第３２卷第１１期 ２０１０年１１月 现代雷达 Ｍｏｄｅｒｎ Ｒａｄａｒ Ｖｏｌ＿３２ Ｎｏ．１ｌ ＮＯＶ．２０１０ ・测试技术・ 中图分类号：ＴＭ９３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—７８５９（２０１０）１１—００９７—０４ 芯片共晶焊接焊透率测量系统改进研究 胡永芳，姜伟卓，丁友石，严 伟 （南京电子技术研究所， 南京２１００３９） 摘要：ｘ射线检测设备是功率芯片焊后空洞率检测的有效手段。文中介绍了ｘ射线设备的检测原理和超声扫描设备检测 原理，通过多次不定期的进行样件Ｘ射线检测，发现其测量系统分析不太稳定，对测量真值、测量的重复性和再现性不能 控制。后经制订标样，采用超声扫描设备进行标样的空洞率检测，将超声扫描检测值作为真值进行ｘ光设备的参数确定， 从而再对未知芯片进行空洞率检测。试验结果表明：将超声扫描检测值作为ｘ光检测设备的标定样，此方法测量出的空 洞率值能够通过ＭＩＮＴＡＢ软件中Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ测量系统分析，测量值是真实可靠的，对产品的工艺检验评价起到了至关重要 的作用。 关键词：共晶焊接；焊透率；测量系统分析 Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｐ Ｅｕｔｅｃｔｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ ＨＵ Ｙｏｎｇ—ｆａｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｗｅｉ—ｚｈｕｏ，ＤＩＮＧ Ｙｏｕ—ｓｈｉ ＹＡＮ Ｗｅｉ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｘ ｒａｙ ｉｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｔｏ ｔｅｓｔ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｃｈｉｐ ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ．Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｘ ｒａｙ ｅｑｕｉｐ－ ｍｅｎｔ ａｎｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｂｙ Ｘ ｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｏｆ ｍａｎｙ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ ａｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ，ｉｔ ｉｓ ｉｎ— ｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｎｏｔ ｓｔｅａｄｙ，ｍｅａｓｕｒｅ ｒｅａｌ ｖａｌｕｅ，ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｃａｎ ｔ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｎｏｒｍａｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ，ｆｉｒｓｔｌｙ ｖｏｉｄａｇｅ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｉｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｓｅｃｏｎｄｌｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｖｏｉｄａｇｅ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｓｅｔ ａｓ ｒｅａｌ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｇｕｉｄｅ Ｘ ｒａｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｅｔｔｉｎｇｓ，ｌａｓｔｌｙ ｖｏｉｄａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｏｆ ｕｎｋｎｏｗｎ ｃｈｉｐ ｉｓ ｄｏｎｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｖｏｉｄａｇｅ ｖａｌｕｅ ａｓ ｒｅａｌ ｖａｌｕｅ．ｖｏｉｄａｇｅ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ Ｘ ｒａｙ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｓａｔ・ ｉｓｆｉｅｄ ｂｙ Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＭＩＮＴＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅｓ ａｒｅ ｒｅａｌ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｐｌａｙ ａｎ ｉｍ－ ｏｒｐｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ；ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ０ 引 言 ＧａＡｓ微波功率器件因其优越特性在相控阵雷达、 微波通信系统等领域发挥着重要作用。ＧａＡｓ微波功 率器件的主要结构形式有功率单片微波集成电路、内 配完成后如何判别产品为合格件，其检测准确性关系 到产品的生产成本及长期可靠性。由于焊缝是内部焊 缝，无法用一般的显微镜或者自动光学显微镜之类的 检测设备来完成检测，需要一种无损检测。 本文对超声波检测空洞率和ｘ射线衍射设备检 测空洞率２种检测原理进行分析和研究，通过采用２ 种检测手段进行芯片的空洞率检测测量系统分析，比 匹配功率放大器和采用ＧａＡｓ功率管管芯研制的功率 放大模块３种结构形式ｕ 。 目前，ＧａＡｓ微波单片集成电路已成为有源固态 相控阵雷达Ｔ／Ｒ组件的关键器件 Ｊ。ＧａＡｓ单片功率 芯片尽管有着体积小、带宽宽、一致性高等一系列优 点，但其研制成本相对较高。由于ＧａＡｓ功率芯片的 基体材料导热差，而大功率芯片与基体（基板）的连接 必须要有十分好的微波接地能力（低欧姆接触）和较 较测量真实值、测量的重复性和再现性的差异，并采用 超声扫描设备进行标样的空洞率检测，将超声扫描检 测值作为真值进行ｘ光设备的参数确定，从而对未知 芯片进行空洞率检测，确定测量系统的可行性＿３ ｊ。 ｌ 检测原理分析 １．１ Ｘ射线检测原理 好的散热能力，因此其装配难度极高。最重要的是装 通信作者：胡永芳 Ｅｍａｉｌ：ｈ＿ｙｏｎｇｆｎｇ＠１ａ６３．ｅｏｍ 收稿日期：２０１０－０７—１５修订日期：２０１０．１０－２８ ｘ射线检测是根据样品不同部位对ｘ射线吸收 率和透射率的不同，利用ｘ射线通过样品各部位衰减 一９７— 现代雷达 后的射线强度检测样品内部缺陷的一种方法。ｘ射线 衰减的程度与样品的材料品种、样品的厚度和密度有 而是整个ｚ方向上的叠加效果。而超声波检测因其 检测原理能够弥补并且替代ｘ射线检测。其优点为 浅表层结构的分析无损检测、材料力学性能的检测 （如硬度、密度、压力等）。 关，材料的内部结构和缺陷对应于灰黑度不同的ｘ射 线影像图 Ｊ。 本文所用的ｘ射线检测仪型号为ＨＡＷＫ．１６０ＸＩ 型。此ｘ射线检测仪是由在高电压下产生的电子束 照射到金属钨表面，产生的ｘ射线倾斜向下照射并高 速旋转，同时在下面有一个闪烁器平台也以同样的速 度与ｘ射线同步旋转，闪烁器平台实际上是一个对ｘ 射线敏感的接收器。一般来讲，ｘ射线不能透过锡、铅 等重金属，从而形成深色影像；而一般的物质则被ｘ 射线穿透，不会形成影像。ｘ射线在光源与闪烁器平 台之间的某一位置上聚焦，出现一个聚焦平面，聚焦平 面上的物体或图像会在闪烁器平台上形成一个清晰的 图像，不在聚焦平面上的物体或图像在闪烁器平台上 则被“虚掉”，只有一个阴影。此ｘ射线测试仪独特 之处是ｘ射线源在被检测物体的一侧发射ｘ射线，ｘ 射线穿过物体后，被对ｘ射线敏感的图像增强器所接 收，接收到的信号转化为图像显示出来。整个过程如 图１所示。图像中灰度较大的地方表明ｘ射线能量 衰减多，材料比较致密。而灰度较小的地方，则表明材 料不连续或材料稀疏 Ｊ。利用这一点特性，可以检测 元件的焊件焊接质量。图像处理软件按照设置的采样 参数和行频从探测器获取图像数据，具有测量面积比 率，气泡率等一系列的功能。功放芯片焊接质量就是 通过ｘ射线测试仪形成图像并由图像处理软件计算 其空洞率，从而反映出芯片焊接质量的优劣，如图２所 示。然而要真实准确反映出芯片的焊接质量就需要确 定此ｘ射线测试仪的测量系统能力，准确的测量值更 能为工艺改进提供正确的方向。因此，ｘ射线测试仪 测量系统分析方法非常值得研究和完善 Ｊ。 照相机 —— Ｕ 电路 Ｉ Ｘ射线管Ｉ 二＝ｊ Ｉ 厂＿Ｕ ］监视器 图１ ＨＡＷＫ・１６０ＸＩ的Ｘ射线测试仪工作原理 １．２超声波检测原理分析 ｘ射线检测虽已广泛应用于组装行业，也能基本 定性和定量判断被测件的焊接缺陷，但对于特殊被测 件还是无法很好识别和判断。例如：芯片焊接在载体 上，ｚ方向上有局部或者界面上存在部分空洞率时， 射线检测因分辨率不够无法去真正剖析界面的缺陷， 一９８一 图２芯片Ｘ射线焊透率检测图 超声波检测原理：如图３所示。超声波检测图像 上（Ｃ．Ｓｃａｎ）的每一个像素对应着从样品内某一特定深 度的一个二维空间坐标点上的信号的反馈，具有良好 聚焦功能的Ｚ．Ａ换能器同时能够发射和接收超声波 信号。一幅完整的图像就是这样逐点逐行对样品扫描 而成的。反射回来的超声波被附加了一个正的或负的 振幅，这样就可以用信号传输的时间反映样品的深度。 用户屏幕上的数字波形展示出接收到的反馈信息（Ａ— Ｓｃａｎ）。设置相应的门限位置和宽度，用这种定量的时 间差测量（反馈时问显示），就可以选择所要观察的样 品深度了。超声波焊透率检测图如图４所示。 图３超声波检测原理示意图 图４超声波焊透率检测图 ２测量系统分析方法 ２．１标定样本的测量系统分析 根据前期ｘ光检测功率芯片空洞率的测量系统 分析和改进结果可知说明此期间测量系统的重复性和 再现性均好，从空洞率一操作者图可以看出，操作者与 ・测试技术・ 胡永芳，等：芯片共晶焊接焊透率测量系统分析改进研究 零件编号的交互作用图表明操作者与零件之间无明显 的交互作用，说明测量方法稳定，两个操作者之间无太 长，耗材灯丝的消耗会带来拍摄图片所用的电压和电 流参数不一致，图片拍摄的灰度也不一致，从而导致测 大的差异，测量系统分析合格。但随着使用时间的延 量系统发生不稳定。如图５和表１所示。 表１ Ｘ一射线检测量具Ｒ＆Ｒ分析结果 注：可区分的类别数＝２ 超声扫描Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ的方差分析图形结果输出。从表 ２会话窗口输出结果可以看出，可区分类别数＞５，且 研究变异＜３０ ，说明使用超声波检测设备测量系统 ＇ ０ ＵＣＴ＝ＩＯ 具有较好的重复性和再现性，测量系统分析合格。如 ＡＢ Ａ Ｂ操作青撵作存 图６所示看出测量系统表现良好，控制图上有个异常 点出现，说明此测量系统分析还有很大的改善空间。 ５１）氍Ｉ 从空洞率一操作者图可以看出，操作者与零件编号的 交互作用图表明操作者与零件之间无明显的交互作 图５ Ｘ一射线检测测量系统Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ的方差分析图形结果输出 用，说明测量方法稳定。因此，可以使用该测量系统对 针对ｘ光检测功率芯片空洞率的测量系统分析 ｘ射线检测设备进行标定。 如何改进和稳定，我们开展头脑风暴方法进行讨论，集 思广义，最后通过评分一致认为为ｘ光检测设备制作 ［二 严ｉ¨Ｒ拉Ｒ取 冉 Ｅ 埘 ０１５ 一６～一” ］ 标样方法可行。由于本行业对空洞率暂无一个标准的 编 一 ＂０ ￣－－￣诠释，没办法定义空洞率，更没办法制作一个类似焊接 状态的已知空洞率的样件，只能通过一个测量系统分 ０ ．１５三 析良好的设备来测定样件的空洞率，并以此空洞率对 ￣０． １５ 口 样件赋值，然后再对ｘ光检测进行标定。因此，我们 拟选用了超声波检测设备计算的焊透率对样件标定， 为了保证超声检测设备计算的准确性，首先对超声波 图６ 超声扫描Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ的方差分析图形结果输出 检测系统做了测量系统分析，见表２。如图６所示是 表２超声扫描量具Ｒ＆Ｒ分析结果 注：可区分的类别数：１０ ２．２ ｘ射线检测采用标定后的测量系统分析 片分类计算，根据分类后的焊透率情况选定在此范围 我们根据不同范围的空洞率制定了几个典型的标 之内的标样，针对标样采用合适的参数计算，使其焊透 样，在采用ｘ射线检测时，将所有的样品按照拍摄图 率数值应与超声波检测焊透率数值一致，固化参数，对 一９９— ２０１０，３２（１１） 现代雷达 相似的芯片焊后图片进行焊透率计算。选取两个操作 者和ｌ０个典型的样品，按照以上步骤操作者将每个样 品重复检测两次，采用Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ对数据进行分析，结 果见表３和如图７所示。发现数据的重复性和再现性 均好，说明采用典型标样对ｘ射线检测能够取得可靠 的测量数据，经较长时间的监测，该测量系统稳定。 表３ 以超声扫描标样的Ｘ．射线检测量具Ｒ＆Ｒ分析结果 注：可区分的类别数＝７ Ｚｈａｎｇ Ｌｕｃｈｕａｎ，Ｌｉｎ Ｌａｎｆｅｎｇ．Ａｎ Ｘ—ｂａｎｄ ＧａＡｓ ｄｒｉｖｅｒ ａｐｌｉ— ｉｆｅｒ ＩＣ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００６，３６（６），８３４—８３６． ［３］李孝轩，胡永芳，禹胜林，等．ＧａＡｓ功率芯片的低空洞率 真空焊接技术研究［Ｊ］．电子与封装，２００８，８（６）：１７—１８． Ｌｉ Ｘｉａｏｘｕａｎ，Ｈｕ Ｙｏｎｇｆａｎｇ，Ｙｕ Ｓｈｅｎｇｌｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｔｏｗ ｖｏｉｄａｇｅ ｖａｃｕｕｍ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｈｉｐ ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ｐａｃｋａｇｉｎｇ，２００８，８（６）：１７—１８． ［４］ 王听岳．微波电路组装工艺研究［Ｊ］．电子工艺技术， １９９９．２０（５）：１９０—１９３． 图７ 以超声扫描标样的Ｘ．射线检测Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ的 方差分析图形结果输出 Ｗａｎｇ Ｔｉｎｇｙｕｅ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｓｓｅｍｂｌｙ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，２０ （５），１９０—１９３． ３ 结束语 采用ｘ射线检测设备通过采用典型标样进行标 定固定参数后对功率芯片焊后焊透率检测，应用六西 ［５］ 王铁兵，施建中．Ａｕ／Ｉｎ等温凝固芯片焊接工艺研究 ［Ｊ］．功能材料与器件学报，１９９９，５（４）：２９５—３０２． Ｗａｎｇ Ｔｉｅｂｉｎｇ，Ｓｈｉ Ｊｉａｎｚｈｏｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ｆｏｒ ｄｉｅ 格码管理对测量系统进行评价，通过用Ｍｉｎｉ—Ｔａｂ软件 对测量的连续型数据进行Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ分析，可得出以 下结论：１）Ｇａｇｅ Ｒ＆Ｒ分析ｘ射线检测设备检测功率 芯片焊后焊透率此测量系统长时间还是会存在波动， 无法固定；２）采用典型标样进行标定固定参数后对ｘ ｂｏｎｄｉｎｇ ｂｙ Ａｕ／Ｉｎ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ，１９９９，５（４）：２９５—３０２． ［６］邵泽波．无损检测技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２００３． Ｓｈａｏ Ｚｅｂｏ．Ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ： Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，２００３． 射线检测设备测量系统系统分析改进是一种有效的手 段；３）通过典型标样进行标定能使Ｘ射线检测测量系 ［７］ 陈方林，刘彦．基于支持向量机的ｘ射线焊缝缺陷检 测［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１０（２）：１２２—１２６． Ｃｈｅｎ Ｆａｎｇｌｉｎ，Ｌｉｕ Ｙａｎ．Ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｘ－ｒａｙ ｉｍａｇｅ ｏｆ 统处于长期稳定可靠的阶段。 参考文献 ［１］钟世昌，周焕文，陈堂胜，等．１２ ＧＨｚ一１５ ＧＨｚ ５ Ｗ ＧａＡｓ 宽带内匹配功率管及其应用［Ｊ］．固体电子学研究与进 展，２００８，２８（３）：３６０—３６１． Ｚｈｏｎｇ Ｓｈｉｃｈａｎｇ，Ｚｂｏｕ Ｈｕａｎｗｅｎ，Ｃｈｅｎｇ Ｔａｎｇｓｈｅｎ，ｅｔ ａ１． １２ ＧＨｚ一１５ ＧＨｚ ５－Ｗａｔｔ ＧａＡｓ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｉｔｅｍａｌｌｙ ｍａｔｃｈｅｄ ｗｅｌｄ ｕｓｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉ－ ｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０１０（２）：１２２—１２６． ［８］曹捷，麻树波，张国琦，等．新型高分辨率ＢＧＡＸ射线 检测机［Ｊ］．电子工艺技术，２００８，２９（６）：３４６～３４８． Ｃａｏ Ｊｉｅ，Ｍａ Ｓｈｕｂｏ，Ｚｈａｎｇ Ｇｕｏｑｉ，ｅｔ ａ１．Ｘ—ｒａｙ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ＢＧＡ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２９（６）：３４６—３４８． ｔａｎｓｉｓｔｏｒ ａｎｄ ａｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００８，２８（３）：３６０—３６１． ［２］ 张鲁川，蔺兰峰．Ｘ波段砷化镓单片驱动功率放大器 ［Ｊ］．微电子学，２００６，３６（６），８３４—８３６． 胡永芳装技术。 女，１９８１年，工程师。研究方向为混合电路微组 ——．——１００－．．——
