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ScanningAcousticMicroscopy超声波扫描显微镜presentbyDr.Ing.KlausKrämer科视达KrämerScientificInstrumentsGmbHinGermanyisaprivatelyheldcompanyheadquarteredinHerborn,Germany.ThecompanywasestablishedinJanuary1990asaspecialisedfirminvolvedinprovidingsupportanddevelopmentsforhightechnology,highfrequencyScanningAcousticMicroscopy(SAM).Thecompany´sdirectionhasbeenprimarilyaimedatResearch,Non-destructiveTestingandtheProcessControlIndustry.Since1994,KSIhasestablishedbusinessinmorethan20countries.Theproductlinesarehighfrequency2000MHzSAMsystems,NDTroutinemicroscopesandhighspeedautomatedultrasonicsystems.Inonlyashorttime,wehaveestablishedstronglinkswithnumerouslargemultinationalcompanies.KSIistheonlycompany,manufactoringanddevelopingscanningacousticmicroscopesupto2000MHz(2GHz)world-wide.introduction科视达一，1990年，世界上第一个做出频率超过GHz的超声波扫描显微镜，到目前为止，其他同类仪器公司只能做到200MHz左右；二，1991年，世界上第一个在超声波显微镜中做出GHzV(z),V(f)定量测量系统；三，1996年，推出世界上第一台数字超声波显微镜；四，1998年，世界上第一个做出带有球面透镜的超声波换能器；五，2002年，世界上第一个在超声波显微镜上实现材料阻抗测量；六，2004年，世界上第一个在超声波显微镜扫描控制平台中采用空气垫悬浮线性马达驱动的超高精度X-Y扫描系统；七，2004年，世界上第一个实现超声波显微镜自动对焦系统，并受到专利保护；八，2004年，世界上第一个实现多探头同时扫描大件样品的超声波显微镜系统，并受到专利保护。德国KSI科学仪器公司超声波显微镜在世界上的领先地位科视达DetectionandApplicationofSAM超声波显微镜主要用途DetectionandApplicationofSAM超声波显微镜主要用途科视达Grainboundarystructures,Textures材料的晶格结构Cracks裂纹Delamination,adhesionArtefact分层缺陷、附着物以及其他人为夹杂物Particles,inclusions,Precipitations杂质颗粒、夹杂物、沉淀物等Voids,bubbles,Holes空洞、气泡、空隙等●超声波扫描显微镜SAM与X-RAY的区别?在同一实验室内，SAM与X-ray是相互补充的方法手段。它们主要的区别在于展现样品的特性不同。X-ray能观察样品的内部，主要是基于材料密度的差异。密集的金属材料比陶瓷和塑料等材料对于X射线有较大的不透过性和较小的穿透深度。X-ray对于分层的空气不是非常的敏感，裂纹和虚焊是不能被观察到的，除非材料有足够的物理上的分离。X-ray射线成像操作采用的是穿透模式，得到整个样品厚度的一个合成图像。在较长的检查期间内，如果半导体设备放置在离X-ray射线源比较近的地方可能会产生损坏或随机的电子错误。超声波能穿透密集的和疏松的固体材料，但它对于内部存在的空气层非常的敏感，空气层能阻断超声波的传输。确定焊接层、粘接层、填充层、涂镀层、结合层的完整是SAM独特的性能。SAM可以分层的展现样品内部的一层一层的图像。基于反射回波模式产生的图像只需要通过样品的表面(反射扫描模式)，而穿透模式需要通过样品的两个表面(类似X-ray)(透射扫描模式)。并且SAM使用的超声波频率是高于MHz，而不同于超声波清洗设备使用的KHz的频率。这个范围的超声波不会引起气穴现象，它不能清洗和搅动易碎的组件，因此对于检测的组件并没有任何的损坏。ComparisonbetweenSAMvs.X-ray超声波扫描显微镜和X-光机的比较ComparisonbetweenSAMvs.X-ray超声波扫描显微镜和X-光机的比较科视达X-光机检查超声波显微镜(C-SAM)检查可以非常清楚地看到芯片中间粘接处的分层缺陷。样品特点:手机LCD液晶屏下的一块芯片采用粘胶的工艺贴到FPC上可以清晰地看见芯片边缘的Pad,但无法鉴别芯片中间粘接处的缺陷。A-Scan(Timeofflight)A-扫描Reflectionoftheultrasonicbeamatinterfaceswithimpedancemismatch,f.e.surface,backwall,defects,layerinterfaces,...由于阻抗的差别，超声波将会在样品内部的表面、底部、缺陷、断层界面上产生反射波Gatesetting(redline)atthesignalofinterest设置不同的时间门限（红线）可获取所感兴趣部分的反射波BWEEEIncidentultrasonicwave超声波入射Sample样品Reflectedultrasonicwave超声波反射EE:Entranceecho表面反射波BWE:Backwallecho底面反射波科视达超声波显微镜扫描模式ScanModesB-ScanB-扫描•Crosssectionthroughthesample通过样品截面的扫描方式–ExaminedthicknessgivenbyB-ScanwidthB-扫描的宽度既为样品的厚度•Determinationof:通过B-扫描可以判定：–Numberofinterfaces界面的数量–Depthofinterfaces界面的深度–Defectdepth缺陷的深度–tooltofinddepthofinterest作为判定材料内部深度的工具科视达C-ScanC-扫描•Onelayerofthesample:对样品截面的扫描–Layerthicknessgivenbythegatewidth被扫描截面的厚度由门限宽度决定–Layerdepthgivenbythegateposition被扫描截面的深度由门限位置决定•Determinationof:通过C-扫描可以用来判定：–Defectposition缺陷的位置–Defectshape缺陷的形状–Defectsize缺陷的尺寸科视达X-ScanX-扫描•Numberoflayersindifferentdepths:对样品进行多层截面扫描–NumberoflayersgivenbyratioofB-Scanwidthandgatewidth扫描层数由B-扫描宽度和门限宽度比决定–InvestigatedthicknessgivenbyB-Scanwidth每层扫描截面的厚度由B-扫描宽度决定•Determinationof(additionaltoC-Scan):通过X-扫描可以判定：–Quickoverviewofthesampleinterior样品内部的总体概貌–Defectpositioninthedepth样品内部缺陷的深度Layer1Layer2Layer3第一层第二层第三层科视达G-ScanandD-ScanG-扫描和D-扫描•G-ScanG-扫描SimilartoX-Scan,buteachgatecanbechosenwithdifferentparameters,likeamplificationandfilters.类似于X-扫描，但每一门限均可选择不同的参数，比如信号增益和过滤•D-ScanD-扫描DiagonalScanthroughthesample通过样品对角线的斜扫描科视达Z-ScanZ-扫描科视达UsingthenewdevelopedZ-scan-ModeallA-scandatawillbestoredinafile.Thefilesizemightbeupto2GByte.ThescanningtimeisequaltoanormalC-scan.Thisnewmodeallowsallindividualgatesettings,likeA,-C,-B-scan,sliceand3Dscan(includingamplitudeandtimeofflightdatas)afterwards,thusthesamplecanbe„cut“inindividuallayers.Alldatasarestoredforfurtherinvestigationsinonefile.最新开放出来的Z-扫描可以通过一次性扫描方式，将所有A-扫描数据存入一个文件内。扫描时间等同于C-扫描时间，而所得到的数据包括了所有扫描模式所获得的数据，从A,B,C,3D扫描，还包括任意时间门限数据选择。因此，用户只需通过这样一次扫描所获得的数据，就可以在计算机上任意地选择某一扫描模式和参数，观察其超声波扫描图像。Through-ScanT-扫描科视达T-扫描模式与前面所描述的所有扫描模式不同，它将超声波发射部分和接受部分分离，一般来说发射部分放在样品的上方，而接受部分放在样品的下方，超声波穿透样品后被接受器接受，这样的检测方式能非常快速地观察到样品内部的缺陷，扫描时间可以大大缩短，同时也不需要选择很多参数，但缺点是无法判断缺陷在样品内部的位置，同时一般只适用于低频换能器。Transducer换能器Transducer换能器科视达Ultrahigh/highf:超高频/高频换能器1.Higherresolution高分辨率2.Shorterfocallengths焦距短3.Lesspenetration穿透深度低1.Lowerresolution低分辨率2.Longerfocallengths焦距长3.Greaterpenetration穿透深度高Midrange/lowf:中频/低频换能器SpecialParameterofAcousticmicroscope(Steel)超声波扫描显微镜的性能参数（相对于特定样品-钢）科视达Frequency[MHz]频率TheoreticalResolution[µm]理论分辨率Sensitivity[µm]灵敏度PenetrationDepth(µm)穿透深度FocalLengths焦距长度10150501000015mm15mm8–13mm6–9mm2.3mm575µm230µm46µm46µm30501670005030105000801963000100155200015010310002007.52.550030051.625040041.51505003110010001.50.54020000.750.251080020.760科视达GeneralApplicationforDifferentFrequencyofTransducers不同频率换能器的应用领域举例●Ultrahighfrequency(0,4-2GHz)：nano-voids,cells,defects,boundariesinceramics、alloysmaterial;超高频率换能器(400MHz–2GHz):陶瓷，合金材料中的纳米空洞、颗粒、缺陷、界面；●Highfrequency(100-230MHz):delami