑封器件内部缺陷而不损坏器件，如器件内部空洞、裂纹及各部件之间的离层等。由于声扫试验可以获得其他试验手段不能获得的信息而被广泛使用，但目前国内外的声扫试验标准较少，给声扫试验人员造成了一定的困难。本文对常用的声扫试验标准进行了研究，指出了其中存在的问题。

1 塑封器件SAM 标准概述

目前国内常用的声扫试验标准主要有GJB 4027A-2006《军用电子元器件破坏性物理分析方法》和GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》，本单位正在编制GB/T4937.35- XXXX《半导体器件机械和气候试验方法第35 部分：塑封电子元器件的声学扫描显微镜检查》。国外常用的声扫试验标准主要有美国NASA 标准PEM- INST- 001: Instructions forPlastic Encapsulated Microcircuit(PEM)Selection, Screening, and Qualification、美国国防部标准MIL- STD883E:Microcircuits Test Method Standard、国际电工技术委员会国际标准IEC60749- 35:Semiconductordevices- Acoustic microscopy for plasticencapsulated electric components 和美国联合产业标准IPC/JEDECJ-STD-035:AcousticMicroscopy for Nonhermetic Encapsulated Electronic Components。国内外塑封器件SAM标准对照表如表1 所示。

GJB 4027A- 2006 中塑封集成电路声学扫描显微镜检查部分是2006 年修订时新增加的，是目前国内进行声扫试验依据的主要标准。其内容与PEM-INST- 001 相对应，在其基础上进行了修改完善。

GJB 548B- 2005 方法2030是芯片粘接的超声检测，主要对半导体器件芯片粘接材料中的未粘附区域和空洞提供接收或拒收依据，其内容与MIL-STD 883E 相对应。

GB/T 4937.35- XXXX 是目前本单位正在编制的国家标准，其内容等同采用IEC 60749- 35。此外IPC/JEDEC J- STD- 035 与IEC 60749- 35 内容基本一致。

2 GJB 4027A- 2006

本标准工作项目1103 规定了塑封半导体集成电路的DPA 项目和程序，其中第二章第四条为声学扫描显微镜检查，内容包括概述、设备和材料、检查项目和缺陷判据。

2.1 检查项目

将每一只样品分6 个区域进行迭层分离，检查下列包封区域的空洞和裂纹：

(1)芯片和模塑化合物的界面；

(2)引线架和模塑化合物的界面(顶视图)；

(3)引线引出端焊板边缘和模塑化合物的界面(顶视图)；

(4)芯片与引线引出端焊板的粘接界面(如果存在)。这可以使用直通传输扫描评估；

(5)引线引出端焊板与模塑化合物的分界面(后视图)；

(6)引线架和模塑化合物的分界面(后视图)。

对于安装在基片上或热沉上的芯片，芯片粘接检查应按照GJB548A- 1996 方法2030(芯片粘接的超声检查)规定进行[1]。

2.2 缺陷判据

检查器件时，呈现任何下列缺陷的器件应拒收：

(1)塑封键合丝上的裂纹；

(2)从引线脚延伸至任一其他内部部件(引脚，芯片，芯片粘接侧翼)的内部裂纹，其长度超过相应间距的1/2；

(3)导致表面破碎的包封上的任何裂纹；

(4)跨越键合丝的模塑化合物的任何空洞；

(5)塑封和芯片之间任何可测量的分层；

(6)引线引出端焊板与塑封间界面上，分层面积超过其后侧区域面积的1/2；

(7)引脚从塑封完全剥离(上侧或后侧)；

(8)包括键合丝区域的引脚分层；

(9)连筋顶部分层超过其长度的1/2；

(10)如果不能确认内部裂纹或叠层分离是否应拒收，则需要将样品剖切并抛光进行验证[1]。

2.3 存在的问题

本标准是目前对塑封器件进行DPA、筛选试验声学扫描显微镜检查所依据的主要标准。但在使用时发现本标准存在很多问题，对试验人员造成了一定的困扰，主要问题如下：

(1)检查项目与缺陷判据不能一一对应，如检查项目第1 条“芯片和模塑化合物的界面”对应的缺陷判据为第5 条“塑封和芯片之间任何可测量的分层”；

(2)检查项目中的6 个区域不能完全覆盖10 个缺陷判据中涉及的缺陷形式，如没有检查项目与缺陷判据第1~4 条中提到的裂纹和空洞相匹配；

(3)检查项目和缺陷判据中部分描述不够准确，如“引线引出端焊板”、“连筋顶部”等指向容易让人误解，龙承武等人认为将检查项目中“后视图”改为“底视图”、“直通传输扫描”改为“透射扫描”、缺陷判据中“后侧”改为“下侧”更为妥当[2]；

(4)检查项目和缺陷判据的描述过于笼统，不同试验人员在使用时容易造成偏差。

3 GJB 548B- 2005

3.1 标准内容

本标准方法2030 是芯片粘接的超声检测，针对的是半导体器件芯片粘接材料中的未粘附区域和空洞。本标准中“芯片粘接界面”指硅芯片和粘接的基板之间的全部区域，包括芯片粘接材料和芯片之间的界面、芯片粘接材料和基板之间的界面和芯片粘接材料本身[3]。标准内容包括试验目的、试验设备要求、试验程序和其他说明。

3.2 检验和接收判据

在器件检验中，表现出下列缺陷的器件应被拒收：

(1)接触区多个空洞总和超过应该具有的总接触区的50%；

(2)超过预计接触区15%的单个空洞，或超过总预计接触区10%的单个拐角空洞；

(3)当用平分两对边方法把图像分成四个面积相等的象限时，任一象限中的空洞超过了该象限预计的接触区面积的70%。

当用超声图示器件时，对某些种类的安装材料可能不会显示出真正的空洞，因此检测此类器件时，应在检测报告中注明采用的安装材料[3]。

3.3 存在的问题

本标准仅用于芯片粘接界面的声扫检查，适用面较窄。

4 GB/ T 4937.35- XXXX

4.1 标准编制情况

本标准是2016 年第一批国家标准计划项目，标准名称为《半导体器件机械和气候试验方法第35 部分：塑封电子元器件的声学显微镜检查》，计划代号为20162477- T- 339，由中华人民共和国工业和信息化部提出，全国半导体器件标准化技术委员会(SAC/TC 78)归口，主要承办单位为中国电子科技集团公司第十三研究所，项目起止时间为2016 年12 月～2017 年12 月。

目前本标准已完成立项批复，编制工作组对等同采用的IEC 标准进行了翻译、研究、分析和比较，到国内具有声学扫描显微镜检查试验能力的单位开展了深入调研。通过召开讨论会，修改、完善标准内容，形成了标准的征求意见稿，并编写了编制说明。编制工作组将形成的征求意见稿及编制说明寄送给有经验的专家，下一步将根据书面反馈修改意见对标准进行进一步修改、完善，并召开专家征求意见会。征求意见会之后将形成送审稿依次进入审定阶段和报批阶段。

4.2 标准内容

本标准为半导体器件机械和气候试验方法，属于基础标准[4]。为保证半导体器件试验方法与国际标准一致，实现半导体器件检验方法、可靠性评价、质量水平与国际接轨，本标准等同采用IEC 60749- 35：2006《半导体器件机械和气候试验方法第35 部分：塑封电子元器件的声学显微镜检查》。与IPC/JEDEC J- STD-035 相比，声扫观察区域增加了倒装焊器件顶层未填充/ 模子内区域界面，其余内容基本一致。

本标准定义了塑封电子元器件进行声学扫描显微镜检查的程序，提供了一种使用声学扫描显微镜对塑料封装进行缺陷(分层、裂纹、模塑化合物空洞等)检测的方法，这种方法可重复进行并且没有破坏性。主要内容包括范围、术语和定义、试验设备、试验程序和资料性附录部分。

本标准详细给出了声扫试验所涉及的术语和定义，包括扫描模式(A 模式、B 模式、C 模式、透射模式)、观察区(基板背面观察区、芯片粘接层观察区、芯片表面观察区、引线框架观察区(L/F)、芯片侧基板观察区、倒装焊器件顶层未填充/ 模子内区域)、扫描参数(焦距(FL)、焦面、传输时间(TOF))和两种声学显微镜(反射声学显微镜、透射声学显微镜)。

试验设备部分列出了反射声学显微镜系统和透射声学显微镜系统的组成部分、参考件或标准件要求和样品固定装置要求。

试验程序部分包括换能器选择、设置确认、样品放置、换能器调整、聚焦和声扫试验，其中声扫试验包括异物检查、潜在图像缺陷、评价和记录。

附录A 是一个声扫参考样例，列出了所有需要检查的界面及详细记录试验结果的参考模板，附录B 给出了潜在图像缺陷和可能的原因，附录C 给出了声学显微镜方法的一些局限及解释，附录D 是当前可用的扫描数据参考清单。附录对于试验操作人员解决试验中遇到的实际问题有很大的指导意义。

4.3 存在的问题

本标准的侧重点在于术语和定义、试验程序以及对声扫图像中的异常现象和声学扫描显微镜的局限进行解释，试验程序评价部分缺少失效判据，需要用相关规范详述的失效标准评价声学图像。因此，在使用本标准进行声学扫描显微镜检查时要与其他标准或规范结合使用。

5 结论

综上所述，目前国内外塑封器件的声扫试验标准主要有3 类，各有优缺点。GJB 4027A- 2006 和PEM- INST-001 有明确的检查项目和缺陷判据，但标准描述过于简单，不利于试验人员使用。GJB 548B- 2005 和MIL-STD883E 仅针对芯片粘接界面，适用范围较窄。GB/T4937.35- XXXX(制定中)和IEC 60749- 35(或IPC/JEDECJ- STD- 035)有详细的试验程序说明，但缺少失效判据部分。因此，建议在进行声学扫描显微镜检查时几类标准结合使用，下一步需要继续完善声扫标准体系。