扫描声学显微技术――原理与应用

扫描声学显微鏡ScanningAcousticMicroscopy——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：1.能在液体或固体材料中自由传输；2.声波会在材料界面，内部缺陷或材料变化的地方发生反射；3.能够聚焦，能够沿直线传输；4.对材料非破坏性。•材料的声学特性1.密度()2.声速(C)3.声阻(Z)•Z=C55.)5.5()0.3()5.10.4()5.1(22121TTTZZZTIncidentEnergyTransmittedEnergyWaterZ1PlasticZ2ReflectedEnergyZ1=Cwhere:=1.00gram/cm3C=1.5x106Z1=1.5x106Z2=Cwhere:=2.00gram/cm3C=2.00x106Z2=4.00x10645.)5.5()5.2()5.10.4()5.10.4(1212RRRZZZZR•反射与传输材料密度纵波速声阻(g/cm3)(m/s)(kg/m2s)E6水(200C)1.0014831.48酒精(200C)0.7911680.92空气(200C)0.003440.00硅2.33860020.04金19.3324062.53铜8.90470041.83铝2.70626016.90环氧树脂1.2026003.12树脂(IC)1.7239306.76玻璃(石英)2.70557015.04氧化铝(AL2O3)3.801041039.562.声学扫描显微镜工作原理H2OTransducerCouplingReceive•根据超声波的反射与传输特性，基本的声扫模式如左图所示：1.脉冲反射方式2.透射方式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•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。1232TooCloseTooFarFocused错误的对焦——太近正确的对焦错误的对焦——太远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)3.正确聚焦时信号幅度最大。Waterpath28%85%33%注：信号对焦于硬币的表面A-模式扫描——回波正负性13CASE1Z2Z1CASE2Z2Z1CASE3Z2=Z1(Z2-Z1)(Z2+Z1)R/I=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IncidentReflectedZ1Z2LargePositivePositiveNoSignalNegativeLargeNegativeC-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，产生一幅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•C-模式扫描的成像方式大致有三种：1.根据反射信号幅值进行无极性着色；2.根据反射信号幅值及相位进行双极型着色；3.根据反射信号传输时间(TimeofFlight)进行着色。•不同厂商的仪器的着色风格不同。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•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•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Pulse-EchoThroughTransmissionTransmit&ReceiveTransmitReceive脉冲反射方式-透射方式对比•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-030AcousticMicroscopyforNonhermeticEncapsulatedElectronicComponents2.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。波形的判断与正确的着色BulkScan（块状扫描）FocusGainAnalysisofA-ScanGateLossofBackEcho“AcousticShadow”effectGainTheLossofBackEchoScancanbeusedtoconfirmthepresenceofdelaminationsinasimilarmannerasThru-Scan™.Theultrasoundwillnotpassthroughanairgapandwhentheinspectionisdoneunderadefectanacousticshadowwillappear.AnalysisofA-ScanFocusGateFocusGateLossofBackEchoDieCrackDetectionTheLossofBackEchoScancanbeusedtodetectthepresenceofdiecracksandpackagecracks.Thesurfaceareaofthecrackistoosmalltodetectatthesurfaceofthedie/packagewhenlossofbackechoisusedthe“shadow”isdetected.AnalysisofA-ScanFocusFocusGateGateGainQ-BAM™FocusTogenerateaQ-BAM™imagefirstaC-ModeimageisgeneratedandthentheQ-BAM™optionisselected.TheQ-BAM™isafocusedB-Scanimageandprovidesmorereliableinformation.C-ModeImageSelectQ-BAM™crosssectionarea谢谢！