超声波扫描显微镜（SAM）的工作原理与应用

超声波扫描显微镜（SAM）的工作原理与应用

什么是超声波

正常人类的耳朵能听到从20赫兹到20000赫兹的声波，超声波的本质和声波是一样的，但由于其频率超过20000赫兹，人耳听不到，因此称为超声波。任何频率的超声波都不能穿透真空。当超声波的频率大于10MHz时，也不能穿透空气。

超声波的特点有：

1. 碰到空气（分层或离层）100%反射；
2. 在任何界面会反射；
3. 由于它的波长非常短，所以和光线一样直线传播。

超声波的优点有：

1. 很高的分辨率，能够检测到的最小间隙厚度为微米；
2. 很高的灵敏度，能够检测出细微缺陷的大小，位置和形状；
3. 可以实时检测；
4. 安全：对人体无害。

什么是超声波扫描显微镜

超声波扫描显微镜Scanning Acoustic Microscope（SAM）是一种利用传播媒介的无损检测设备，可利用超声脉冲探测产品内部空隙等缺陷。超声换能器发出一定频率的超声波，经过声学透镜聚焦，由耦合介质传到样品上。超声换能器由电子开关控制，使其在发射方式和接收方式之间交替变换。超声脉冲透射进入样品内部并被样品内的某个界面反射，形成回波，其往返的时间由界面到换能器之间的距离决定，回波由示波器显示，其显示的波形是样品不同界面的反射时间与距离的关系。通过控制时间窗口的时间，采集某一特定界面的回波而排除其他回波，超声换能器在样品上方以光栅的方式进行机械扫描，通过改变换能器的水平位置，在平面上产生一幅超声图像。

SAM广泛应用于物料检测（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。检测电子元器件（各种封装类型如TO、SOP、BGA等等）、LED、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。

常见的扫描模式：

1. 脉冲回波模式

• A扫描方式：检测位置点波形并显示在示波器上
  
• B扫描方式：检测垂直x方向的二维截面图
• C扫描方式：检测水平x方向的二维截面图，最为常用，固SAT也常被称为C-SAM
  
• TAMI扫描模式：C扫描的进阶版，可以同时扫描出2-999层C-扫描方式

2. 透射模式

• T-扫描方式：检测透射信号，将发射、接收换能器分别置于被测器件的上下两侧，使两个换能器的声轴线处于同一直线上，聚焦后进行检测
  

如何解读SAT波形和图像

1. T-scan ：检测透射信号
   根据超声波原理，遇见空气全反射。我们通过T扫描无法完全穿透料件，我们判断料件本身存在分层。
   对应的我们举一个例子：
   显而易见，左右两侧的T扫描图片对比可以发现，左侧的T扫描出现大部分黑块。由此我们判断左侧料件存在分层，右侧图片无分层。

2. C-scan 与TAMI：两者的关系为TAMI是很多层的C扫描
   C-scan：检测水平x方向的二维截面图 ；TAMI ：可以同时扫描出2-999层C-扫描方式
   对应的我们举一个例子：
   
   根据超声波原理，遇见空气全反射。我们在C扫描时无法接收到反射回来的正常成像，我们判断料件本身存在分层。
   对应的我们举一个例子：
   根据超声波原理，遇见空气全反射。我们在C扫描时无法接收到反射回来的正常成像，我们判断料件本身存在分层。
   对应的我们举一个例子：
   对比以上两张图片，我们可以看出，左侧料件的Die表面反射回来的图片出现大块亮块。因此，我们判断左侧料件Die表面分层。

3. B-scan：检测垂直x方向的二维截面图
   根据超声波原理，我们在B扫描成像的图片中会发现，同一位置分层料件与未分层料件的区别在于分层位置很亮。
   对应的我们举一个例子：
   对比以上两张图片，可以清晰的看出分层位置的B扫描图片会比较的亮。

4. A-scan：检测波形并显示在示波器上
   根据超声波原理，遇到不同介质会存在不一样的反射波。对应的波形，我们称为A扫描。
   如下，为无异常料件的A扫描波形。
   而根据遇见空气全发射的原理，我们判断分层位置的A扫描波形与无分层料件的波形相反。
   对应的我们举一个例子：
   通过以上两组图片对比，我们可以清晰的看到无分层位置的波形与分层位置波形相反。我们通常称分层位置的波形为反向波。