超声波扫描显微镜sonscan
山东c-sam超声波显微镜工作原理
山东c-sam超声波显微镜工作原理
C-SAM超声波显微镜是一种非破坏性的检测设备，主要应用于半导体产业、电子器件、航空航天、工业制造等领域，用于检测材料内部的缺陷、异物、裂纹等。
在实际应用中，
C-SAM超声波显微镜具有灵敏度高、分辨率高、无损检测等优点，因此，被广泛应用于各
个领域。
C-SAM超声波显微镜的工作原理是利用超声波在固体材料中的传播规律来检测材料内
部的缺陷。
超声波是一种机械波，其传播速度和反射特性因材料的声学性质而异。
当超声
波传播到材料的表面时，会被部分反射回来，当遇到材料内部的缺陷时，超声波将穿过缺
陷并产生相应的反射信号。
C-SAM超声波显微镜通过检测这些反射信号并对其进行分析，可以获得材料内部缺陷的信息。
C-SAM超声波显微镜主要包括超声发射器、超声接收器、控制器和图像处理软件等组
成部分。
超声发射器主要用于产生超声波信号，它将电能转换成机械波能量，使超声波信
号以一定频率和幅度在材料中传播。
超声接收器主要用于接收从材料中反射回来的超声波
信号，并将其转换为电能信号。
控制器主要用于控制发射器和接收器的工作状态，并将接
收到的信号传输到计算机中进行处理。
图像处理软件主要用于对信号进行处理和分析，并
将检测结果显示出来。
总之，C-SAM超声波显微镜是一种高精度、高可靠性的非破坏性检测设备，在材料检
测和质量控制方面具有广泛的应用前景。
其工作原理简单明了，通过利用超声波在固体材
料中的传播规律来检测材料内部的缺陷，具有灵敏度高、分辨率高、无损检测等优点，是
现代工业生产过程中不可或缺的一部分。
声学扫描显微镜
扫描声学显微镜
声学扫描显微镜(SAM)是一种多功能、 高分辨率的显微成像仪器，兼具电子 显微术高分辨率和声学显微术非破坏 性内部成像的特点, 被广泛的应用在 ○ 物料检测（IQC）、失效分析（FA）、 质量控制(QC)、质量保证及可靠性 (QA/REL)、研发(R&D)等领域，可以检 测材料内部的晶格结构、杂质颗粒、 内部裂纹、分层缺陷、空洞、气泡、 空隙等，为司法鉴定提供客观公正的 微观依据。
扫描声学显微镜
组员：应物三班 宋 飞326 刘 健303 刘丹跃305
1、显微镜种类介绍 2、扫描声学显微镜的原理 3、扫描声学显微镜的性能及在材料科学中的应用
2
显微镜有很多种类，大致有：
透射电子显微镜(TEM) 扫描电子显微镜(SEM) 场离子显微镜(FIM) 高压电子显微镜(HVEM) 分析电子显微镜(AEM) 场发射电子显微镜(FEEM) 声学显微镜(AM) 扫描隧道显微镜(STM)
原子力显微镜(AFM)
超高压电子显微镜
•
• •
•
主要用途： 观测材料、矿物、生物样品、器件透射 电子显微象及电子衍射图，对样品微观组织、结构、 缺陷等定性、定量分析。 可对样品在加热、拉伸、 电子辐照等条件下微观组织的变化过程进行动态观测。 仪器类别： 03040701 /仪器仪表 /光学仪器 /电子光 学及离子光学仪器 /透射式电子显微镜 指标信息： 加速电压：1000kV 放大倍数：150倍～ 30万倍晶格分辨率：0.27nm 选区衍射相机长：2～ 6m 试样可加热温度：1000℃ 附件信息： 加热台（室温-1000℃），拉伸台加伸台 （室温-1000℃），动态过程摄象录象系统。双倾台 （±45° 该仪器是我国最大型的透射电子显微镜，它主要用于 各种材料的微结构分析，组织特征和相鉴定，缺陷研 究等。与普通电子显微镜相比较，它可以进行微观过 程的动态实验观察、辐照效应研究、厚试样和粗大析 出物的观察分析以及半导体微器件结构研究。同时， 本实验室样品制备、数据结果处理等附属设备齐全， 为科研实验创造了良好条件。
美国Sonoscan超声波扫描成像显微镜
美国Sonoscan超声波扫描成像显微镜广州南创房工美国Sonoscan公司提供世界领先的超声波扫描显微镜（Acoustic Microscopes）。
美国Sonoscan的产品在30多个国家设立了国外办事处及售后服务中心，并在中国设立了广州南创传感器事业部，为美国Sonoscan提供最佳的服务与解决方案。
超声波扫描显微镜（Acoustic Microscopes）是一种非破坏性的检测组件的完整性，内部结构和材料的内部情况的仪器，作为无损检测分析中的一种，它可以实现在不破坏物料电气能和保持结构完整性的前提下对物料进行检测。
被广泛的应用在物料检测（IQC）、失效分析（FA）、质量控制(QC)、质量保证及可靠性(QA/REL)、研发(R&D)等领域。
美国Sonoscan超声波扫描成像显微镜其可以检测：1.材料内部的晶格结构，杂质颗粒;2.内部裂纹;3.分层缺陷;4.空洞、气泡、空隙等等在声学显微成像（AMI: Acoustic Micro Imaging）技术应用于内部品质无损检测与分析方面，Sonoscan一直是该行业的权威之一。
Sonoscan系统被视为精确基准，通过我们的SonoLab™部门，您可以向我们的声学应用工程师进行咨询，获取专业意见和指导。
Sonoscan致力于通过教育项目、客户应用程序评估与新系统开发来实现AMI技术的持续改进。
对AMI技术的专业研究是Sonoscan工作的核心。
我们努力提供非凡的数据精确性、出众的图像质量和世界领先的技术。
我们在AMI技术方面还拥有多项美国和外国专利。
总之，Sonoscan是您最值得信任的伙伴，我们可以为您节省成本并提高效率。
Sonoscan C-SAM D9500是一种新型AMI标准仪器，可以提供出众的精确度和稳定性，适合破损分析、工艺开发以及材料分析与表征。
Sonoscan的优势：美国Sonoscan超声波扫描成像显微镜数据精确性：Sonoscan公司的专有信号处理算法可提供极其精确和可靠的评估。
《超声显微镜介绍》课件
超声显微镜的工作原理
原理
超声波在样品中传播时，与样 品中不同的组分处于不同的介 电常数状态，从而产生回波。
成像方式
探头
成像可分为A/B/C/D等多种方式， 常见为B模式成像，即二维图 像。
探头是超声显微镜的重要组成 部分，通过探头可以向样品中 发射和接收超声波。
超声显微镜的应用领域
1
材料研究
超声显微镜可用于材料缺陷检测、结构形貌分析和物理特性研究等领域。
接触式
适用于高精度测量，如生物 医学领域。
非接触式
适用于特殊材料的测量，如 铁氧体材料。
扫描式
适用于形貌和成像分辨率高 的材料测量，如纳米颗粒。
超声显微镜的维护和保养
日常维护
保持探头清洁、存储注意避免 摔落等。
清洁方法
校准
可使用丙酮、乙醇等有机溶剂， 也可使用超声波清洗机。
每半年进行一学
超声显微镜可用于活细胞的不同形态、机械性能和分子及胞器的成像研究等领域。
3
医学影像
超声显微镜可用于眼科、肿瘤学和产科等医学影像诊断领域。
超声显微镜的优势和局限
1 优势
2 局限
非损伤性，成像分辨率高，测量速度快。
只能测量物体表面和表层，对不同样品的 测量效果有差异。
超声显微镜的常见型号介绍
《超声显微镜介绍》PPT 课件
介绍超声显微镜的原理、应用、常见型号和维护方法。
什么是超声显微镜？
原理
超声显微镜利用声波在材料中的传播特性， 产生显微级别的图像。
构造
主要由探头、声学透镜、前端驱动电路、中 频放大器等部件组成。
类型
可分为接触式、非接触式和扫描式三种类型。
优势
成像分辨率高、不需要特殊样品制备、可以 测量不同样品的物理性质。
超声扫描仪原理
1Scanning Acoustic Microscope(SAM)超声波扫描显微镜Scanning Acoustic Microscope(SAM)超声波扫描显微镜H.S. Jang2What is Ultrasonics ?什么是超声波What is Ultrasonics ?什么是超声波•Sound waves which have a frequency over 20kHz. 频率超过20Khz 的声波(Audible frequency: 16Hz -20kHz) (人耳能人耳能听听到的声音频率为:16Hz-20kHz)•The sound waves which can not be heard by the human ear .超声波是人耳波是人耳听听不到的16Hz -20,000Hz3Types of Ultrasonic Waves超声波的波形Types of Ultrasonic Waves 超声波的波形1. Shear Wave(横波)1)The vibration direction and propagation direction areperpendicular .振幅方向和传播方向是垂直的2)Transmission in liquid or air is impossible.在液在液体体和空气中无法传播VibrationPropagation4Types of Ultrasonic Waves超声波的波形Types of Ultrasonic Waves 超声波的波形2. Longitude Wave (纵波)1)The vibration direction and propagation direction are same .振幅方向和传播方向是一致的2)Transmission in liquid is possible.可以在液可以在液体体中传播PropagationVibration5Characteristics of Ultrasonics超声波的特性Characteristics of Ultrasonics 超声波的特性1.100% reflection when it meets air(delamination)碰到空气(分层或离层)100%反射2.Reflects at interfaces在任何界面会反射3. Travels straight as light because of the very short wavelength.由于它的波长非常短, 所以和光线一样直线传播50%50%Air100%DieEMCAdvantages of Ultrasonics超声波的优点Advantages of Ultrasonics超声波的优点1.High resolution:很高的分辨率:Detectable minimum gap thickness of Sonix : 0.13 micro meterSonix 能够检测到的最小间隙厚度为0.13微米2.High sensitivity :很高的灵敏度:The measuring of size, location, shape of fine defects is possible.能够检测出细微缺陷的大小,位置和形状3.Real time inspection is possible.可以实时检测4.Safe : Harmless to human body.安全:对人体无害67Weak Points of Ultrasonics超声波的弱点Weak Points of Ultrasonics 超声波的弱点1.Difficult to inspect samples that have a rough surface or bubbles.很难检测出表面出表面很很粗糙或者内部有部有很很多气泡的样品2. Liquid is required to transmit ultrasonic需要液需要液体体进行超声波传输3.Needs expertise(Solution:TAMI )需要专家分析和判断(解决方案:TAMI)rough surfacebubbles100%100%100%8Uses for Ultrasonics超声波的用途Uses for Ultrasonics 超声波的用途1.Nondestructive test equipment.(S.A.M.)超声波无损探伤测试设备(如:超声波扫描显微镜)2. Sonar to find submarine, fish-finder用声纳找潜找潜水艇和水艇和鱼群3. Medical examination equipment身体检查设备4. Cleaner(15~50KHz)超声波清洗机5.Humidifier 超声波增湿机6.Welding(15~40KHz)超声波焊接9Reasons for Use of Ultrasonics使用超声波的理由Reasons for Use of Ultrasonics 使用超声波的理由1. Evaluation of semiconductor reliability评估半导体可靠性Existing the only estimation method of semiconductor reliability目前仅有的评估半导体可靠性的方法2. Nondestructive inspection of internal defects对内部缺陷进行无损检测Keep fine defects which can be lost by destructive inspection可以保留在损坏性检测中被丢失的细微缺陷Reuse of good samples after inspection样品通过检测后可以继续使用10Structure of QFP QFP 的结构图Structure of QFP QFP 的结构图EMC Epoxy Cu Lead FrameCu L/FCu L/FSilicon ChipGold WireHS JangDetectable Defects Detectable Defects 可以检测 到的缺陷 检测到的缺陷 可以检测到的缺陷 可以检测 检测到的缺陷 可以检测1. Delamination（离层） （ 2. Package Crack（塑封体裂缝） （塑封体 3. Die Crack（硅片裂缝） （硅片裂缝 4. Void（空洞） （空洞） 5. Tilt（硅片倾斜） （硅片倾 6. Foreign Materials （外来杂质） 杂质）PKG Crack Void Delamination Chip Crack PKG Crack11HS JangInspection using Ultrasonic Inspection using Ultrasonic 使用超声 波检测的原理 使用超声波检测的原理 使用超声 检测的原理 使用超声 检测的原理Signals in Digital OscilloscopeGateTransducer 波探头 超声波探头 Die SurfaceDie BottomUltrasonic 超声波 Package Surface EMC Die Die Surface Die BottomDie Attach AdhesivePackage SurfaceInspect defects using reflected signal in each interface 用反射信号检测 号检测每 用反射信号检测每个界面的缺陷12HS JangInspection Methods Inspection Methods 检测方法 检测方法 检测方法 检测方法1. Pulse Echo Methods（脉冲回波方法） 回波方法） （脉冲回波方法 1) A-scan : Inspection with waveform displayed on oscilloscope. A-扫描方式：检测波形并显示在示波器上 扫描方式：检测波形并显示在示波器上 波形并显 2）B-scan : Inspection with vertically x-sectioned 2-d image. ） B-扫描方式：检测垂直 方向的二维截面图 扫描方式：检测垂直x方向的二 截面图 垂直 方向的二维 3）C-scan : Inspection with horizontally x-sectioned 2-d image.. ） C-扫描方式：检测水平 方向的二维截面图 扫描方式：检测水平x方向的二 截面图 水平 方向的二维 4） TAMI : C-Scan with multiple(2~999) gate ） TAMI扫描模式：可以同时扫描出2-999层C-扫描方式 扫描模式：可以同时扫描出 时扫描出 层 扫 2. Thru-Transmission Method（透射方法） （透射方法） 1) T-scan : Inspection with transmitted signal. T-扫描方式：检测透射信号 扫描方式：检测透射信 透射13HS JangPulse Echo & Thru-Transmission Pulse Echo & Thru-Transmission 脉冲回波和透射 脉冲回波和透射 脉冲回波和透射 脉冲回波和透射Pulse Echo 脉冲回波 脉冲回波 Thru-Transmission 透射传输 透射传输14HS JangStructure of a Scanner Which uses both Pulse Structure of a Scanner Which uses both Pulse Echo and Thru-Transmission Echo and Thru-Transmission 使用脉冲回波和透射的扫 脉冲回波和透射的 同时使用脉冲回波和透射的扫描图 使用脉冲回波和透射的扫 脉冲回波和透射的 同时使用脉冲回波和透射的扫描图Transducer for Pulse Generation and Receiver for Pulse Echo 用于脉冲 射和脉冲回波接收的 脉冲发 脉冲回波接收 用于脉冲发射和脉冲回波接收的探头Water 水Transducer for Thru-Transmission 接收探头 接收探头用于透射15HS JangA-Scan A-Scan A-扫描方式 扫 A-扫描方式 扫1. Inspect defects with the phase and the magnitude of reflected waves on oscilloscope. 示波器上显示出反射波的相位和大小来检测 显示出反射波的相位和大小来检测缺陷 用在示波器上显示出反射波的相位和大小来检测缺陷 Merit : The most accurate inspection method. 最精确 检测方式 优点： 最精确的检测方式 3. 4. Weak Point : Only one point analysis is available not plane. 弱点：只能对于一个 弱点：只能对于一个点进行分析不能对于一个平面分析 行分析不能对于一个 Used to confirm the inspection results. 用于确认检测结果 用于确认检测结果PKG Surface Die Surface Die BottomUltrasonic2.PKG Surface Die Surface Die Bottom16HS JangA-Scan A-Scan A-扫描方式 扫 A-扫描方式 扫Stethoscope 听诊器17HS JangA-Scan A-Scan A-扫描方式 扫 A-扫描方式 扫PKG Surface 塑封体 塑封体表面Die Surface 芯片表面18HS JangA-Scan A-Scan19HS JangB-Scan B-Scan B-扫描方式 扫 B-扫描方式 扫1.Show the vertically x-sectional image from each interface. 方向的截面图 显示每个界面垂直x方向的截面图 示每个界面垂直 方向的截面2.Detectable defects : Crack, Tilt and Void. 检测的缺陷： 检测的缺陷： 裂缝，倾斜和空洞 的缺陷3.Merit : Analysis of the level of defects are possible. 优点：可以分析水平缺陷2021B-Scan B-扫描方式B-Scan B-扫描方式22B-Scan B-扫描方式B-Scan B-扫描方式23B-Scan B-扫描方式B-Scan B-扫描方式PKG SurfaceP K G C r a c kD ie S u r f a c e24B-Scan B-扫描方式B-Scan B-扫描方式25C-Scan C-扫描方式C-Scan C-扫描方式1.Shows the horizontally x-sectioned images after focus at an interface.在一个界面对焦后显示的平行x 方向的图片2.Detectable defects : Delamination, Die crack.检测的缺陷的缺陷：：离层，芯片裂缝3. Merit : The most precise inspection method.优点：最精确的检测方式4. Weak point : Needs expertise(Solution : TAMI).弱点弱点：：需要专家分析家分析（（解决方案方案：：TAMI)26C-Scan C-扫描方式C-Scan C-扫描方式E M CEMC27C-Scan C-扫描方式C-Scan C-扫描方式Dimple Pad Bottom of TSOPDie Surface of QFP281.Shows the 2~999 sheets of horizontally x-sectioned imagesof all interfaces. 显示所有界面上平行于X 方向的2 ~999层图象2.Detectable defects 可探测缺陷: All kinds of defects. 所有种类的缺陷3.Merit 优点:1) Do not need expertise. 不需要专家2) Do not need focusing. 不需要聚焦3) Inspection of any thin interface is possible. 可以检查任何细微的界面(Detectable minimum layer thickness : 1.5X ofwavelength) 可探测最小层厚可探测最小层厚：：波长的1。
Sonoscan超声波扫描仪
Sonoscan超声波扫描仪广州南创房工美国Sonoscan公司提供世界领先的超声波扫描显微镜（Acoustic Microscopes）。
美国Sonoscan的产品在30多个国家设立了国外办事处及售后服务中心，并在中国设立了广州南创传感器事业部，为美国Sonoscan提供最佳的服务与解决方案。
超声波扫描显微镜（Acoustic Microscopes）是一种非破坏性的检测组件的完整性，内部结构和材料的内部情况的仪器，作为无损检测分析中的一种，它可以实现在不破坏物料电气能和保持结构完整性的前提下对物料进行检测。
被广泛的应用在物料检测（IQC）、失效分析（FA）、质量控制(QC)、质量保证及可靠性(QA/REL)、研发(R&D)等领域。
Sonoscan超声波扫描仪其可以检测：1.材料内部的晶格结构，杂质颗粒;2.内部裂纹;3.分层缺陷;4.空洞、气泡、空隙等等在声学显微成像（AMI: Acoustic Micro Imaging）技术应用于内部品质无损检测与分析方面，Sonoscan一直是该行业的权威之一。
Sonoscan系统被视为精确基准，通过我们的SonoLab™部门，您可以向我们的声学应用工程师进行咨询，获取专业意见和指导。
Sonoscan致力于通过教育项目、客户应用程序评估与新系统开发来实现AMI技术的持续改进。
对AMI技术的专业研究是Sonoscan工作的核心。
我们努力提供非凡的数据精确性、出众的图像质量和世界领先的技术。
我们在AMI技术方面还拥有多项美国和外国专利。
总之，Sonoscan是您最值得信任的伙伴，我们可以为您节省成本并提高效率。
Sonoscan C-SAM D9500是一种新型AMI标准仪器，可以提供出众的精确度和稳定性，适合破损分析、工艺开发以及材料分析与表征。
Sonoscan的优势：Sonoscan超声波扫描仪数据精确性：Sonoscan公司的专有信号处理算法可提供极其精确和可靠的评估。
超声波扫描简介及案例分析
粗糙表面
气泡
声阻抗Acoustic Impedance
声阻抗决定在两种物质的界面处超声波能量反射 和穿透的多少
超声波检测的原理
Ultrasonics Pulse Generator
Pulse Receiver
Trigger System
Motor Driver
Transducer
Mechanical Scan Controller
13~16
10~15 6~9
适宜封裝
All package BGA/SOP/QFP/QFN
/SOT… BGA/SOP/QFP/QFN
/SOT… BGA/SOP/QFP/QFN
/SOT… Flip chip
适宜扫描模 式
T-Scan
C-Scan / T-Scan
C-Scan
可以检测到的缺陷
1. Delamination（离层） 2. Package Crack（塑封体裂缝） 3. Die Crack（硅片裂缝） 4. Void（空洞） 5. Tilt（硅片倾斜） 6. Foreign Materials （外来杂质）
PKG Surface
Die Surface
Die Bottom
PKG Surface Die Surface
Die Bottom
2）B-scan：检测垂直x方向的二维截面图
3）C-scan：检测水平x方向的二维截面图
4） TAMI ：可以同时扫描出2-999层C-扫描方式
EMC
Silicon Chip D/A Epoxy
S.A.M. 的结构
A-Scan B-Scan C-Scan T-Scan
Computer
超声波显微镜 统计 数据-概述说明以及解释
超声波显微镜统计数据-概述说明以及解释1.引言1.1 概述超声波显微镜是一种利用超声波技术进行显微观测的仪器。
超声波是一种高频声波，它的频率高于人类听觉范围的声波。
超声波显微镜通过发射超声波进入被观测物体，并接收反射回来的超声波信号来生成图像。
超声波显微镜可以用于非破坏性检测和显微表征各种物质和材料的内部结构和性质。
与传统光学显微镜相比，超声波显微镜具有更高的分辨率和穿透力。
它可以观察到微小细节，并且不受样品的透明性或表面形态的限制。
在超声波显微镜中，超声波的传播速度和衰减特性对图像质量起着重要作用。
通过测量超声波在样品中的传播时间和强度的变化，可以得到有关样品内部结构和物理性质的信息。
超声波显微镜广泛应用于材料科学、医学、生物学等领域的研究与实践中。
本文将详细介绍超声波显微镜的原理、应用和发展趋势。
我们将探讨超声波显微镜在材料成像、生物组织研究和医学诊断等方面的重要性，以及对未来研究的展望。
通过了解超声波显微镜的统计数据，我们可以更好地了解其在科学研究和实际应用中的意义和作用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：本文共分为三个主要部分，分别是引言部分、正文部分和结论部分。
引言部分主要对超声波显微镜进行了概述，并介绍了本文的结构和目的。
正文部分主要分为三个小节，分别是超声波显微镜原理、超声波显微镜应用和超声波显微镜的发展。
在这三个小节中，将详细阐述超声波显微镜的工作原理、其在医学、材料科学等领域的应用以及超声波显微镜技术的发展历程，并通过实验数据和实例来支持和说明这些内容。
结论部分主要对全文进行总结，概括了超声波显微镜的特点和优势，并展望了其未来的发展方向。
同时，对本文的论点进行进一步的强调和总结，以达到给读者一个明确的结论的目的。
综上所述，本文的结构清晰明了，详细介绍了超声波显微镜的原理、应用和发展，并对全文进行了概括性的结论和展望。
接下来，将详细阐述超声波显微镜的原理部分。
1.3 目的目的部分的内容：超声波显微镜作为一种新兴的显微镜技术，其在生物医学领域的应用前景非常广阔。
超声波显微镜在无损检测中的应用
超声波显微镜在无损检测中的应用陈昌华马钢股份有限公司技术中心摘要介绍了三种显微镜的原理及超声波显微镜在产品检测中的应用。
声学显微镜是无损、精细、高灵敏度地分析物体内部及表层结构的新型检测设备，利用时间门电路技术可以区分和获得材料内部不同深度的尺寸为微米到百微米的结构和缺陷。
研究结果表明，超声波显微检测技术具有层间结构图像直观等特点,可用于电子工业、化工行业及钢铁工业等领域材料质量等方面的检测。
检测过程中可实时显示被测材料的A ,B 和C三种扫描图像,缺陷检测结果直观。
主题词超声波；显微镜；C-SAM；连续谱；灰度谱；深度C扫描；幅度C扫描1.前言超声波显微镜(SAM)是以现代微波声学、硬件信号处理和计算机软件为基础，可以无损、精密地观察材料内部结构三维图像(3D Image)的新型声学设备。
超声波检测具有良好的穿透性、反射性，易于穿透不透明的物体及二种声阻抗之间易形成反射波（声压反射率公式：rp=（Z2cosα-Z1cosβ）/（Z2cosα+Z1cosβ），式中：Z1-介质的声阻抗；Z2-介质的缺陷声阻抗；α-入射角；β-反射角，当超声波垂直入射时，cosα=cosβ=1；当入射波与反射波同为一种波型时，α=β，上述公式简化为：rp=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)），超声波显微反差的机理是被测材料微观声学参数或力学参数的差异与分布。
传统超声检测技术的工作频率是1～10MHz ,由于其使用频率较低,检测分辨率不高；而超声显微检测技术最常用的工作频率为10～100MHz，甚至可以达到2GHz, 检测分辨率极高。
超声波扫描显微镜的特点在于能够精确的反映出材料声波和微小的弹性介质之间的相互作用，并对从材料内部反馈声阻抗的信号进行分析，图像上（B-Scan, C-Scan）的每一个象素点对应着材料内某一特定深度的一个二维空间坐标点上的信号反馈。
一副完整的图像逐行逐列的扫描材料完成，反射回来的超声波信号调理后送出检波或射频，这样就可以用信号传输的时间反映出材料的深度，用户可通过屏幕上的数字波形展示出接收到的反馈信息（A-Scan，TOFD）。
超声波扫描显微镜sonscan
Transmitted wave (穿透波)
Transmission Coefficient (T) (穿透系数T)
R Z2 Z1 Z2 Z1
Z1 1
MZ a2terial 2
Material 1 Material 2 R (%)
T (%)
T 2Z2 Z2 Z1
Plastic Air
-100
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
2、超声波扫描微成像工作原理
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Determining Echo Polarity (确定回声正负极性)
• The pressures generated at the focal spot are in the micro Joule range and are not harmful to even moderately delicate samples.
• The pulse in the acoustic microscope has very low energy in comparison.
1. 超声波基础知识 2.超声波扫描微成像工作原理 3. 超声检测设备的参数和软件介绍 4. 超声波成像应用举例 5.超声波检测和X射线检测
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Frequency, Resolution and Penetration (频率、分辨率和穿透力)
超声波扫描显微镜成像机制介绍
超声波扫描显微镜成像机制介绍超声波扫描显微镜是利用超声波对物体内部进行成像的无损检测设备，相对于其他显微技术，超声波与被检测物间的相互作用不同于光、电子束及X射线，这些不同的物理效应决定了接收信号的特征，从而形成了显微照片的对比度。
扫描速率取决于扫描机构（Scanner），安赛斯（中国）有限公司的最新v4系列扫描速率最大可达2m/s。
扫描机构在X、Y轴的扫描范围可达1000mm x 700mm，这使更大样品的检测变得可能。
先进的图像处理技术可以保证用户方便地进行伪彩色显示及对比度调节。
自动扫描功能可以对样品进行全自动的检测，这使得即便没有经过特殊培训的人员也可以完成检测任务。
超声波是由压电换能器（Transducer）产生的，频率在100MHz以下的换能器一般采用铌酸锂晶体、石英晶体或其他陶瓷；100MHz以上多采用ZnO等压电晶体。
这些换能器受到电子间歇脉冲的激发会在其固有频率下振荡，也可以在高频电磁场的激发下做受迫振荡。
超声信号在换能器内部传播需要经过一个蓝宝石（Al2O3）晶柱及一个集成在内部的声学透镜。
平面波在透镜与耦合介质的界面发生强烈折射，并在透镜的轴向聚焦。
透镜和样品之间的耦合介质主要用于传播超声波。
当超声波与被测物发生相互作用之后，系统开始与产生超声波相反的工作过程。
换能器收集已经发散的反射波，并将它们转变为平面波，之后再转变为电信号。
脉冲模式下高频功率为1瓦，由于超声波在样品表面发生反射、在水中（耦合介质）传播均需要一定的时间，故两次超声激发之间必须要有一个停顿。
超声激发的重复频率完全由微处理器根据超声波的频率来控制的，最大为128KHz。
通常超声波的频率越高，波长越短，但衰减更强烈。
扫描超声断层扫描及显微成像技术相对于其他的扫描技术相比，最大的优点在于成像时采取了完全不同的灰度产生机制。
声学图像的灰度完全是由材料表面及对超声不透明的材料内部各种物理参数（如密度、弹性模量等）的变化引起的。
超声波扫描显微镜发展及应用综述
计算机测量与控制!"#"$!$%!&"!!"#$%&'()'*+%('#',&-!",&(".!!#%!#收稿日期 "#"$#'#($!修回日期 "#"$#'#)%作者简介 高!媛!%)*)"&女&山东东营人&博士&高级工程师&主要从事测试技术方向的研究%引用格式 高!媛&杨!敬&李!立&等!超声波扫描显微镜发展及应用综述'+(!计算机测量与控制&"#"$&$%!&")%)!文章编号 %'*%,()& "#"$ #&###%#)!!-./ %#!%'("' 0!1234!%%5,*'" 67!"#"$!#&!##%!!中图分类号 89,%%!*!!文献标识码 :超声波扫描显微镜发展及应用综述高!媛% 杨!敬" 李!立" 胡志臣"!%;装备发展部某中心&北京!%###$"$";北京航天测控技术有限公司&北京!%###,%"摘要 超声波扫描显微镜是一种利用超声波为传播媒介的无损检测成像设备&相对于传统的破坏性检测&超声显微镜不会对样品造成损伤$主要介绍了超声波显微镜的发展现状*关键技术现状*应用领域和未来发展方向等内容$关键技术主要包括纳秒级窄脉冲产生技术*高频信号调理技术*高频聚焦式换能器研制技术和超声<扫描成像技术$应用领域主要从材料科学检测行业*半导体测试行业*新能源行业进行了详细描述$最后&对超声波扫描显微镜的发展进行了展望$随着超声波技术的发展&声频会越来越高&超声显微镜的能力将越来越大$可以预料&它与其他尖端技术结合&将会发挥出更大*更独特的作用%关键词 超声波扫描显微镜$半导体测试$超声波$探头/'0'."$#',&*,12$$.34*&3","564*,,3,724"%+&34)34("+4"$'9:.=>?2%&=:@9+42A"&B/B4"&CDE F41F G2"!%;:<G26G H I JK L>47M G26-G N G O I7M G26-G7?H6M G26&P G4042A!%###$"&<F42?$";P G4042A:G H I Q7?1GR G?Q>H G M G26?2S<I26H I O8G1F2I O I A T<I;&B6S;&P G4042A!%###,%&<F42?"28+&(*4&):Q1?2242A?1I>Q641M41H I Q1I7G4Q?342SI J2I2U S G Q6H>164N G6G Q642A4M?A42A G L>47M G26>Q42A>O6H?Q I241V?N G?Q?M G S4?!<I M7?H G SV46F6H?S464I2?O S G Q6H>164N G6G Q642A&?Q1?2242A?1I>Q641M41H I Q1I7GV4O O2I61?>Q G S?M?A G6I?Q?M7O G!8F G S G N G O I7U M G26Q6?6>Q&3G T6G1F2I O I A T Q6?6>Q&?77O41?64I2J4G O S?2S J>6>H G S G N G O I7M G26S4H G164I2I J>O6H?Q I241M41H I Q1I7G?H G426H I S>1G S426F4Q 77G H!8F G3G T6G1F2I O I A4G QM?42O T421O>S G?2?2I Q G1I2S2?H H I V7>O Q G A G2G H?64I26G1F2I O I A T&F4A F J H G L>G21T Q4A2?O1I2S464I242A6G1F U 2I O I A T&F4A FJ H G L>G21T J I1>Q42A6H?2Q S>1G HS G N G O I7M G266G1F2I O I A T?2S>O6H?Q I241<U Q1?24M?A42A6G1F2I O I A T!8F G?77O41?64I24Q M?42O T S G Q1H4W G S42S G6?4O J H I M M?6G H4?O Q14G21G6G Q642A42S>Q6H T&Q G M41I2S>16I H6G Q642A42S>Q6H T?2S2G VG2G H A T42S>Q6H T!X42?O O T&6F G S G N G O I7M G26I J Q1?2242A?1I>Q641M41H I Q1I7G4Q7H I Q7G16G S!Y46F6F GS G N G O I7M G26I J>O6H?Q I2416G1F2I O I A T&6F G J H G L>G21T I J Q I>2S V4O O W G F4A F G H?2S F4A F G H&?2S6F G7I V G H I J>O6H?Q I241M41H I Q1I7GV4O O W G O?H A G H?2S O?H A G H!<I M W42G SV46F I6F G H1>6642A U G S A G6G1F2I O UI A4G Q&461?2W G G Z7G16G S6F?646V4O O7O?T?W4A A G H?2SM I H G>24L>G H I O G!9':;"(1+)Q1?2242A?1I>Q641M41H I Q1I7G$Q G M41I2S>16I H6G Q642A$>O6H?Q I241$Q G2Q I H<!引言材料内部缺陷有大有小&目前工业探伤所能发现的缺陷尺寸在(##!M左右&要想观察到更为细小的缺陷&只能通过破坏的方法做金相或者电子扫描显微镜&且仅仅能观察到特定的表面缺陷情况&无法识别出样品中整个体积内的缺陷'%"(%同时常规超声由于分辨率的原因还存在对较薄材料难于检测的缺点%超声扫描显微镜![:R&Q1?2242A?1I>Q641M41H I UQ1I7G"&又称[:8&它是一种利用超声波为传播媒介的无损检测成像设备%超声波扫描显微镜的工作模式主要为<U[1?2模式&所以称为<U[:R%超声波扫描显微镜利用高频超声换能器将脉冲超声送入工件样品&当超声波通过被测工件时&会在不同材料间对结合面产生反射以及透射&如液体与固体的结合面*固体与气体结合面*金属与塑料之间的结合面及固体材料内部缺陷!如分层*孔洞*裂纹*夹杂等"会造成较大的振幅回波%超声波换能器接收反射波转换成电信号传给计算机&计算机系统准确辨识和提取反射回波信号%经过图像化处理&可对工件内部精准扫描成像'$(%超声波扫描显微镜的硬件包括三轴运动控制平台*超声激励接收仪*数字化仪*超声波换能器!探头"及工控机等组成%超声波扫描显微镜按信号接收模式可分为反射模式和透射模式%反射式又称为脉冲回波法&即利用反射波成像&可以具体的聚焦到某一层&从而可以判断缺陷深度%脉冲回波主要包括:扫描!:U[1?2"*P扫描!P U[1?2"*<扫描!<U[1?2"%三种扫描方式如图%所示'$(%:扫描波形代表了样品上某一点深度方向上的全部回波信号&即从样品顶部道底部!投稿网址 V V V!0Q01O T3\!1I MCopyright©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#"!#的点到点波形图$通过换能器在样品某一方向移动&且在移动过程中逐点做:扫描&所最终得到的图像即为P 扫描%<扫描相当于对样品某一深度的截面进行扫描&通过该界面上的反射声波形成二维图像%从空间的扫描轨迹上看&可分别称为点扫描*线扫描和面扫描%多个:扫描可形成P 扫描&多个P 扫描可形成<扫描%层析扫描可生成任意深度的<扫描%图%!三种扫描方式示意图与射线检测相比&超声波扫描技术具有灵敏度高*适用范围广*检测成本低&检测速度快*对人体和环境无害等优点&但同时具备一定的局限性&如对缺陷的取向有要求&不易检测与声束方向平行的缺陷&对不规则的或复杂形状的试件检测有一定的困难%超声波扫描显微镜被广泛应用在物料检测!/]<"*失效分析!X :"*质量控制!]<"*质量保证及可靠性分析!]:+^K B "以及研发!^_-"等领域%可检测电子元器件*B K -*金属基板的分层*裂纹等缺陷!裂纹*分层*空洞等"%通过图像对比度判别材料内部声阻抗差异*确定缺陷形状和尺寸*确定缺陷方位%检测精度可达微米级别%=!超声波扫描显微镜国内外发展现状=>=!国外发展现状第一台声学显微镜于%)*$年研制出来&随着技术的进步&超声波扫描显微镜的频率由%#!M 提升至%(2M &频率也提升至近$9C \%目前&超声波扫描显微镜已有成熟的商业产品&但该技术被国外厂家垄断%国外生产超声波扫描显微镜的主要由德国*美国和日本的厂家垄断',(%德国公司生产的超声波扫描显微镜被广泛地应用于材料科学&半导体行业&生物学&太阳能以及晶圆键合缺陷检测等领域&给传统的精细结构观察带来了全新的方法%如单探头超声波扫描显微镜[:R ,#%%该扫描显微镜的信号采样率最大可选(9C \&超高速*线性驱动扫描平台的最大扫描速度达%(##M M +Q &!*"轴的重复精度为`#;%!M %同时&用户还可以根据工作需求选用多探头扫描的超声波扫描显微镜&可以使用多个超声探头同时对不同样品进行扫描&以提高无损检测效率%如[:R ,#,四探头超声波扫描显微镜'((%美国某公司生产的超声波扫描显微镜应用于微电子学*材料检测*电力能源*微机电系统与半导体测试等行业%如超声波扫描显微镜9G 2*%9G 2*提供了先进的硬件系统&具有极高的像素分辨率!%9像素"%!*"*#轴的精度达到#;(!M %系统的超声激励接收带宽为(##RC \&最高可以支持频率为,##RC \的超声波探头使用&有效扫描面积最大可以扫描$(#M Ma $(#M M 的试件'((%美国某公司生产的超声波扫描显微镜设备被广泛应用于各种材料的无损检测&包括半导体&汽车零件和其他先进元件%如K <C .b [8R 的超声波扫描显微镜%此设备的扫描分辨率小于%!M &在高分辨率下&扫描速度是传统超声波扫描显微镜的";(倍$专门为更高精度要求&更复杂元器件设计的新一代设备%广泛应用内在X O 471F 47Q *[6?13G S S 4G *P >M 7G SS 4G &P I 2S G SV ?J G H Q 等%该公司研制了全自动超声扫描设备K <C .c H I8R &主要用于集成电路微电子封装中细微缺陷识别的先进超声扫描显微镜%该系统支持%("$##RC \的超声波探头使用&最小能够检测薄至%#!M 的空气缺陷''(%=>?!国内发展现状国内也开展了超声显微镜的研究&取得了一定的研究成果%如从"#世纪&#年代起就有研究机构开展了超声波扫描显微镜的研究工作&先后研制出了8C [:R %U **8C U[:R U R 等一系列的超声波扫描显微镜''(%文献'*(和文献'&(设计了一款基于c </总线的超声扫描显微镜&采样速度达到"(#RC \%该系统使用<c B -芯片对回波信号进行处理&并结合计算机计算对测试数据进行存储*处理和显示&使该系统可检测#;"M M 的缺陷'*&(%文献')(开发了一台适用于微小缺陷检测的高频超声扫描显微系统&该系统的扫描范围为"&#M M a ",#M M &采样频率为(9C \&能够满足(##RC \的高频超声换能器的成像需求')(%文献'%#(搭建了一套高效率扫描超声显微成像检测系统&并提出了,回-型扫描等扫描方法&将扫描效率提高了约")d %同时提出以相位谱法增强缺陷或边缘点&提高检测效率和精度'%#(%国内也有一些生产超声波扫描显微镜镜产品等%产品主要集中在(#RC \以下的检测能力&个别产品可以达到"$#RC \&但超声激励接收设备和探头主要为国外进口产品%超声波扫描显微镜的扫描速率最大为%###M M +Q &定位精度最小达%!M %与国外相比&国内对超声波扫描显微镜的研究起步较晚且研究成果较少&许多企业和研究所在科研和生产中所使用的高频超声波扫描显微镜主要依赖于进口产品%组成的关键部件如超声激励接收仪和超声波探头&国内目前没!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第&期高!媛&等)""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""超声波扫描显微镜发展及应用综述#$!#有可以达到国外产品水平的可替代产品%基于上述情况&国内有单位研制了国产的四探头超声波扫描显微镜:R <:R U ,#%%该产品可进行单谈头*双探头及四探头的扫描方式&机械运动平台的重复精度可达`%!M &超声激励接收仪采样分频设计的思想&激励和接收带宽覆盖了(##RC \%数据采集卡采用c </G 接口&每通道的采样频率最大为"9C \%!超声波扫描显微镜关键技术超声波扫描显微镜有三轴运动控制平台*超声激励接收仪*数字化仪*超声换能器和工控机等组成%超声波扫描显微镜商业成熟产品主要被国外公司垄断&亟需突破关键技术&实现国产化替代%关键技术主要集中于超声激励接收仪*超声波换能器和超声波扫描成像方法的研究%>=!纳秒级窄脉冲产生技术针对高频宽带的激励需求&激励方法通常为编码激励'%%%"(或脉冲激励'%$%,(%编码激励不需要高激励电压&可以在保证分辨率的情况下提高信噪比&可用于甚高频和特高频带宽范围内的激励&但编码激励信号产生和接收相对复杂且持续时间长%脉冲激励包括尖峰激励*方波激励等%为了提高信噪比&在传感器的安全工作范围内&脉冲激励电压应尽可能高&可达到电压至数百伏%脉冲激励简单*经济*高频*宽带*应用范围广'%((的优势常应用于频率较高的工作范围内使用%文献'%'(通过编码任意波形发生器再加功率放大器激励出了"##RC \超声信号&在接收后通过互相关后减少了电反射造成的干扰&但是相对而言降低了信噪比'%'(%文献'%*(利用逻辑门的竞争冒险现象使得数字逻辑器件产生窄脉冲&以此产生了脉冲宽度可调的纳秒级窄脉冲信号'%*(%文献'%&(实现了基于场效应管的低成本单极性脉冲发生器%利用分立元件构成了场效应管驱动器&并基于高速大功率金属氧化物半导体场效应管!X ?Q 6U c I V G H U R.[U X K 8"和5$(#b 的恒定直流源构成了负脉冲信号发生装置&可以产生脉冲宽度为%#"(##2Q *带宽%"'#RC \的脉冲信号'%&(%文献'%)(基于9?@半导体器件设计了单极性脉冲激励装置&将脉冲信号的上升速率提高到%##b +2Q &该设计可以用来激励中心频率为(#RC \的换能器&并实现了自激自收和一激一收两种工作方式'%)(%文献'"#(通过控制场效应管的通断控制电容的充放电状态实现了脉冲宽度为$(#2Q &峰值,##b 的负脉冲信号&并通过对放电电容*输出电阻与超声换能器之间进行匹配&实现脉冲振幅的最佳值'"#(%文献'"%(等人采用雪崩三极管!:N ?O ?21F G6H ?2Q 4Q 6I H "设计出一款输出峰值电压,##b *脉冲宽度'##7Q &重频大于"(3C \的%"级R ?H Z 电路脉冲源&利用结构紧凑的c <P 电路设计保证了输出波形的稳定性!宽带抖动小于%d "'"%(%文献'""(使用基于三极管雪崩特性的窄脉冲产生电路输出了上升时间低于%2Q 级别的脉冲&并成功应用在了煤矿井下通道超宽带通信中'""(%文献'"$(比对了单管*双管以及R ?H Z 脉冲产生电路之间的区别&并通过对三极管选型*电路c <P 以及充电电容的优化设计&抑制了电路在实际使用过程中容易发生的脉冲触发抖动现象'"$(%文献'",(提出了一种采用基极触发方法的新型基于雪崩三极管的R ?H Z 电路拓扑电路&解决高电压输出和高重复率操作之间的矛盾'",(%文献'"((等利用三极管的雪崩击穿效应产生了9C \级别的窄脉冲波形'"((%超窄脉冲产生电路大多应用在超宽带通信领域&该领域所用电压较小但带宽要求较高&上升时间甚至低于2Q 级别%目前该方式的脉冲产生电路在超声上的应用较少&需要进一步的研究%>?!高频超声信号调理技术高速数据采集技术是当前信息技术领域热门的研究方向之一&对信号的前期调理直接决定了后期所采集数据的性能&故而信号调理电路的研发则尤为重要%信号调理电路的内容主要分为增益与滤波两方面&目前国内外研究人员针对不同的应用需求&对高频信号采集系统进行了大量研究'"'(%";";%!增益放大电路的研究针对增益放大电路的研究由多种方法&但对于超声信号的放大电路&需要考虑信号的带宽%文献'"*(使用两种放大器串联的方式&对信号进行了两级放大&提高了系统对信号的适应性$同时&针对超声信号强度受很多因素影响且变化范围广的特点&使用二极管阵列对电路进行保护&能够有效防止电压及电流对系统的瞬态干扰'"*(%文献'"&(提出了一种紧凑的数控可变增益放大器!-b 9:"&该放大器具有温度补偿线性分贝增益控制和直流偏移消除!-<.<"功能&集成了温度补偿S P 线性增益控制*输出共模反馈*'位数字增益控制%该设计-b 9:的测量增益范围为%&;,S P &平均步长为#;$S P &"RC \至%;)9C \的$S P 带宽'"&(%另外&文献'")(使用:-/公司的电压控制放大芯片:-'#$)#RC \带宽下增益变化范围为5%%"$%S P 典型的增益调整精度为#;(S P '")(%";";"!滤波电路的研究滤波电路方面通常有两种设计思路&一种是无源滤波!X <&J H G L >G 21T 1I 26H I O J 4O 6G H "&另一种是有源滤波!:c X &164N G 7I V G H J 4O 6G H&"%针对超声换能器中心频率不固定的特点&信号带宽需要根据需要进行调节&程控滤波器主要有以下三种方法)第一种通过模拟开关或单位器切换电阻网络$第二种是有先用有源集成滤波芯片%最后一种是直接使用-[c 芯片!S 4A 46?O Q 4A 2?O 7H I 1G Q Q I H 1F 47"对模数换器!S 4A 46?O U 6I U ?2?O I A!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#,!#1I 2N G H 6G H "采集到的信号进行数字滤波再由-:<输出&速度受到所用器件的限制'$#(%文献'$%(通过低温共烧陶瓷!B 8<<"技术设计了一款低损耗高抑制双工器&实现了对单个信号进行分割输出&其内部由仅B <无源网络构成低+高通滤波器&在通带内插入损耗小于";(S P &阻带内抑制大于"$S P 的性能'$%(%文献'$"(选用最典型的有源滤波电路是巴特沃斯滤波器&增加其滤波阶数&通过仿真实现了上限截止频率%#RC \&通带增益"&S P 的六阶巴特沃斯低通滤波器'$"(%文献'$$(等通过串联二极管通断改变并联电容的值&进而改变电感之间的耦合关系从而改变其滤波效果&该方法的优势在于功率几乎不损失&可用在功率较大的应用场景中'$$(%综上所述&可变增益放大器因其方便控制的方式被广泛应用于可控增益领域内&但是超声信号因其激励幅值过大不能直接接入可控可变增益放大器内部%有关可控滤波方面依然较为薄弱&若使用无源滤波依然需要采用电子开关进行切换&在高频信号工作范围内没有稳定可靠的截止频率连续可控滤波方式&有待进一步研究%>@!高频聚焦式换能器研制技术高频聚焦式换能器!探头"是超声波扫描显微镜的关键部件%换能器的频率越高&超声波扫描显微镜的检测分辨率越高%在实际应用中&超声波换能器的性能常由于传播中的衰减而无法达到期望中的效果&如何提升超声波换能器性能将是超声波扫描显微镜发展的主要问题%高频超声波换能器在制造过程中&压电材料的选择是最关键的步骤%如何选择压电材料&从两个方面考虑%一方面是材料的制备工艺%压电材料的厚度通常在工作频率的半波长处&才能制造出性能好的换能器%当工作频率达到超高频时&压电层的厚度加工是一个大问题%因此&当选择材料时&要考虑其生长情况*加工过程&加工难度&以及是否能更好与换能器的制备工艺相适应%另外一方面是压电材料的性能%压电材料的机电耦合系数*介电常数和声阻抗等是换能器设计中关键参数'$,(%目前&常用于做高频或超高频的聚焦换能器&常用的由B 4@W .$单晶材料!铌酸锂"*E 2.薄膜材料和:B @薄膜材料'$((%";$;%!B4@W .$单晶换能器单晶具有很高的压电常数$$$和机电耦合系数%&&在高性能传感器制作方面&使其具有良好的应用前景%此外&与多晶铁电陶瓷不同&单晶是不受晶粒和孔隙度等因素的限制%B 4@W .$单晶具有较高的声速*优异的压电性能和较小的介电常数&在制造高频大孔径超声换能器方面具有优势%文献'$'(利用B 4@W .$材料研制了%##"$##RC \的高频聚焦换能器%$##RC \的换能器的压电层厚度只有)!M '$'(%文献'$*(利用B 4@W .$材料研制出了,##RC \的超声换能器&压电层厚度只有*;%!M '$*(!文献'$&(研制了中心频率为("'RC \的超声换能器&B 4@W .$材料的压电层厚度只有'!M %上述的超声换能器的频率高&波长小&可应用于生物领域检测细胞结构%但是&将B 4@W .$的厚度加工至微米级别&加工难度极大&因此&这种方法很难推广及应用%";$;"!薄膜式换能器超声波扫描显微镜系统中所用的换能器常为透镜聚焦式换能器%通常在超高频范围内&透镜是基于在蓝宝石或硅衬底上研磨或刻蚀形成球形空腔以实现聚焦效果'$),#(&并在透镜另一面溅射E 2.或:O @薄膜作为压电材料%E 2.或:O @薄膜材料是使用R K R [工艺加工的&由于这种压电薄膜材料的性能不如传统的铁电材料的压电性能&因此&在镀膜过程中需要掺杂其他材料来提高压电性能%如文献',%(和文献',"(将<H 掺杂到:O @中制作薄膜来提高其压电性能',%,"(%文献',$(使用掺杂<H 的:O @薄膜研制了,#"&#RC \的超声换能器',$(%文献',,(研制出了"##RC \的掺杂<H 的:O @薄膜超声换能器%图"为:O @薄膜超声换能器的实物图',,(%图"!:O @薄膜超声换能器文献',((研制了基于R K R [工艺的E 2.薄膜超声换能器&中心频率为"##RC \',((%文献','(研制了在硅透镜上镀E 2.薄膜材料&研制出了中心频率为$$#RC \的超声换能器&该换能器在生物学上具有很大潜力%图$为研制的E 2.薄膜换能器的实物图','(%文献',*(提出了一种削弱边缘回波的透镜结构&如图,所示%从而使边缘回波在时间轴上远离来自反射体的回波',*(%然而&E 2.材料因其在超高频范围内信号幅值过小而导致换能器性能较差%为解决这一问题&后来有学者提出了一种金属有机气相淀积及溶胶5凝胶等方法',&(&给使用透镜聚焦的超高频换能器提出一种新的解决思路%国外具有成熟的生产中心频率"##RC \以下的超声换!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第&期高!媛&等)""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""超声波扫描显微镜发展及应用综述#(!#图$!E 2.薄膜超声换能器图,!削弱边缘回波的透镜结构能器的生产工艺&"##RC \以上也可定制生产&目前已报道的国外可生产的高频超声换能器的最高频率为"9C \&可以实现对生物活体细胞的检测%以下为骨骼细胞的检测结果%图(!骨骼细胞检测结果',(国内目前成熟的技术可生产"(RC \以下的高频超声换能器%"(RC \以上的高频超声换能器&由于生产工艺的限制&未有成熟的产品&但有公司正在开展生产工艺的研究工作%>A !超声!扫描成像技术高频超声<扫描成像技术&可以获得被测试件表面以及内部在不同深度层面上的二维声学图像%常规的超声<扫描成像技术如图'所示&首先将被测试件放置于水槽中&在扫描过程中&高频超声换能器在预设的路径下进行扫查&通常采用蛇形扫方式%换能器采用反射工作模式&当超声波透过被测试件表面*遇到缺陷!如孔隙*裂纹等"时&会发生部分反射&反映在时域信号当中即为直达波*缺陷回波以及底面回波&如图*所示',)(%图'!超声波<扫描式示意图图*!超声波传播路径示意图将不同位置的回波信号的幅值或时间值作为成像的特征值&将同一深度上的特征值按照位置关系列为二维数值矩阵&即为对应深度处的<扫描成像结果',)(%在常规超声<扫描的成像基础上&也发展使用不同特征值或信号处理技术的成像方法&如8.X !64M G Q I J J O 4A F 6"成像*频域成像*相位成像等技术%超声回波信号除了时间和幅值信息外&还包括其他的特征参量&如脉冲宽度*到达时间8.X *相位等%回波的8.X 值&一般取时窗范围内绝对值最大的峰值对应的时间值%8.X 成像主要用来判断结构的深度信息&使用相对较少'(#(%提出了基于傅立叶变换的频域成像的概念&选取特定的频率来进行成像&从而提高了图像的分辨率'(%(%利用频域成像的概念&选取闸门内时域波形上数据进行X X 8变换&用当前超声换能器中心频率对应的数据成分进行成像'("(%这种方法因其计算过程复杂*数据量庞大和计算时间长等问题无法应用于实时检测成像%使用了相位成像模式&是将回波信号中对应的相位信息提取出来%此方法需要提取某一位置的信号作为参考信号&根据反射回波与参考信号相比是否发生相位反转来设置用于成像的颜色值'($(%提出了基于极值统计理论的数据处理算法&依据实验测得信号的幅值添加置信区间来确定缺陷回波的位置'(,(%提出利用基于:^模型的频谱外推方法&有效改善了时域信号的质量&且提高了成像结果的信噪比'(((%!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. All Rights Reserved.。
超声波扫描显微镜教程
二．Die表面分层缺陷
绿色箭头所指位置，Die上存在分 层缺陷
正常位置的A扫波形图
缺陷位置着上红色标志！
声明：声学显微镜教程资料，均来自网站
缺陷部位的A扫波形图
三．焊接层孔洞与分层
左图：绿色箭头所指位置，焊接 层上存在小孔洞
≤ 1mm
声明：声学显微镜教程资料，均来自网站
超声波扫描显微镜工作原理– 反射模式和透射——德国KSI中国服务中心
射频信号发生 器
开关
射频信号接 收器
耦合液(去离子水) 待检样品 超声透射信号
换能器
(集电声转换和声电转换于一体)
超声反射信号
接收探头(可选 件)
c-sam@
声明：声学显微镜教程资料，均来自网站
先来看看 超声波扫描显微镜 是长得什么样子？
技术参数:
超声波扫描显微镜型号: 最高扫描速度: 最大扫描范围: 最大的放大倍率: 射频带宽:
KSI v-400E 2米/秒 400 mm x 400 mm 625 倍 550MHz
声明：声学显微镜教程资料，均来自网站
换能器是负责把由射频信号发生器产生的 电脉冲信号转换成高频超声波信号
超声波信号借助耦合液以极低的衰减传播 到被测器件的
2种工作模式
换能器接收到从被 测器件表面和内部 反射回的超声反射 信号reflected echo („PULS ECHO MODE―).
KSI v-400E
换能器频率范围: 最大的分辨率: 最大的穿透深度:
5 MHz -2000 MHz
与材料和换能器频率相关; 一般纵向约是5nm,横向约是 5 µm
依赖于材料的特性与换能器的频率
超声波扫描显微镜的测量原理
超声波扫描显微镜的测量原理超声波扫描显微镜是一种常见的显微镜技术，它利用超声波来对样品进行测量和成像。
超声波扫描显微镜的测量原理是基于超声波在样品中传播时受到的影响，通过分析超声波的反射、衍射、吸收等特征来获取样品的相关信息。
在本文中，将从测量原理的基本概念入手，以深度和广度的方式对超声波扫描显微镜进行全面评估，并撰写一篇有价值的文章。
1. 超声波扫描显微镜的基本原理超声波扫描显微镜利用超声波的传播特性进行样品的成像和测量。
超声波通过探头发射到样品表面，然后根据超声波与样品相互作用后的反射信号来获取样品的相关信息。
与光学显微镜不同，超声波扫描显微镜可以穿透样品获取其内部结构的信息，因此在医学、材料科学等领域有着广泛的应用。
其测量原理涉及超声波的传播、反射、衍射和吸收等多个方面，需要深入探讨。
2. 超声波在样品中的传播和反射超声波在样品中的传播受到样品性质的影响，比如密度、弹性模量等。
当超声波传播到样品表面时，一部分能量将被反射回来，其反射信号包含了样品表面的形貌和性质信息。
通过分析反射信号的强度、相位等特征，可以获取样品表面的形貌信息，从而实现显微镜的成像功能。
除了表面信息，超声波还可以穿透样品获取更深层次的结构信息，这是超声波扫描显微镜的独特优势之一。
3. 超声波的衍射和吸收效应除了反射外，超声波在样品中还会发生衍射和吸收现象。
衍射效应会导致超声波的波前形状发生变化，从而影响其成像的分辨率和清晰度。
而吸收效应则会消耗超声波的能量，影响信号的强度和传播距离。
在超声波扫描显微镜中需要对衍射和吸收效应进行合理的补偿和校正，以确保测量结果的准确性和可靠性。
4. 个人观点和理解超声波扫描显微镜作为一种重要的显微镜技术，具有独特的测量原理和广泛的应用前景。
在实际应用中，需要充分理解超声波在样品中的传播特性和与样品相互作用后的变化规律，以便更好地利用超声波扫描显微镜进行样品的测量和成像。
随着超声波技术的不断发展和创新，超声波扫描显微镜在医学诊断、材料分析等领域的应用将会更加广泛和深入。
超声波扫描工作原理
超声波扫描显微镜工作原理超声波扫描显微镜，英文是：Scanning Acoustic Microscope，简称SAM，由于它的主要工作模式是C模式，因此也简称：C-SAM。
现在做失效分析的实验室里，这个设备直接被通称为C-SAM，就像X射线透射机被通称为X-Ray一样。
超声波扫描显微镜有两种工作模式：基于超声波脉冲反射和透射模式工作的。
反射模式是主要的工作模式，它的特点是分辨率高，对待测样品厚度的没有限制。
透射模式只在半导体企业中用作器件筛选。
超声显微镜的核心就是带压电陶瓷的微波链，压电陶瓷在射频信号发生的激励下，产生短的声脉冲，随后这些声脉冲被声透镜聚焦在一起，超声波扫描显微镜的这个带压电陶瓷的部件叫换能器，英文是：Transducer。
换能器既能把电信号转换成声波信号，又能把从待测样品反射或透射回来的声波信号转换成电信号，送回系统进行处理。
换能器负责将电磁脉冲转换成声脉冲，离开换能器后，声波被声透镜通过耦合介质（一般是去离子水或无水酒精等）聚焦在样品上。
耦合介质是为了防止超声波信号快速衰减，因为超声波信号在一些稀疏介质中传播是，会快速衰减。
样品置于耦合介质中，只要声波信号在样品表面或者内部遇到声波阻抗介面（如遇到孔隙、气泡、裂纹等），就会发生反射。
换能器接收到反射信号后，会将其转换成电脉冲，超声波信号转换成电脉冲后表征为256级灰度值。
每只换能器都有其特定的超声波频率，凯斯安公司可以针对用户的需要特别配置。
这个过程就是超声波扫描显微镜反射工作模式的基本过程。
另一种超声显微镜的工作模式叫透射模式。
透射扫描时，样品下方要安装另外一只换能器，这只换能器会接收所有完全穿透样品的超声波信号。
根据接收的信号就能还原出各种超声波C扫图像。
超声波显微镜在失效分析中的应用•晶圆面处分层缺陷•锡球、晶圆、或填胶中的开裂•晶圆的倾斜•各种可能之孔洞（晶圆接合面、锡球、填胶…等）超声波显微镜的在失效分析中的优势•非破坏性、无损检测材料或IC芯片内部结构•可分层扫描、多层扫描•实施、直观的图像及分析•缺陷的测量及缺陷面积和数量统计•可显示材料内部的三维图像•对人体是没有伤害的•可检测各种缺陷（裂纹、分层、夹杂物、附着物、空洞、孔洞等）超声波扫描显微镜的应用领域•半导体电子行业：半导体晶圆片、封装器件、大功率器件IGBT、红外器件、光电传感器件、SMT贴片器件、MEMS等;•材料行业：复合材料、镀膜、电镀、注塑、合金、超导材料、陶瓷、金属焊接、摩擦界面等；•生物医学：活体细胞动态研究、骨骼、血管的研究等.。
KSI超声波扫描显微镜在半导体行业的应用
采用伪着色方法， 采用伪着色方法，可以使图象细部结构的对比度增强
SMD Example
其他方面的检测
Package Type： ： Ceramic monolithic multi-layered chip capacitors layered Discoidial ceramic capacitors 0201 sized capacitor or larger 检查的失效类型： 检查的失效类型： Delaminations Micro-delaminations Termination delaminations Knit-line delaminations Voids Elongated voids Cracks
无分层缺陷的样品
有分层缺陷的样品
分
左面四幅图是使用X Scan扫描生成的，表 示BGA样品内部的不 层面。
在左上图中用红色箭 标识的是填充物与D 之间的分层缺陷，发 在Die的上表面；
在左下图中，红色箭 标识的是Die与附着 料之间的分层缺陷， 生在Die的下表面；
分层缺陷导致了很强的超声波反射。 分层缺陷导致了很强的超声波反射 左面中Die的上表面与填充物有分层缺陷 的上表面与填充物有分层缺陷（用红色箭头标识）
区域为分层缺陷
亮区域为分层缺陷
用不同的滤波功能可以提高判别分层缺陷或其他结构的图象的对比度
放大图像
分
使用伪着色功能，甚至能很好 甚至能很好
分层
裂纹
放大图像
放大图像
分层
d compound
Bonding wires, lead fram
不均匀 孔洞
尺寸： 29.7mm×16.3mm 孔洞和不均匀性用 红色圆圈及箭头标 识出来
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Advantage of Acoustic Micro Imaging (超声波微成像的优点)
超声波显微成像(AMI)利用高频率的超声波(一般在5MHz以上)探 测物体内的结构、缺陷、以及对材料做定性分析。
其优点如下： • Non Destructive (无损检测，非破坏性) • Sensitive inspection technique for bond evaluation (对粘结层面非常敏感) • Penetrates most materials (能穿透大多数的材料) • Subsurface structures (浅表层结构的分析) • Mechanical properties (材料力学性能的检测-非线性超声测试)
• Lower attenuation materials such as Si can be inspected using higher frequencies. (低衰减的材料：如硅材等能使用较高频率来扫描检测)
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
Greater Penetration
5 MHz 15 MHz 30 MHz 50 MHz 75 MHz
Higher Resolution
100 MHz 150 MHz
230 MHz 300 MHz
Sample Surface
Sample Back Surface
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
• The pressures generated at the focal spot are in the micro Joule range and are not harmful to even moderately delicate samples. • The pulse in the acoustic microscope has very low energy in comparison.
Z 2 Z1 R Z 2 Z1Fra bibliotek1 Z1
Material 1 Material 2 Plastic Air Ceramic Plastic Copper Plastic
Material 2 Z2
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
1. 超声波基础知识
2.超声波扫描微成像工作原理
3. 超声检测设备的参数和软件介绍
4. 超声波成像应用举例
5.超声波检测和X射线检测
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
• An ultrasonic wave cannot propagate through a vacuum at any frequency or through air at frequencies above 10 MHz.
(任何频率超声波都不能穿透真空。当超声波频率大于10MHz时，也不能穿透空气)
(在界面处超声波反射和穿过的相对强度是由界面两边物质的声阻抗决定的。)
• Acoustic Impedance (Z) - the product of the density of the material and the velocity of ultrasound (Z =V).
(声阻抗是物质的密度和超声波在该物质中的传播速度的乘积。)
Cracks 裂纹
Delamination, Adhesion, Artefact 分层缺陷、附着物以及其他夹杂物
Voids, Holes,bubbles, 空洞、空隙、气泡等
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
2、超声波扫描微成像工作原理
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Determining Echo Polarity (确定回声正负极性)
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Frequency, Resolution and Penetration (频率、分辨率和穿透力) Low Frequency High Frequency
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Frequency, Resolution and Penetration (频率、分辨率和穿透力)
• Higher frequency, ↑higher resolution, ↓lower penetration. (更高的频率，则拥有更高的分辨率，更低的穿透能力) • Thicker parts require lower frequencies to maintain penetration depth. (更厚的样品需要较低频率的探头来维持较好的穿透厚度) • Higher attenuation materials such as plastics require lower frequencies. (高衰减的材料：如塑料等要求较低频率)
1、超声波基础知识
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Basics of Ultrasound (超声波基础)
SOUND
ULF <20 Hz Audible 20 Hz – 20 KHz Ultrasound 20 KHz >
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Frequency, Resolution and Penetration (频率、分辨率和穿透力)
Plastic ICs Medical Ultrasound Porosity & cracks in Metals Hermetic Seal Integrity Ceramics BGAs CSP Thick Film Adhesion Flip Chips Thin Films Wafer Bonding Si Metallization
R (%) -100 -82 -87
T (%) 0 18 13
2Z 2 T Z 2 Z1
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Acoustic Impedance of Materials (声阻抗值)
• Acoustic Impedance (Z) - is the product of a materials density times its ultrasonic velocity Z = V • In practical terms - Acoustic Impedance is a materials characteristic property that determines the amount of reflected and transmitted energy that occurs when an ultrasonic wave encounters a boundary or interface between two materials.
超声的应用：清洗, 焊接, 治疗, 成像和传感 超声波清洗和焊接：20KHz~40KHz
超声波成像：>5MHz
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Basics of Ultrasound (超声波基础)
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Ultrasound at Interfaces (界面处的超声波)
Reflected wave (反射波) Reflection Coefficient (R) (反射系数R) Transmitted wave (穿透波) Transmission Coefficient (T) (穿透系数T)
(在界面处的超声波，有些会被反射，有些会穿过该界面。)
• The relative strength of the transmitted (T) and reflected (R) ultrasound at an interface is governed by the acoustic impedance of the materials on each side of the interface.
(C-SAM使用的超声波的频率和能量不会对人体和样品有害。)
STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING
SKLMS 机械制造系统工程国家重点实验室
Ultrasound at Interfaces (界面处的超声波)
• When an ultrasound pulse impinges on an interface, part of the energy is reflected and part transmitted.