在高度集成化和微型化的現(xiàn)代電子工業(yè)中，塑封器件作為信息技術(shù)的核心部件，在航空航天、電子等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，同時(shí)這些領(lǐng)域?qū)ζ湫阅芘c可靠性也有著較高要求。塑封器件的封裝過程復(fù)雜且關(guān)鍵，是保障芯片與外部電路有效連接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，塑封器件材料熱膨脹系數(shù)不匹配，作業(yè)和保存環(huán)境的溫度、潔凈度、濕度，工藝設(shè)計(jì)的固化溫度、膠量、塑封溫度等因素的偏差都會(huì)導(dǎo)致塑封器件內(nèi)部出現(xiàn)空洞、分層等缺陷，給電性能帶來失效隱患[1-2]。為了提高塑封器件可靠性，降低使用風(fēng)險(xiǎn)，使用前需要進(jìn)行檢測(cè)與篩選。
為確保塑封器件使用的可靠性，業(yè)內(nèi)人員提出的相關(guān)檢測(cè)方法，大部分是破壞性檢測(cè)和塑封器件表面缺陷的檢測(cè)方法。馬勇等[3]提出機(jī)械預(yù)處理、激光燒蝕、微切割及化學(xué)腐蝕結(jié)合的開封工藝，對(duì)塑封器件進(jìn)行破壞性檢測(cè)。劉飛等[4]針對(duì)不同封裝技術(shù)的集成電路進(jìn)行破壞性物理分析與檢測(cè)。侯婕等[5]采用硬件對(duì)檢測(cè)芯片表面圖像進(jìn)行采集，提出超像素聚類和顯著性分析算法檢測(cè)芯片劃痕。傳統(tǒng)的破壞性檢測(cè)能確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，但器件開封會(huì)造成不可逆的損壞；基于表面圖像判斷缺陷的檢測(cè)方式，能夠避免對(duì)器件的破壞，但僅依靠表面圖像特征進(jìn)行檢測(cè)存在局限性，無法檢測(cè)器件內(nèi)部情況。
超聲檢測(cè)技術(shù)是一種無損檢測(cè)方法，其中，超聲顯微鏡（Scanning acoustic microscope，SAM）技術(shù)以水浸耦合的方式，根據(jù)超聲波回波信息進(jìn)行工件表面或內(nèi)部成像，能夠有效檢測(cè)工件內(nèi)部情況，判斷是否存在缺陷[6-8]。SAM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于塑封器件的缺陷檢測(cè)，但多基于聲波的形態(tài)特征進(jìn)行判斷[9-11]。文章對(duì)缺陷處超聲波信號(hào)特征進(jìn)行充分分析，比較基于信號(hào)時(shí)域特征和頻域特征判斷缺陷的方法，分析兩種方法的效率和可靠性。
1. 塑封器件內(nèi)部缺陷信號(hào)特征
1.1 超聲成像原理
超聲成像原理示意如圖1所示，檢測(cè)前需設(shè)定同步閘門與數(shù)據(jù)閘門的位置，確定成像深度；橙色實(shí)線同步閘門涵蓋被測(cè)器件表面波信號(hào)，精準(zhǔn)追蹤表面波信號(hào)和數(shù)據(jù)閘門內(nèi)信號(hào)；紅色虛線數(shù)據(jù)閘門起始位置及長(zhǎng)度涵蓋所有有效波形特征，可保障缺陷識(shí)別的全面性和精確度。以數(shù)據(jù)閘門內(nèi)的幅值信息作為特征值，最終生成不同灰度的圖像。
1.2 缺陷信號(hào)特征
聲阻抗是反映聲波在穿過某種介質(zhì)時(shí)，該介質(zhì)對(duì)聲波的吸收、反射和透射能力的物理量。當(dāng)聲波垂直入射時(shí)，反射率R與兩介質(zhì)的聲阻抗Z1，Z2間的關(guān)系可表示為
反射率正負(fù)對(duì)應(yīng)于信號(hào)相位振動(dòng)方向，當(dāng)聲波從低聲阻抗介質(zhì)向高聲阻抗介質(zhì)入射時(shí)，滿足Z1小于Z2的條件，聲波在界面上發(fā)生反射，反射率為正，反射波幅度小于入射聲波幅度但相位不變。而當(dāng)聲波從高聲阻抗介質(zhì)向低聲阻抗介質(zhì)入射時(shí)，滿足的條件，反射率接近-1，反射波幅度與入射波幅度相同，可視為全反射，且相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)。
塑封器件為多層結(jié)構(gòu)，表層為封裝層，內(nèi)部由芯片、基盤、內(nèi)引線等構(gòu)成。當(dāng)內(nèi)部某層出現(xiàn)空洞、分層等缺陷時(shí)，聲阻抗會(huì)出現(xiàn)明顯變化。塑封器件超聲掃查示意如圖2所示，超聲以水浸形式垂直入射進(jìn)行掃查，探頭發(fā)射的超聲信號(hào)一般為正波；經(jīng)過聲阻抗不同的兩界面時(shí)，根據(jù)式（1），超聲信號(hào)發(fā)生反射且反射波相位與探頭發(fā)射的超聲信號(hào)相位相同，即無缺陷信號(hào)顯示為正波；超聲信號(hào)經(jīng)過缺陷位置時(shí)，由缺陷上方介質(zhì)傳播至空氣介質(zhì)，兩介質(zhì)聲阻抗?jié)M足的條件，根據(jù)式（1）可得，此界面反射的超聲信號(hào)將與探頭發(fā)射的超聲信號(hào)相位完全相反，即缺陷信號(hào)顯示為負(fù)波。
2. 相位反轉(zhuǎn)缺陷識(shí)別方法
2.1 時(shí)域特征缺陷識(shí)別方法
2.1.1 包絡(luò)計(jì)算
包絡(luò)判斷示意如圖3所示（圖中紅色實(shí)線為數(shù)據(jù)閘門，綠色虛線為相對(duì)數(shù)據(jù)閘門對(duì)稱的幅度閾值）。對(duì)包絡(luò)類型進(jìn)行判斷，提取數(shù)據(jù)閘門內(nèi)信號(hào)幅值，計(jì)算當(dāng)前幅值的前差商和后差商，根據(jù)前差商和后差商的正負(fù)變化可判斷當(dāng)前幅值點(diǎn)是否為包絡(luò)極值點(diǎn)，當(dāng)包絡(luò)極值點(diǎn)位置高于幅度閾值時(shí)，記錄其正負(fù)類型。
以第一個(gè)超過閾值的包絡(luò)為例，B為當(dāng)前幅值點(diǎn)，B與前幅值點(diǎn)A差值為正，后幅值點(diǎn)C與B差值為負(fù)，差值正負(fù)發(fā)生變化且幅值點(diǎn)B位于信號(hào)上方，判定為“+”類型；以第二個(gè)超過閾值的包絡(luò)為例，E為當(dāng)前幅值點(diǎn)，E與前幅值點(diǎn)D差值為負(fù)，后幅值點(diǎn)F與E差值為正，差值正負(fù)發(fā)生變化且幅值點(diǎn)E位于信號(hào)下方，判定為“-”類型。
2.1.2 時(shí)域特征判定
超聲探頭發(fā)出的信號(hào)為正脈沖信號(hào)，以信號(hào)包絡(luò)分布特征表示信號(hào)時(shí)域特征，無缺陷信號(hào)形的3個(gè)包絡(luò)依次排序?yàn)樨?fù)包絡(luò)、正包絡(luò)、負(fù)包絡(luò)；缺陷信號(hào)形的3個(gè)包絡(luò)依次排序?yàn)檎j(luò)、負(fù)包絡(luò)、正包絡(luò)。
有無缺陷處信號(hào)時(shí)域特征判別示意如圖4所示。當(dāng)信號(hào)的包絡(luò)極值點(diǎn)超過幅度閾值時(shí)，記錄其正負(fù)類型，累計(jì)獲得3個(gè)包絡(luò)極值點(diǎn)時(shí)，判斷所得類型是否滿足缺陷信號(hào)條件；圖4（a）中，信號(hào)第1個(gè)和第5個(gè)包絡(luò)未超過閾值，不記錄，第2、3、4個(gè)包絡(luò)極值點(diǎn)超過閾值且類型排序?yàn)椤?+-”，認(rèn)定為非缺陷信號(hào)；圖4（a）中，信號(hào)第1、2、3個(gè)包絡(luò)極值點(diǎn)超過閾值且類型排序?yàn)椤?-+”，認(rèn)定為缺陷信號(hào)，而第4個(gè)包絡(luò)未超過閾值，不記錄。當(dāng)信號(hào)類型滿足“+-+”時(shí)進(jìn)行標(biāo)紅處理，反之，進(jìn)行正常成像。
2.2 頻域特征缺陷識(shí)別方法
2.2.1 相位信息計(jì)算
快速傅里葉變換(Fast fourier transform，F(xiàn)FT)在信號(hào)處理、圖像處理等領(lǐng)域被普遍應(yīng)用，主要用于將信號(hào)時(shí)域信息轉(zhuǎn)換到頻域，可表示為
式中：f(t)為信號(hào)的時(shí)域信息；F(t)為信號(hào)的頻域信息；e?jωt為復(fù)指數(shù)函數(shù)。
信號(hào)進(jìn)行FFT后的數(shù)組為復(fù)數(shù)數(shù)組，對(duì)數(shù)組取模并進(jìn)行歸一化處理后，得到頻域信息。在頻域中，橫坐標(biāo)為頻率，每個(gè)頻率分量Fi都對(duì)應(yīng)數(shù)組中的一個(gè)復(fù)數(shù)ai+bij，這個(gè)復(fù)數(shù)包含該頻率分量的相位信息，幅角代表該頻率分量的相位。頻域中最大幅值處對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)Fmax為該閘門內(nèi)數(shù)字信號(hào)的有效頻率，可以得到此時(shí)閘門內(nèi)信號(hào)的相位信息，其他頻率代表的聲波是超聲波傳播過程中產(chǎn)生的噪聲。
閘門內(nèi)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過FFT處理后，提取頻域中Fmax對(duì)應(yīng)的頻率復(fù)數(shù)表達(dá)a+bj，對(duì)復(fù)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到相位信息P，可表示為
2.2.2 相位變化特征
超聲脈沖信號(hào)f(t)通常用正、余弦函數(shù)與高斯函數(shù)的乘積表示
式中：fc為信號(hào)頻率；A為高斯脈沖的寬度參數(shù)，決定時(shí)域信號(hào)的寬度及信號(hào)頻譜的幅值、寬度。
正、余弦標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)時(shí)域信息如圖5所示。由式（4），（5）生成頻率為100 MHz的標(biāo)準(zhǔn)正、余弦脈沖信號(hào)，并將位于初始位置的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別在時(shí)域上移動(dòng)t1和t2，t1為0.1 μs，t2為0.2 μs。
100 MHz脈沖信號(hào)頻域如圖6所示，對(duì)圖5中的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行頻域變換，頻域相同，均在100 MHz頻率處有最大值。
FFT得到的相位譜可以進(jìn)一步揭示相位反轉(zhuǎn)的特性。以余弦脈沖信號(hào)為例，對(duì)圖5中6個(gè)余弦脈沖信號(hào)進(jìn)行FFT，將得到的頻域進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換獲得各信號(hào)相位譜如圖7所示（圖中黑色豎直虛線為各信號(hào)的主頻率位置），可知在時(shí)域同一位置處的正波與負(fù)波相位譜均有相同大小偏移，偏移量為π，即相位差均為π，驗(yàn)證了信號(hào)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)相位的變化特征。
由余弦函數(shù)和高斯脈沖函數(shù)乘積構(gòu)成的脈沖信號(hào)傅里葉變換公式推導(dǎo)結(jié)果為
式（6）中，F(xiàn)（f）為無復(fù)數(shù)項(xiàng)，即脈沖信號(hào)在初始位置相位為0。由式（2）可知，當(dāng)信號(hào)在時(shí)域上向右時(shí)移t0時(shí)，復(fù)指數(shù)函數(shù)變化為，多乘積，由轉(zhuǎn)換的弧度值即為時(shí)移t0信號(hào)的相位變化。經(jīng)弧度轉(zhuǎn)換，無時(shí)移正波與時(shí)移t1正波相位差為－20π，與時(shí)移t2正波相位差為－40π。由圖7可知，以100 MHz主頻率處相位比較，無時(shí)移正波與時(shí)移t1正波相位相差－20π，與時(shí)移t2正波相位相差－40π；FFT計(jì)算的相位與復(fù)指數(shù)函數(shù)計(jì)算的相位結(jié)果相同，同時(shí)驗(yàn)證了相位大小與信號(hào)在時(shí)域的位置有關(guān)。
2.2.3 設(shè)定判定法則
根據(jù)聲阻抗原理，缺陷信號(hào)與表面波相比，波形發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將呈完全相反的相位。理想情況下，缺陷信號(hào)與非缺陷信號(hào)的相位差接近π。
為避免時(shí)移對(duì)相位計(jì)算的影響，以表面信號(hào)正向最大峰值與閘門內(nèi)信號(hào)反向最大峰值進(jìn)行定位，歸一化窗口放置于信號(hào)同一位置，計(jì)算表面波相位與閘門內(nèi)信號(hào)相位之差ΔP。而在超聲掃查過程中，超聲回波信號(hào)會(huì)因材料介質(zhì)特性、環(huán)境以及波的相互作用等因素影響而出現(xiàn)相位輕微偏移現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)存在為減少相位偏移引起的誤判。
設(shè)定角度閾值P0，當(dāng)ΔP大于π-P0時(shí)，認(rèn)定為缺陷，即
在成像過程中進(jìn)行缺陷識(shí)別判斷，滿足判斷法則時(shí)，進(jìn)行標(biāo)紅成像；反之，進(jìn)行正常灰度成像。
2.2.4 頻域特征缺陷識(shí)別算法流程
基于相位反轉(zhuǎn)的頻域特征缺陷識(shí)別算法整體流程如圖8所示。首先，選取同步閘門和數(shù)據(jù)閘門位置，確定掃查的深度；其次，對(duì)數(shù)據(jù)閘門內(nèi)數(shù)字信號(hào)信息進(jìn)行峰峰值提取，計(jì)算成像灰度值；然后，將表面信號(hào)與閘門內(nèi)信號(hào)固定于信號(hào)同一位置，利用FFT實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，并篩選出頻域幅值最大的頻率信息，得到聲波的有效頻率，再通過轉(zhuǎn)換獲得相位，得到相位差ΔP；最后，通過建立相位反轉(zhuǎn)判斷法則，判斷相位差是否與接近π，滿足判定時(shí)像素點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)紅處理，不滿足條件時(shí)像素點(diǎn)進(jìn)行灰度成像。
3. 試驗(yàn)與分析
3.1 標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)
為驗(yàn)證缺陷識(shí)別算法的可行性，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置采樣頻率為500 MHz，探頭頻率為100 MHz進(jìn)行掃查。根據(jù)《中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部機(jī)械計(jì)量技術(shù)規(guī)范——JJF(機(jī)械）1066—2021》，標(biāo)準(zhǔn)件由兩層單晶硅片構(gòu)成，尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為10 mm×10 mm×1 mm，單片厚度為0.5 mm。利用激光腐蝕加工技術(shù)在單個(gè)硅片層預(yù)制相同深度的微米級(jí)缺陷，加工后與無缺陷硅片鍵合在一起，形成具有內(nèi)部缺陷的單晶硅標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部預(yù)制缺陷如圖9所示，標(biāo)準(zhǔn)件中A區(qū)域?yàn)椴煌叽绲钠降卓兹毕荩珺區(qū)域?yàn)閷挾炔煌拈L(zhǎng)條缺陷，C區(qū)域?yàn)椴煌螤畹木€條缺陷，D區(qū)域由線條缺陷和平地孔缺陷組成，各缺陷的深度均為200 μm。圖9（b）中紅框?yàn)槿毕蒡?yàn)證部分，各部分缺陷特征及具體尺寸如圖10所示。
Ⅰ區(qū)域A點(diǎn)表面波與缺陷信號(hào)對(duì)比如圖11所示。對(duì)圖10中Ⅰ區(qū)域孔徑為300 μm的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，分析成像結(jié)果中A點(diǎn)處的回波信號(hào)特征，由圖11可知，缺陷信號(hào)波形特征與表面波波形特征相比，有明顯的相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
3.2 時(shí)域特征識(shí)別驗(yàn)證
采用不同幅度閾值驗(yàn)證時(shí)域特征缺陷的識(shí)別結(jié)果，紅色區(qū)域?yàn)闃?biāo)定的缺陷，灰度區(qū)域?yàn)檎３上瘛２煌乳撝迪聲r(shí)域特征識(shí)別成像如圖12所示，可見10%、20%和30%幅度閾值成像的效果有所不同，幅度閾值為20%和30%時(shí)，閾值過高，有效包絡(luò)信息丟失，出現(xiàn)漏檢情況；幅度閾值為10%時(shí)，在排除噪聲的同時(shí)，閾值以上部分包含所有有效包絡(luò)信息，識(shí)別準(zhǔn)確無漏檢。故最終以10%閾值作為標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)域特征成像的標(biāo)準(zhǔn)閾值。
3.3 頻域特征識(shí)別驗(yàn)證
頻域特征識(shí)別成像如圖13所示，設(shè)置角度閾值為0.3π進(jìn)行頻域特征驗(yàn)證，紅色區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)域，灰度區(qū)域?yàn)檎３上瘛Ｓ?a>圖13可見，識(shí)別處理后的圖像與標(biāo)準(zhǔn)件預(yù)制缺陷位置一致，但與時(shí)域特征識(shí)別相比，缺陷邊緣位置的識(shí)別效果并不好，且運(yùn)行更加耗時(shí)。
4. 無損檢測(cè)掛證結(jié)語(yǔ)
基于缺陷信號(hào)存在相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，提出以信號(hào)的時(shí)域特征和頻域特征判斷缺陷的識(shí)別方法。
頻域特征識(shí)別算法通過FFT提取信號(hào)的相位信息，能夠反映信號(hào)的頻率特性。但在實(shí)際應(yīng)用中，此方法效率低，難以實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外，信號(hào)的時(shí)移對(duì)相位有影響，計(jì)算時(shí)需要?dú)w一化窗口起點(diǎn)來消除。
與頻域相位識(shí)別算法相比，時(shí)域特征識(shí)別算法直接分析信號(hào)的包絡(luò)和幅度變化，計(jì)算過程簡(jiǎn)潔，不用考慮時(shí)移對(duì)相位的影響，易于實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外，其利用閘門幅度閾值可以快速濾除噪聲干擾。
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