扫描声学显微技术——原理与应用

Through Transmission
脉冲反射方式 • 利用反射波进行检测。 • 能够确定具体哪一个界面存在分层 • 需要对样品的两面都进行扫描才能检 测到所有界面存在的缺陷。 • 能够提供细节丰富的扫描图片。 • 可以通过峰值检测，传输时间(TOF) 和相位翻转检测等方式成像。
透射扫描方式——两只探头 • 利用透视波进行检测。 • 一次扫描就能够展现所有界面的分 层等缺陷。 • 无法确定具体哪个界面存在分层。 • 相比脉冲反射方式，透射方式空间 分辨率较低。 • 通常可用于校验脉冲反射方式的检 测结果
C= 2.00 x 106 Z2 = 4.00 x 106
T
酒精 (20 C) 空气 (20 C) 硅 金 铜 铝 环氧树脂 树脂 (IC) 玻璃 (石英 ) 氧化铝 (AL2O3)
0
0
2Z1 Z 2 Z1 2(1.5) ( 4.0 1.5) (3.0) (5.5)
R
Z 2 Z 2
扫描声学显微鏡 Scanning Acoustic Microscopy
——原理与应用
1.超声波基础
•
超声波指的是频率高于 20KHz的声波，超过10MHz 的超声波不能穿透空气。 （检测中应用的超声波频率 通常超过10MHz。） 扫描声学显微中利用到的主 要优点： 能在液体或固体材料中自由 传输； 声波会在材料界面，内部缺 陷或材料变化的地方发生反 射； 能够聚焦，能够沿直线传输； 对材料非破坏性。
• 以上内容中，有相当多的图片及文字内容
来自以下资料： 1. J-STD-030 Acoustic Microscopy for Nonhermetic Encapsulated Electronic Components 2. Sonoscan、Sonix、KSI公司讲义 3. 吴文章前辈编写的声学扫描显微镜教材
Analysis of A-Scan
Gate Gate
Q-BAM™
To generate a Q-BAM™ image first a C-Mode image is generated and then the Q-BAM™ option is selected. The Q-BAM™ is a focused B-Scan image and provides Focus more reliable information.
Z1 Z1
T
R
( 4.0 1.5) ( 4.0 1.5) ( 2.5) (5.5)
T
R
T .5 5
R .4 5
2.声学扫描显微镜工作原理
Transducer
H2O
• 根据超声波的反射与
Coupling
Receive
1. 2.
传输特性，基本的声 扫模式如左图所示： 脉冲反射方式 透射方式
C-模式扫描
• 发射的超声脉冲在Z方向上聚焦，在X方向
机械扫描，Y方向逐步递进，பைடு நூலகம்生一幅X、Y 方向平面图像。 • C模式扫描是最常用的扫描方式，可以用于 判断样品内部界面分层或其他界面异常情 况，材料中的空洞、夹杂物，沿检测平面 的裂纹等。
C-模式扫描——成像与着色
• 1. 2. 3.
C-模式扫描的成像方式大致有三种： 根据反射信号幅值进行无极性着色； 根据反射信号幅值及相位进行双极型着色； 根据反射信号传输时间(Time of Flight)进 行着色。 • 不同厂商的仪器的着色风格不同。
Focused Too Close
2 1
3
错误的对焦——太近
Water path
28%
正确的对焦
1. 注意信号 在不同聚 焦位置处 的传输时 间(红箭 头处) 2. 同时注意 信号的幅 度 (白 色线框)
85%
错误的对焦——太远 33%
3. 正确聚焦 时信号幅 度最大。
注：信号对焦于硬币的表面
A-模式扫描——回波正负性
波形的判断与正确的着色
Bulk Scan （块状扫描）
Focus
Gain
Analysis of A-Scan
Gate
Loss of Back Echo “Acoustic Shadow” effect
The Loss of Back Echo Scan can be used to confirm the presence of delaminations in a similar manner as Thru-Scan™. The ultrasound will not pass Gain through an air gap and when the inspection is done under a defect an acoustic shadow will Focus appear. Focus
• THUR-SCAN 是全透式的扫描方式，发射的
超声脉冲在样品上方扫描，超声接收器在 样品下面接收穿透样品的超声脉冲。如果 样品内部某处有缺陷，超声脉冲无法通过。 得到一幅黑白分明图像，这功能适合大量 样品的快速筛选。
脉冲反射方式-透射方式对比
脉冲反射方式-透射方式对比
Pulse-Echo
Transmit Transmit & Receive Receive
C-模式扫描——成像与着色
C-模式扫描——成像与着色
B-模式扫描
• 发射的超声脉冲在X方向作机械扫描，在Z
方向逐步递进，从不同深度上反射波得到 信息，得到一幅剖面图像。 • B-模式扫描可用于判断样品纵向结构，模封 材料内部裂纹、夹杂物等，并可以大致判 断样品缺陷的深度，
Thru-模式扫描
Select Q-BAM™ cross section area
C-Mode Image
谢谢！
5.部分声扫技巧
以下内容供声扫操作人员参考
波形的判断与正确的着色
• 理想的波形总是清晰的、对称的，而实际
界面的反射波形往往是不对称的，而且很 可能与其他相邻界面波互相叠加。
波形的判断与正确的着色
• 解决的方法： 1. 反复对焦，多次成像，结合图像和波形进
行判断； 2. 反射波相位信息与幅度信息同样重要； 3. 通常较窄，较靠前的选波窗口有利于正确 的着色； 4. 更换合适频率的探头。
• 1. 2. 3. 4.
• 1. 2. 3. •
材料 水 (20 C)
0
材料的声学特性 密度( ) 声速(C) 声阻(Z) Z= C
密度 (g/cm3) 1.00 0.79 0.00 2.33 19.3 8.90 2.70 1.20 1.72 2.70 3.80 纵波速 (m/s) 1483 1168 344 8600 3240 4700 6260 2600 3930 5570 10410 声阻 (kg/m2s)E 6 1.48 0.92 0.00 20.04 62.53 41.83 16.90 3.12 6.76 15.04 39.56
3. 声扫应用范围
• 超声波的特性决定了声扫的应用范围： 1. 不同材料间的界面粘接情况； 2. 材料内部的空洞、裂纹、夹杂及材料的不
均匀性； 3. 材料特性分析(声阻分析)。 • 具体到元器件检测方面，可以进行以下内 容的检测：
声扫检测区域及相关缺陷示意图
4.声扫模式
• A-模式 • B-模式
Large Positive
CASE 1 Z2 > Z1
(Z2 - Z1) R/I = (Z2 + Z1)
Positive
No Signal
Incident
Reflected
CASE 2 Z2 < Z1
Negative
CASE 3 Z2 = Z1
Z1
Large Negative
Z2
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两种物质的声阻抗的差异 决定反射波（回声）的正 负极性和幅值
Analysis of A-Scan
Gate Gate
Loss of Back Echo Die Crack Detection
The Loss of Back Echo Scan can be used to detect the presence of die cracks and package cracks. The surface area of the crack is Gain too small to detect at the surface of the die/package when loss of back echo is used Focus the “shadow” is detected. Focus
• C-模式
• Thru-模式
A-模式扫描
• 发射的超声脉冲保持
在样品的某处位置， 聚焦在检测深度上， 从这点深度上的反射 波得到信息。 A模式扫描是对一个点 反射波形的分析，是 构成脉冲反射扫描的 基础。
•
A-模式扫描——聚焦
• 声学显微镜的聚焦与光学显微镜的聚焦类似， •
通过改变检测点与声学探头的位置来实现最优 化的对焦。 当对焦达到最优化时，反射信号的幅度达到最 大。 Too Far
• 反射与传输
Incident Energy Water Z1 Plastic Z2
Z1 = C where:
Reflected Energy Transmitted Energy
Z2 = C where:
=1.00 gram/cm3
C= 1.5 x 106 Z1 = 1.5 x 106
=2.00 gram/cm3