相信大家都知道什么是B超，我們在體檢或看病的時候，檢查單上往往能看到B超項目，通過B超檢查能夠診斷肉眼看不到的人體內部組織或器官是否發生病變，如肌腱軟骨是否病變、膽腎是否出現結石、胎兒的生長是否正常等等，這些都得益于超聲波技術。在電子元器件非破壞性分析技術中，掃描聲學顯微鏡（SAM）就像醫院的B超一樣，能夠對電子元器件進行“體檢”，探測電子元器件內部材料包括裂紋、空洞、分層、雜質等缺陷。特別是塑封集成電路，通過掃描聲學顯微鏡檢查能夠有效評價器件的結構缺陷、工藝質量等，以達到元器件篩選或分析改進的目的。

一、掃描聲學顯微鏡（SAM）的原理

圖1? ?SAM設備示例

SAM系統主要由超聲波換能器、高頻信號發生器、波形采集系統、掃描系統、信號處理系統和成像系統組成。掃描聲學顯微鏡由換能器發射和接收超聲脈沖信號，聲波與被測樣品發生相互作用后，由掃描系統在樣品上方來回掃描，把樣品每一點的聲波信息記錄下來，經信號處理系統和成像系統轉換為圖像信號顯示在高分辨率顯示屏上。

超聲波由壓電換能器產生，超聲波換能器受到電子脈沖信號激發能夠在固有的頻率下振蕩。而不同換能器的頻率和焦距，決定了換能器的穿透深度和理論分辨率，通常來說換能器的頻率越高，穿透深度越小，理論分辨率越大。超聲波換能器是超聲波掃描顯微鏡系統的核心部件。

聲波的傳播是通過介質材料分子間的振動不斷向周圍傳遞的，分子間距越小，聲波的傳輸速度越快。測試樣品通常需要浸泡在去離子水中，去離子水就是聲波傳播的媒介。

SAM主要用到以下超聲波的傳輸特性：

超聲波通過介質材料時，根據材料的聲阻特性，以波形的形式呈現，判斷材料界面是否突變。圖2為聲波通過不同介質材料時的波形示意圖。波形的呈現主要與以下材料特性相關：

(1) 密度(ρ)：單位體積下物體的質量，單位為kg/m3。

(2) 聲速(c)：聲波在介質傳輸時的速度，單位為m/s。

(3) 聲阻抗(z)：Z=ρ?c。

(4) 反射率(R)：聲波從聲阻抗為Z1的介質進入聲阻抗為Z2時，反射系數為 ?

??

當Z1＜Z2，超聲波由密度低的介質通過密度高的介質時，R為正數，即波形顯示為正波。

當Z1＞Z2，超聲波由密度高的介質通過密度低的介質時，R為負數，即波形顯示為負波。

當Z1＝Z2，超聲波通過相同密度的介質時，波形顯示為平行波。

例如，圖2所示，如果Z1與Z2材料界面出現分層（通常分層位置為空氣，超聲波無法在空氣中傳播），此界面顯示的波形變成負波。

值得注意的是，聲波在介質中傳播必然會發生衰減，主要原因有衍射、散射、吸收。所以根據樣品的材料和厚度選擇合適的換能器顯得非常重要。

圖2? ?聲波探測到不同介質材料時的反射波形（A-Scan）

掃描聲學顯微鏡的掃描模式：

（1）脈沖反射模式：利用反射波成像（圖3）

優點：可以聚焦到具體某一界面進行檢測，成像清晰，能夠判斷缺陷的深度。

缺點：通常需要對樣品正反面掃描。

脈沖反射模式常用的掃描方式:

A-Scan：超聲波的基本信號源，該波形代表了超聲波聚焦在樣品某一點上后得到的反射波形。

B-Scan：也叫縱向截面的掃描，可以確定缺陷縱向上的位置。

C-Scan：也叫平面掃描，通過選擇關注的界面波形在樣品上方來回掃描，把樣品每一點反射的波形處理形成二維圖像，可以精確地觀察感興趣的界面，判斷該界面或材料的缺陷。圖5為通過脈沖反射波（C-Scan）成像檢測倒裝芯片underfill的分層。

（2）透射模式：利用透射波成像（圖4）

優點：一次掃描可檢測所有界面，可驗證脈沖反射成像結果，也可用于大批量器件快速篩選。

缺點：無法確認缺陷的位置，相比于反射波成像分辨率較低。

圖6為通過透射模式成像檢測塑封器件的內部分層。

二、掃描聲學顯微鏡的應用

掃描聲學顯微鏡檢查在破壞性物理分析（DPA）、失效分析（FA）、質量控制以及材料分析中應用廣泛，包括：

1. 評價大功率器件芯片的粘接質量；

2. 檢測材料缺陷以及塑封電路的分層、裂紋、空洞等；

3. 也可用于大批量器件的篩選，剔除次品等。

特別對于塑封電路，分層缺陷較為常見。由于塑封電路屬于潮濕敏感器件，暴露在空氣中容易吸潮，如果器件中存在分層、空洞等缺陷，水汽會通過缺陷通道加速進入到器件內部，可能對內部芯片進行腐蝕，導致器件失效。另外樣品在回流焊的過程中，如果控制不當，溫度迅速升高，內部的潮氣產生蒸汽壓力引起“爆米花”效應，可能導致引線斷開或塑封料開裂。

在DPA數據統計中發現塑封集成電路的掃描聲學顯微鏡項目不合格的比例占了不合格總批數的80%以上。掃描聲學顯微鏡作為非破壞性分析手段是剔除缺陷器件的有效工具。

圖7至圖10是一些SAM檢查出的典型問題。圖7為塑封集成電路的芯片、引線架以及基板存在大面積分層。圖8為塑封集成電路的封裝材料存在空洞。圖9為大功率器件散熱片的粘接空洞。圖10為多層陶瓷電容器內部材料存在分層。

三、小結