利用超音波檢測MLCC中的氣隙缺陷

作者 : Tom Adams,Nordson SONOSCAN顧問

可以在MLCC被安裝到系統之前,檢測其內部是否有氣隙缺陷存在。這些介面可以用超音波進行檢測,可以是在安裝前對大批量的MLCC進行檢測或安裝後對個別MLCC進行檢測。

在多層陶瓷電容(MLCC)的組裝過程中,電極層和位於其上方的陶瓷生片的底部之間可能會積聚一些空氣。這些空氣填充的孔隙(氣泡/氣孔)可能在燒結後仍然存在,並且可能存在於已經投入使用的電容中。

這種氣泡/氣孔對非常薄的電極幾乎沒有影響,但是氣泡/氣孔的存在會使電容的機械強度變弱。電路板安裝的應力可能導致最靠近氣泡/氣孔的陶瓷介電層產生裂紋,回流過程中由於加熱和冷卻而產生的熱應力也會導致裂紋產生。正常使用中的熱迴圈也可能形成裂紋或者使已經存在的裂紋擴大。

這樣的裂紋可以保持相對無害,直到其中一個裂紋延伸過介電陶瓷片達到另一個電極,並在兩個電極之間形成導電通路, 引起短路,使MLCC發生故障。在低壓MLCC中,短路會中斷電路功能,對系統的影響可大可小。而高壓MLCC由於其儲存的能量高,因此可能會發生爆炸。由於固體材料(例如陶瓷)和氣體(分層中的空氣)之間存在介面,因此可以在MLCC被安裝到系統之前,檢測其內部是否有氣隙缺陷存在。這些介面可以用超音波進行檢測,可以是在安裝前對大批量的MLCC進行檢測或安裝後對個別MLCC進行檢測。

這樣的檢測由聲學顯微成像(又稱超音波顯微成像)系統進行。本文中顯示的影像都是由Nordson SONOSCAN實驗室中的C-SAM系統產生的。該系統的感測器在離單個電容或盛有許多電容的托盤上方幾mm處進行掃描時,感測器每秒會發射數以千計的超音波波脈衝訊號到電容的表面。每個脈衝發射到一個特定x-y座標位置,脈衝穿過陶瓷層(下圖中的白色橫框)和電介質層,並且在層之間的每個介面處都被輕微反射(如小的空心紅色箭頭所示),因此它一路在不斷地衰減,但是衰減很小。

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當脈衝撞擊任何一種固體材質與空氣之間的介面(比如分層,水準裂紋或氣泡/氣孔)時,幾乎所有脈衝都會被反射回感測器,如上圖左側的大的紅色實心箭頭所示, 沒有訊號能穿過固體材質和空氣之間的介面。而那些沒有遇到氣隙的脈衝(如上右側的藍色實心箭頭所示)繼續到達電容的底部,在該處被反射回感測器。

脈衝訊號在單個MLCC或裝滿MLCC的托盤的某個x-y位置的回聲在對應的超音波影像中形成一個畫素點。儘管超音波影像可以被著色,但是原始的影像是單色的:由於分層和其他氣隙的回波幅值大,因此它們在超音波影像中的畫素點呈現白色。而兩種固體材質之間的介面(例如,環氧樹脂與矽之間的介面)只有一部分的脈衝訊號會被反射(幅值較小),在超音波影像中它們呈現灰色。而其他部分的脈衝訊號會穿過該介面並且行進得更深,而這些訊號可能會到達下一個介面再被部分反射。 如果在所選擇的深度範圍內(比如接近電容的整個厚度內)有些位置沒有遇到任何介面,就不會產生回聲,這些位置在超音波影像中的畫素點呈現黑色。

每種材質都有其自身的聲阻抗,它是密度和聲速的函數。來自兩個材質介面的回聲的幅度大小取決於兩種材質的聲阻抗值之間的差異,這就不難理解為什麼固體-空氣的介面會反射幾乎所有脈衝。

MLCC中的兩種固體材質比較特殊:陶瓷和電極的聲阻抗值非常接近。這意味著超音波脈衝可以從大型MLCC的表面傳播到底部,並從那裡被反射回來,雖然有一定的衰減,回聲的強度足以被接收和量化。即使有數百個電極層和介電層,也是如此。在超音波顯微成像中,類似的例子不多。在典型的電子元器件中,脈衝穿過幾層材質回聲就很弱了,更不要說幾十或數百層了。

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上圖是一個低壓MLCC的C模式超音波影像。感測器對電容進行掃描,並收集來自數以千計的x-y位置的內部介面的回波。為了製作該影像,需要在系統中設置一個電子閘,它的寬度幾乎是整個電容的厚度——這意味著接收器只接受電子閘內的回波並用以成像。設置電子閘的寬度時需要將電容的表面和底面排除在外。在對其他類型的電子元器件的成像過程中,電子閘的寬度通常比這裡所提到的小很多。例如,在對倒裝晶片進行成像時,電子閘只需包括那些來自晶片與底部填充材料之間的介面的回波,或者底部填充材料與基板之間的回波,因為這些介面是經常發生缺陷的地方 ,而不需要考慮包括其它的回波。

在篩選應用中,由於使用者設置的電子閘幾乎包含了整個MLCC的厚度,因此,我們無法確定右側的最大的圓形氣泡所處的具體深度。但這不影響對於該產品做「通過/失效」的判別:無論其所在深度,該氣泡有可能在某個時候擴展成為一個裂紋,從而破壞整個電容的功能。該影像也顯示該電容中還存在其它幾個異常。明亮的紅色或綠色特徵可能都是氣泡。其它較小的氣泡,它們的亮色特徵在影像上也顯得非常小, 即使很小的氣泡也會對電容造成損壞。

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上圖是對同一個多層陶瓷電容使用不同的成像模式產生的超音波影像。超音波顯微成像系統有大約15種不同的成像模式,大多用於特定的目的。第一張影像是透過設置電子閘包含幾乎電容的整個厚度所形成的。但是,上圖是用非常不同的方式產生的。

感測器在電容的表面掃描,這點和生成第一張所示的影像是一樣的。它從相同的數千或數百萬個x-y位置收集資料。不同的是電子閘的位置。在第三張影像中,接收器僅接受來自電容底面的回波,而不接收來自表面或電容內部任何材質介面的回波。

究竟怎麼回事?當每個脈衝都通過表面進入並向下傳播時, 大多數脈衝沒有遇到任何材質介面,儘管它們被沿途穿過的材質衰減。當到達底部時,它們以回波的形式沿相同路徑返回。它們到達接收器時,仍然有足夠的幅值強度在影像上呈現比較明亮的畫素。

一些回波遇到電容和氣泡/氣孔中空氣之間的介面,它們以回波的形式從該深度返回,而無法到達電容的底面。這些回波到達接收器,但為時過早,無法在設定的電子閘對應的時間範圍內被收集,因此被忽略。幾納秒後,從底面返回的回波到達該電子閘。由於氣泡/氣孔的回波不在這個電子閘對應的時間視窗內, 因此這些氣隙區域在影像中呈現為黑色的畫素點。其它一些異常也呈現黑色。影像的清晰度不如第一張影像,這是因為沒有完全聚焦,而且到達的超音波波,來來往往,可能已經穿過了100多個反射較弱的材料介面 。

這種成像模式也可以用於相對較厚的高壓MLCC。 任何深度的結構缺陷都會被發現,而且有缺陷的電容將不會投放到重要的需要高壓MLCC的應用中。

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上圖是另一個在不同位置具有類似缺陷的MLCC的超音波影像。 影像除了顯示缺陷的x-y位置外,還顯示其在電容中的深度。影像使用相同的感測器。它首先產生C模式影像確定缺陷所在x-y平面中的位置,然後再使用一種稱為Q-BAM的模式──定量B掃描分析模式。此模式會產生穿過樣品的非破壞性的橫截面圖。

該電容一半的C模式影像顯示在圖的上半部。這一半的右上角的紅色圓形即是缺陷。紅色直線對應感測器在產生該橫截面影像時所經過的路徑。圖的下半部分是電容的Q-BAM橫截面圖。感測器第一次掃描過紅色直線時,它聚焦在電容的最底部,並僅從該深度收集回波。然後,感測器稍微往上移動,並沿該直線掃描回來,收集來自當前較高深度的所有介面的回聲。感測器每沿該直線掃描一次後,就向上移動一些,這樣持續來回掃描, 直到到達樣品表面。

該非破壞性橫截面影像中的尺寸與電容被實際切開的光學影像中的尺寸相同。這種非破壞性成像模式使使用者可以根據需要,沿任意多條直線做截面圖。實際切片仍可用於詳細分析,但典型的順序可能是:

1.超音波C模式影像以定位異常特徵的x-y座標;
2.超音波Q-BAM影像顯示非破壞性的橫截面圖;
3.對選定平面進行實際切片;
4.實際橫截面的光學影像。

本文介紹的成像模式通常用於對低壓和高壓MLCC進行成像和分析。在需要時,可以使用大約十多種其它超音波成像模式來發現異常。

本文原刊於《電子工程專輯》雜誌簡體中文版2020年2月號

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