周慶亞，付純鶴，魏 鵬，連軍莉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所 北京100176)

當(dāng)超聲波在物體中傳遞時(shí)，如果碰到物體的表面、內(nèi)部的分層、空洞、裂隙、夾雜等被稱為不連續(xù)界面時(shí)，都會(huì)對(duì)超聲波傳播造成干擾，形成超聲波的散射、反射和部分穿透等情況。我們就可以通過收集反射的超聲波來判斷被測(cè)物體中是否有上述缺陷。

超聲波檢測(cè)的一個(gè)重要領(lǐng)域就是對(duì)半導(dǎo)體封裝器件的檢測(cè)。半導(dǎo)體器件經(jīng)過芯片鍵合、金線鍵合、塑封等多種工序后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)肉眼無法直接觀測(cè)，同時(shí)為了保證器件的可用性又不能破壞器件，因此多數(shù)采用超聲掃描設(shè)備對(duì)其檢測(cè)。

超聲掃描設(shè)備對(duì)其檢測(cè)過程一般是通過對(duì)聲波調(diào)焦，讓聲波聚焦在被檢測(cè)物體內(nèi)部一感興趣層面，然后通過探頭的xy 向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)器件的超聲檢測(cè)，并把超聲檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化成圖像，供人們使用。

1 掃描路徑

超聲掃描設(shè)備國內(nèi)外都有生產(chǎn)，國外主要公司有Sonix、KSI 和Sonoscan，國內(nèi)有中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所等，每個(gè)公司都有多款設(shè)備，而每種設(shè)備所采用的掃描路徑不盡相同。而這么多種路徑均有其各自的特點(diǎn)。筆者在實(shí)際的設(shè)備開發(fā)過程中，從掃描效率效果等角度對(duì)各種掃描路徑加以研究，確定了其各自的掃描特點(diǎn)。

1.1 x 單向采集路徑

其掃描路徑為，探頭沿x 向從器件左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)器件發(fā)射超聲波信號(hào)，并每隔一定距離進(jìn)行超聲波回波采樣，到達(dá)右側(cè)后，直接返回左側(cè)，返回過程中不對(duì)器件采樣，到達(dá)左側(cè)后，y 向向下行進(jìn)一個(gè)步距，然后繼續(xù)向右進(jìn)行移動(dòng)并檢測(cè)，如此循環(huán)直至檢測(cè)完整個(gè)器件，其路徑示意如圖1 所示。

圖1 x 向單向采集路徑

其特點(diǎn)在于：

(1) 由于其只有在向右側(cè)行進(jìn)時(shí)才對(duì)器件進(jìn)行超聲波檢測(cè)采樣，因此該路徑的檢測(cè)效率會(huì)比較低；

(2)由于其采樣時(shí)只有x 向移動(dòng)，其對(duì)器件內(nèi)部的采樣點(diǎn)分布是均勻的矩陣點(diǎn)針排列，因此采樣的失真情況也較低；

(3)由于超聲波回波信號(hào)被接收時(shí)，探頭也是處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，探頭的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)超聲波回波的接收強(qiáng)度存在影響。一般情況是探頭移動(dòng)的速度快，其回波信號(hào)接收強(qiáng)度低，反之則高。因此，一般單行圖像生成后，或多或少會(huì)出現(xiàn)圖像左右兩側(cè)圖像亮度高中間亮度低的情況。采用單向檢測(cè)，對(duì)器件的每個(gè)掃描行的運(yùn)動(dòng)過程（探頭的運(yùn)動(dòng)速度曲線）完全一致，因而其采集出的超聲波數(shù)據(jù)不存在因電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)速度曲線不同而造成的差異，因而每行的信號(hào)是一致的。

(4)由于探頭和器件不可能做到完全垂直，在運(yùn)動(dòng)過程中，探頭發(fā)出的超聲波信號(hào)再次被探頭接收時(shí)，存在一個(gè)有效接收面積的問題。假設(shè)探頭向右傾，向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，有效的超聲回波接收面積大，向左運(yùn)動(dòng)時(shí)有效接收面積較小。反映在掃描結(jié)果上則會(huì)出現(xiàn)圖像一行明亮一行發(fā)暗的情況。采用單向掃描，探頭與器件表面不垂直造成的超聲回波接收問題不存在，其接收到的檢測(cè)信號(hào)一致、穩(wěn)定。

因此在追求檢測(cè)一致性和檢測(cè)精度高的場(chǎng)合多采用此種掃描路徑。

1.2 x 雙向采集路徑

此種路徑是為了解決路徑1 中效率較低而提出。

其掃描路徑為，探頭沿x 向從器件左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)器件發(fā)射超聲波信號(hào)，并每隔一定距離進(jìn)行超聲波回波采樣，到達(dá)右側(cè)后，y 向向下行進(jìn)一個(gè)步距，然后x 向從右側(cè)返回左側(cè)，返回過程中同樣對(duì)器件進(jìn)行采樣，到達(dá)左側(cè)后，y 向再次向下行進(jìn)一個(gè)步距，然后繼續(xù)向右進(jìn)行移動(dòng)并檢測(cè)，如此循環(huán)直至檢測(cè)完整個(gè)器件，其路徑示意圖如圖2 所示。

圖2 x 雙向采集路徑

其特點(diǎn)在于：

（1）由于其采用的是雙向均采樣的方式，因而理論上其效率是路徑1 的2 倍。同時(shí)，由于其采用的是完全x 向移動(dòng)，其對(duì)器件內(nèi)部的采樣點(diǎn)分布是均勻的矩陣分布，因此采樣的失真情況也較低；

（2）由于采用雙向檢測(cè)，對(duì)器件的每個(gè)掃描行的運(yùn)動(dòng)過程（探頭的運(yùn)動(dòng)速度曲線）左右不一致，因而其采集出的超聲波數(shù)據(jù)存在因電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)速度曲線不同而造成的差異。

（3）采用雙向檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)的方向會(huì)把探頭與器件表面不垂直造成的超聲回波接收不同的情況體現(xiàn)出來，造成圖像出現(xiàn)一行明亮一行暗的情況。

1.3 x 雙向與y 插補(bǔ)采集路徑

掃描路徑2 存在一個(gè)明顯的問題就是x 向每來回運(yùn)動(dòng)一次，y 向也會(huì)有兩個(gè)步進(jìn)，而在這兩個(gè)步進(jìn)的時(shí)間里，是無法對(duì)器件進(jìn)行檢測(cè)的。因此存在掃描效率上的損失。為了解決這個(gè)問題，效率更高的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)掃描路徑被提出。

其掃描路徑為，探頭沿x 向從器件左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，y 向電機(jī)也同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)y 向步進(jìn)動(dòng)作，二者插補(bǔ)形成一條從左上斜向右下的直線，在運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)器件發(fā)射超聲波信號(hào)，并每隔一定距離進(jìn)行超聲波回波采樣，到達(dá)右側(cè)后，二者反向行走一條從右上斜向左下的直線。如此循環(huán)直至檢測(cè)完整個(gè)器件，其路徑示意圖如圖3 所示。

圖3 x 雙向與y 插補(bǔ)采集路徑

其特點(diǎn)在于：

(1)由于其采用的是插補(bǔ)的方式，掃描過程中去掉了y 向運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因而其效率有所提高。

(2)由于其采用的是xy 向插補(bǔ)移動(dòng)，其對(duì)器件內(nèi)部的采樣點(diǎn)分布是不均勻的，因此采樣存在失真的情況，尤其是器件內(nèi)部的斜向特征會(huì)出現(xiàn)明顯的鋸齒狀。見圖4。

圖4 非插補(bǔ)（左側(cè)）與插補(bǔ)掃描（右側(cè)）效果對(duì)比

（3）由于采用雙向檢測(cè)，因而其采集出的超聲波數(shù)據(jù)存在因電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)速度曲線不同而造成差異。

（4）采用雙向檢測(cè)，會(huì)因探頭不垂直而出現(xiàn)圖像一行明亮一行暗的情況。

1.4 x 雙向y 自由采集路徑

掃描路徑3 存在一個(gè)明顯的問題就是xy 的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)造成了超聲回波采樣點(diǎn)的不均勻分布，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)器件內(nèi)部的斜向特征鋸齒化，使檢測(cè)精度降低。為了解決這個(gè)問題，xy 同時(shí)運(yùn)動(dòng)但是非插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)路徑被提出。

其掃描路徑為，探頭沿x 向從器件左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，y 向電機(jī)也同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)y 向步進(jìn)動(dòng)作，但是二者各自獨(dú)立運(yùn)行，由于y 向電機(jī)的移動(dòng)距離小，因此在運(yùn)動(dòng)的起始階段，二者共同走出一圓弧曲線，而整個(gè)行程的后半程y 向停止運(yùn)動(dòng)，只有x 軸運(yùn)動(dòng)，因而后半程為一條橫線。如此循環(huán)直至檢測(cè)完整個(gè)器件，其路徑示意圖如圖5所示。

其特點(diǎn)在于：

圖5 x 雙向y 自由采集路徑

(1)由于其采用的是xy 向同時(shí)運(yùn)動(dòng)的方式，掃描過程中去掉了y 向運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因而其效率較高。

(2)由于其采用的是非插補(bǔ)方式，整個(gè)掃描范圍內(nèi)，中心區(qū)域的采樣點(diǎn)是均勻分布的，因而器件內(nèi)部中心區(qū)域的斜線特征不會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀，只有邊緣部分的斜向特征會(huì)出現(xiàn)鋸齒化。

(3)由于采用雙向檢測(cè)，因而其采集出的超聲波數(shù)據(jù)存在因電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)速度曲線不同而造成的差異。

采用雙向檢測(cè)，會(huì)因探頭不垂直而造成圖像出現(xiàn)一行明亮一行暗的情況。

圖6 是器件內(nèi)部斜向特征的4 種路徑掃描示意。

圖6 斜向特征示意圖

2 結(jié)束語

通過上述分析研究，我們可以看到，不同的掃描路徑會(huì)影響到最終的圖像效果，同時(shí)每種路徑的效率也不盡相同。我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的具體使用狀況，合理選擇掃描路徑，以達(dá)到最佳的效果和效率。