Page 14 - 《应用声学》2021年第5期

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0 引言
集成电路制造工艺中缺陷的在线检测是 2020
年中国科协发布的十个重大工程技术难题之一，电
子封装是集成电路后道制造工艺中的重要工序，对
其缺陷的检测具有重要意义。电子封装是指将一个
或多个集成电路芯片包装、连接成电路器件的制造
工艺 [1] ，它不仅具有电源和信号分配的作用，而且
为芯片提供机械支撑、芯片保护和散热通道等支持。
近年来，电子封装持续朝着超小型化、超高密度和
高复杂度方向发展，其结构越来越复杂，服役环境越
来越恶劣，人们对电子封装的可靠性需求日益提高。
如图 1 所示，电子封装层次结构复杂，在制作、封装、
集成和服役过程中难免会出现缺陷，主要的缺陷类
型有分层、裂纹、空洞和夹杂物，在使用过程中，这些
缺陷在热循环、电磁以及应力场的作用下不断扩展
和演化，最终导致电子器件性能失效
的财产和生命安全。
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图 1 电子封装典型结构和缺陷类型
Fig. 1 Typical structure and defect types of elec- 用15.3 GHz的超高频换能器，对置于加压液态氦中
tronic packaging
为了提高电子封装的可靠性，发现其表面和内
部的缺陷，需对其进行精确的无损检测，由于电子
封装结构普遍集成度高、尺寸微小，要求无损检测
技术有较高的分辨率。X 射线检测和超声显微检测
是电子封装领域最常用的两种无损检测技术，X 射
线检测技术采用的是透射模式，难以检测出试样内
部的分层缺陷、微小裂纹，且对人体有害
微检测技术使用大于 20 MHz 的超声波，分辨率可
以达到微米级甚至亚微米级，是一种可以无损、精
细、高灵敏度地检测试样亚表层及内部结构的无损
检测技术 [4] ，此外，超声显微检测技术对多层结构
中的粘接不良、封闭裂纹等面积性缺陷特别敏感，在
对电子封装进行检测时具有独特的优势。
电子封装是典型的多层结构，各层厚度约为亚
毫米级甚至微米级，在对电子封装进行超声显微检
测时，会存在由于纵向分辨率不足导致的回波重叠
2021 年 9 月
问题，虽然提高超声波频率可以提高纵向分辨率，但
是较高频率的超声波衰减大、穿透能力低，因此，如
何在不增加超声波频率的情况下提高纵向分辨率，
即实现超分辨率，具有重要的现实意义。对此，本文
综述了超声显微检测技术在电子封装中的主要应
用与发展，对超声显微检测的超分辨率问题进行了
分析，介绍了现有研究方法在实现超分辨率时的原
理及适用场景，为后续研究提供依据。
1 超声显微检测概述
1.1 超声显微检测技术的发展
声 学 显 微 镜 (Scanning acoustic microscope,
SAM) 就是利用超声显微检测技术对材料进行无
损、快速和高精度检测的设备，20 世纪 30 年代，前
苏联学者 Sokolov 提出了声学显微镜的设想，由于
[2] ，危害人们
当时高频超声波的产生和信号处理技术的限制，直
至1973年，才由Stanford 大学Quate教授研究组研
制出第一台声学显微镜，其分辨率为 10 µm，不如
ቇศ 光学显微镜 [5] ；1978 年，Jipson 等 [6] 将声学显微镜
的频率提升至将近 3 GHz，使之达到了与光学显
微镜相当的分辨率；1983 年，Hadimioglu 等 [7] 使用
4.4 GHz 的超声波对置于沸水中的试样进行了检
测，获得了0.2 µm的分辨率；1990年，Muha等 [8] 使
的试样进行了检测，分辨率达到了 15 nm。声学显
微镜、光学显微镜和电子显微镜是研究物质微观结
构和性质的重要工具，其中，声学显微镜根据使用的
频率能穿透到物体内部不同深度，精准聚焦到需要
检测的层面，已被广泛应用在生物医学科学、材料科
学、工艺学及微电子学等领域 [9] 。如 2007 年，Weiss
等 [10] 使用 0.86 GHz 声学显微镜测量了活体 HeLa
[3] ；超声显 细胞的声学特性，并测得了亚细胞结构的弹性参数；
2020 年，Burak 等 [11] 使用声学显微镜对模拟组织
材料的声学特性进行了量化；2020 年，Hertl 等 [12]
研究了水、异丙醇和氟碳等液体作为耦合液，用于
电子元件的超声显微检测，获得了各种电子元件的
失效分析图像。目前，研制声学显微镜商用设备的
公司主要有德国 PVA 公司、美国 Sonix 公司、美国
Sonoscan 公司和中国电子科技集团公司第四十五
研究所等，这些公司声学显微镜的分辨率均可达到
亚微米级别 [13] 。