11.5. Контроль качества сборочных операций

Качество паяных соединений по внешнему виду проверяется при помощи бинокулярного микроскопа типа МБС-9 с кратнос­тью увеличения х56. Соединения с гладкой блестящей поверх­ностью без трещин и следов перегрева, с полностью заполнен­ным зазором между паяемыми деталями (при угле смачивания 5-10°) считаются высококачественными. Одновременно отмеча­ются такие дефекты, как холодный непрогретый спай, избыток или недостаток припоя. Визуальным контролем обнаружива­ются трещины в кристалле в результате значительных остаточ­ных напряжений в нем, возникших на операции монтажа крис­таллов в корпус (см. рис. 11.11).

Для повышения объективности визуального контроля и удоб­ства в работе используют стереомикроскопы Mantis фирмы Macro Vision Engineering с хорошими эргономическими показателями, увеличением в 2,5—5,0 раз, освещением рабочего поля 9500 люкс, возможностью безокулярного наблюдения (рис 11.11) или рабочие места визуального контроля VS8.

Рис. 11.11. Внешний вид кристалла: 1 - кристалл; 2, 3 - контактные площадки; 4 - проволочное соединение; 5 - трещина

Недостатками визуального контроля являются: ограничен­ные возможности зрения, человеческий фактор, невозможность выявления скрытых или потенциальных дефектов.

Применение систем рентгеновского контроля является эф­фективным средством диагностики скрытых технологических дефектов, повышения качества и надежности выпускаемых из­делий за счет обеспечения контроля каждого паяного соедине­ния и целостности интегральных микросхем. Система рентгено­вского контроля нового поколения с нанофокусной трубкой и разрешением 0,5 мкм (см. рис. 11.12, а) позволяет надёжно диагностировать общий вид структуры прибора (см. рис. 11.12, б) и локализовать следующие типы дефектов: качество разварки соединительного проводника кристалл—рамка; наличие пустот между подложкой и кристаллом; наличие пустот в корпусе.

Рис. 11.12. Нанофокусная система рентгеновского контроля - а и изображение полупроводникового прибора — б

Для выявления скрытых дефектов в изделиях, анализа на­пряженно-деформированного состояния материалов применяют акустическую микроскопию с фото- или телерегистрацией результатов анализа. Акустическая микроскопия использует высокочастотные (от 5 до 200 МГц) УЗ колебания и осуществ­ляется методами сквозной передачи и отраженного сигнала. Ме­тод отраженного сигнала, требующий доступа только к одной стороне изделия, позволяет обнаруживать скрытые дефекты после

монтажа, кристаллов, разварки проволочных соединений, герме­тизации электронных модулей.

Для бесконтактного возбуждения и приема акустических колебаний в исследуемых объектах часто используются различ­ные термо- и оптико-акустические эффекты. Если быстро на­греть какой-либо участок твердого тела, то другие его участки нагреваются спустя некоторое время. Локальный нагрев изде­лия вызовет появление термомеханических напряжений и аку­стических волн, так как тепловое возмущение распространяется значительно медленнее упругого. В качестве источников нагрева могут быть использованы любые модулированные по интенсив­ности источники электромагнитного излучения: лазерные, элек­тронные, ионные. Выбор источника нагрева и частоты модуля­ции определяется свойствами объекта, необходимой мощнос­тью, чувствительностью и разрешающей способностью аппара­туры, размерами пятна, в которое необходимо сфокусировать излучение.

Термоупругие деформации объекта приводят к возникнове­нию акустических колебаний, регистрация которых осуществ­ляется с помощью пьезоэлектрических датчиков, регистрация деформации области нагрева - с помощью интерферометров и координатных приемников, однако в отличие от «мираж-эффек­та» вспомогательный лазерный луч отражается от поверхности в области нагрева.

Принцип действия фотоакустического микроскопа основан на явлении генерации и распространения в объекте тепловых волн, возбуждаемых зондирующим лазерным излучением или электронным пучком, модулированными по интенсивности I₀. Поглощенное излучение Iа приводит к нагреву освещенной об­ласти и генерации периодических тепловых потоков Q_s и Q_g ,

распространяющихся соответственно в объекте и от его грани­цы в окружающую газовую среду (рис. 11.13, а). Решением уравнения термо-диффузии, отвечающим данной ситуации, яв­ляются температурные волны, затухающие в е раз на длине распространения тепла μ_s,g в твердом теле и окружающей среде (рис. 11.13, б):

Вследствие периодического нагрева и тепловой деформации локальной области объекта в нем также возбуждаются и рас­пространяются акустические волны той же частоты, что и тем­пературные волны. Это явление получило название фотоакусти­ческого эффекта в твердом теле. Акустические колебания объекта регистрируются датчиком. Фотоакустический сигнал, снимае­мый с датчика, для каждой выделенной области объекта зави­сит от ее локальных физических свойств. При сканировании лазерным лучом в двух взаимно ортогональных направлениях формируется фотоакустическое изображение объекта.

Акустические методы диагностики - акустическая микроско­пия (AM), сканирующая лазерная акустическая микроскопия (СЛАМ) и фотоакустическая микроскопия (ФАМ) - наиболее перспективны при контроле контактных микросоединений в изделиях микроэлектроники и электронной техники как на этапе разработки, так и в их производстве.

В акустической микроскопии и сканирующей лазерной мик­роскопии первичная информация получается в результате гене­рации, взаимодействия и приема чисто акустических колебаний, а в лазерной фотоакустической микроскопии она возникает при оптическом взаимодействии импульсного лазерного излучения с поверхностью твердого тела. Амплитуда генерируемых акусти­ческих колебаний в ФАМ определяется, во-первых, коэффици­ентом оптического поглощения лазерного излучения в каждой точке поверхности сканируемого объекта и, во-вторых, мощным фоновым сигналом, который возникает вследствие удаления с поверхности объекта различных оксидов и загрязнений при пер­вичном сканировании лазерным лучом. Однако оптические, аку­стические и фононные составляющие фотоакустического сигна­ла создают на результирующей топограмме достаточно слож­ные изображения, для расшифровки которых требуется опыт и специальные методические разработки.

Лазерная фотоакустическая микроскопия имеет следую­щие преимущества:

• бесконтактное возбуждение акустических колебаний в твер­дом теле сфокусированным лучом лазера открывает широ­кие возможности сканирования объектов сложной конфигу­рации и относительно больших площадей;

• во многих случаях зависимость фотоакустического сигнала от величины оптического поглощения сканируемой поверх­ности позволяет получать одновременно и топограммы рас­пределения оптического поглощения, а при использовании лазера с перестройкой по длине волны — видеоспектральные топограммы поглощения;

• конструкции AM и СЛАМ и методики их применения требу­ют иммерсионного контакта акустической части с объектом, что в случае применения AM значительно ограничивает пло­щадь сканирования (не более 2x2 см), а для СЛАМ требует полного погружения объекта в ванну с жидкостью. Эти тре­бования исключаются при исследованиях с использованием ФАМ.

По диапазону возможных применений в электронике фото­акустическая микроскопия является универсальным методом,

обеспечивающим решение множества задач контроля, ранее тре­бовавших использования многих и к тому же разрушающих методов. Бесконтактность и локальность оптического возбужде­ния акустических колебаний позволяют производить быстрое зондирование ответственных зон и участков изделия, а также топографировать распределение характеристик. Благодаря за­поминанию различных промежуточных состояний контролиру­емого образца, последовательно подвергаемого различным воз­действиям, открываются возможности исследования динамики разрушения соединений и определения, запасов их прочности.

В концерне «Планар» (Республика Беларусь) создан и эксп­луатируется комплекс лазерного фотоакустического диагнос­тирования и неразрушающего контроля качества сварных, пая­ных и адгезионных соединений в изделиях электроники. В основе данного метода используется фотоакустический эффект, который возникает при точечном сканирующем воздействии мо­дулированного лазерного излучения на исследуемый объект.

Основные технические характеристики комплекса:

• увеличение геометрическое - от 1:1 до 2500:1 крат;

• число градаций отображаемого параметра - 16;

• максимальное поле сканирования — 100x100 мм;

• размеры образца — до 10 мм (микро-) и до 65 мм;

• разрешающая способность - от 0,5 мкм до 100 мкм;

• чувствительность к нарушению структуры - до 10 нм;

• число строк сканирования - 256.

Обработка параметров электрического сигнале обеспечивает возможность получения достоверной информации о неоднород-ностях структуры исследуемого объекта. Для интерпретации результатов контроля данная информация визуализируется в виде цветной 16-градационной двухмерной фотоакустической топограммы, на которой уровень максимальной сплошности (диффузия, адгезия, смачиваемость) материалов представлен чер­ным цветом, а по мере увеличения несплошности (расслоения, полости, инородные включения) цветовая гамма меняется вплоть до белого цвета, проходя всё цветовые оттенки, показанные на шкале (см. рис. 11.14):

Комплекс лазерного фотоакустического диагностирования (см. рис. 11.15) позволяет производить диагностику и неразрушаю-щий контроль качества:

• присоединения кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем к основанию корпусов припоями и клеевых композиций;

• микросварных соединений золотой, алюминиевой, медной и др. проволокой различными видами микросварки;

• сварных и паяных швов корпусов изделий электроники; гер­метизации пресс-компаундами;

• монтажа электронных компонентов (SMD, СОВ);

• адгезии металлизированных покрытий к подложкам.