塑封器件无损检测技术探讨

在现代电子产业中，塑封器件凭借其成本低、重量轻、体积小以及物理和电气性能优良等诸多优势，得到了越来越广泛的应用，具有广阔的市场前景。然而，由于其固有的结构和材料特点，塑封器件不可避免地存在一些潜在缺陷，这些缺陷会直接影响其长期使用的可靠性。因此，在塑封器件装入整机之前，必须进行严格检验以降低风险。塑封器件的无损检测技术不仅能剔除早期失效样品，还能有效地识别和剔除有潜在缺陷的器件，从而提高电子整机的可靠性。
一、引言
近年来，随着各塑封器件厂商对封装材料、芯片钝化和生产工艺的不断改进，塑封器件的可靠性有了显著提高。航天用设备制造商不再局限于使用气密封装器件，开始考虑采用经过可靠性试验筛选、鉴定评价且满足规范要求的塑封商用器件。但塑封器件固有的结构和材料特性使其存在潮气入侵、腐蚀、开裂和内部分层等失效机理，这使得塑封器件初被认为是较容易失效的产品，也限制了其在高应力和高可靠环境中的应用。因此，如何辨别器件真伪、快速评价批次塑封器件的抗潮湿性能以及运用无损物理检测技术有效检验剔除潜在缺陷，成为了亟待解决的问题。
二、塑封器件无损检测技术
无损检测技术是指不必打开封装就能对样品进行质量评价的技术。目前，除初始电参数测试外，外部目检、X 射线检查和声学扫描显微镜检查是塑封器件主要且有效的三种物理无损检测技术。其中，X 射线检查对 MOS 器件有辐射损伤，在检测塑封 MOS 器件时需格外谨慎。
电参数测试通常按照产品数据手册规定的参数和功能进行，并记录每个失效器件的失效模式。室温下初始电测量中若检出过多不合格品，可能意味着批产品质量不佳，可作为替换批产品的依据。但对于许多电性能检测无法发现的产品内部结构或制造工艺潜在质量问题，物理无损检测技术则是一种有效的解决方法。从某种意义上说，电子元器件的物理分析检测与电性能检测同样重要，它不仅可用于元器件的采购质量控制，还能进行质量对比优选和真伪技术鉴别。物理无损检测的本质是鉴别产品的设计、材料和工艺缺陷，并通过分析缺陷可能产生的后果来评价产品的可靠性。
2.1 外部目检
外部目检依据 GJB 4027A－2006 工作项目 1103 - 2.2 条和 GJB 548B - 2005 方法 2009.1 “外部目检” 进行检测和判定。塑封器件采用整体模塑封装结构，包括金属框架、芯片、芯片与基板的粘接材料、内引线以及塑模化合物，没有封装空腔，也没有金属、玻璃或陶瓷材料形成的气密性封装。因此，相对于其他封装形式的器件，塑封器件无需进行气密性方面的检查，但必须着重检查模塑化合物的完整性，对封装变形、包封层外来物、空洞和裂纹、引线等方面提出了新的检验要求，同时需要对（成品）批一致性进行评估。
由于国产塑封器件研制起步较晚，整机厂商常采购国外产品。根据实验室分析数据，进口塑封器件采购中混批情况时有发生，且多为质量差、可靠性低的器件。混装样品很难从原始包装和正面标志辨别，需打开包装，在 3× 至 10× 放大倍率下检查样品外观，通常检查型号、批次、产地等标识信息是否清晰一致，包封表面有无磨痕、缺损，以此对器件真伪进行初步鉴别。常见的异常现象包括器件背面外观标识不一致、包封层表面有明显磨痕等。
2.2 X 射线检查
X 射线检查是利用样品不同部位对 X 射线吸收率和透射率的差异，通过检测 X 射线通过样品各部位衰减后的射线强度，来判断样品内部结构是否存在缺陷。如今，X 射线透视仪已具备亚微米量级的空间分辨率，能实现对被测物体的多角度旋转成像，还可通过计算机分层扫描技术提供二维切面或三维立体成像。这种检查方法不仅能清晰展示被测样品的内部结构，还能识别塑封器件内部的各种缺陷，如塑料包封的异物和空洞、芯片定位不准和粘接空洞、引线框架毛齿、键合内引线偏移和断裂等设计、结构、材料和工艺缺陷。
需要注意的是，X 射线检查并非无损，它可能会使 MOS 等敏感器件暴露在非正常的高剂量下，从而造成损伤。因此，在进行 X 射线检查时，需要对敏感器件可能受到的辐射影响进行评估。近年来，在检查中发现不少以次充好的进口塑封器件劣质品，如键合丝下塌、无键合引线、同批样品内部结构不一致（混批）等情况，这些劣质品会给电子整机、系统的运行带来很大隐患。
2.3 声学扫描显微镜检查
声学扫描显微镜利用超声脉冲探测样品内部的空隙等缺陷。随着技术的发展，声波信号的探测模式已从单点探测 A - 扫描、截面探测 B - 扫描、截面探测 C - 扫描拓展到多层截面探测 X－扫描、投射探测 T - 扫描等。无论采用哪种模式，对界面缺陷的定位分析都是基于声波信号在界面反射后是否发生相位变化来确定界面是否存在缺陷。
塑封器件属于对潮湿敏感的非气密性器件，抵抗环境能力较差，潮气入侵、腐蚀和应力引起的失效较为突出。一旦受到潮气侵入，在焊接等温变条件下，塑封器件容易发生各种作用导致分层，分层部位聚集的水汽或离子在某些条件下（如焊接、温变）会造成内部分层、键合损伤、金属化腐蚀或热膨胀，甚至出现爆米花现象。声学扫描显微镜技术对材料内部封装结构、裂纹、分层缺陷、空隙以及夹杂物异常现象具有高灵敏性和有效性。
标准 GJB 4027A－2006 工作项目 1103 - 2.4 条要求将每一只塑封器件分成 6 个区域进行迭层分离，检查下列包封区域的内部分层、空洞和裂纹：
芯片和模塑化合物的界面；
引线架和模塑化合物的界面（顶视图）；
引线引出端焊板边缘和模塑化合物的界面（顶视图）；
芯片与引出端焊板与模塑化合物的分界面（如果存在）；
引线引出端焊板与模塑化合物的分界面（后视图）；
引线架和模塑化合物的分界面（后视图）。
塑封器件以上 6 个界面的内部分层或空洞缺陷的典型声扫图如图所示。

对于检查的塑封器件，如呈现任何下列缺陷均应拒收：包括键合丝区域的任何空洞、裂纹和分层；塑封与芯片之间任何可测量的分层；导致表面破碎的包封上的任何裂纹；引脚与塑封剥离（顶视图或后视图）；塑封材料与基板分层面积超过其后侧区域面积的 1/2。