任俊波 王學(xué)權(quán) 羅建東 李驥 童靖壘

摘 ?要： 本文描述了超聲顯微成像技術(shù)的發(fā)展歷史，檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成以及檢測(cè)原理。介紹了超聲顯微成像技術(shù)的特點(diǎn)和局限性，根據(jù)其特點(diǎn)分析了適用于超聲顯微成像技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品及材料。對(duì)超聲顯微成像技術(shù)在國(guó)內(nèi)工業(yè)產(chǎn)品及材料的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，包括半導(dǎo)體電子元件檢測(cè)、薄型工件檢測(cè)、多層復(fù)合材料檢測(cè)、涂層檢測(cè)等。超聲顯微成像技術(shù)適用于厚度較小，需要較高檢測(cè)靈敏度的工業(yè)產(chǎn)品、薄型工件及復(fù)合材料檢測(cè)。由于采用較高的檢測(cè)頻率，能夠發(fā)現(xiàn)材料表面或內(nèi)部存在的微小缺陷，檢測(cè)靈敏度達(dá)到微米級(jí)，對(duì)于面積型缺陷如結(jié)合不良、微小裂紋等特別敏感。

關(guān)鍵詞：超聲顯微成像技術(shù) ?半導(dǎo)體檢測(cè) ?薄型工件檢測(cè) ?多層復(fù)合材料檢測(cè)

Application of Ultrasonic Micro Detection Technology in The Detection of Industrial Products and Materials

REN Junbo ?WANG Xuequan ?LUO Jiandong ?LI Ji ?TONG Jinglei

（Nuclear Power Institute of China， Chengdu， Sichuan Province， 610213 ?China）

Abstract： This paper describes the development history of Ultrasonic Micro Imaging technology， the composition of detection system and detection principle.It introduces the characteristics and limitations of Ultrasonic Micro Imaging technology， and analyzes the industrial products and materials suitable for Ultrasonic Micro Imaging technology. According to its characteristics， the industrial products， and materials suitable for Ultrasonic Micro Imaging technology are analyzed. The application of ultrasonic microscopy in domestic industrial products and materials is briefly introduced， including semiconductor electronic component detection， thin workpiece detection， multilayer composite material detection， coating detection and so on. Ultrasonic Micro Imaging technology is suitable for the detection of industrial products， thin workpieces and composites with small thickness and high detection sensitivity. Due to the high detection frequency， micro defects on the surface or inside of the material can be found， and the detection sensitivity reaches the micron level. It is particularly sensitive to area defects such as poor bonding and micro cracks.

Key Words： Ultrasonic Micro Imaging technology; Semiconductor detection; Thin workpiece inspection; Inspection of multilayer composites

超聲顯微成像技術(shù)，在1936年由蘇聯(lián)科學(xué)家索科洛夫首次提出，在20世紀(jì)80年代自國(guó)外引入國(guó)內(nèi)[1]，目前最有代表性的是美國(guó)Sonoscan公司、Sonix公司和德國(guó)PVA公司生產(chǎn)的超聲顯微鏡。超聲顯微成像技術(shù)的核心是利用高頻超聲波通過(guò)非破壞性的方式對(duì)材料及工件的內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，與常規(guī)超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)相比，通常采用較高的檢測(cè)頻率，能夠發(fā)現(xiàn)隱藏在材料或工件內(nèi)部的非常微小的缺陷，檢測(cè)靈敏度高。引入中國(guó)后，超聲顯微成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓表面缺陷檢測(cè)、半導(dǎo)體封裝器件缺陷檢測(cè)、金屬材料缺陷檢測(cè)、涂層缺陷檢測(cè)以及其它具有高靈敏度檢測(cè)需求的材料或工件。

1超聲顯微成像系統(tǒng)構(gòu)成及原理

超聲顯微成像系統(tǒng)主要組成包括高頻超聲儀、超聲換能器、機(jī)械傳動(dòng)裝置、工業(yè)控制機(jī)、高頻數(shù)據(jù)采集卡以及顯示器。與常規(guī)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于超聲顯微成像系統(tǒng)的超聲儀頻率帶寬能夠支持5MHz ～500MHz，個(gè)別超聲儀甚至支持1GHz以上頻率帶寬，因此超聲顯微成像系統(tǒng)能夠支持較高或超高頻率的超聲換能器。常規(guī)超聲換能器采用的壓電材料主要是石英、硫酸鋰、鈦酸鋇等單晶或多晶材料，而高頻超聲換能器采用薄膜技術(shù)，因此能夠達(dá)到更高的頻率，美國(guó)和德國(guó)都有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高頻探頭專利技術(shù)，目前該技術(shù)我國(guó)尚未掌握。檢測(cè)原理上，常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)與超聲顯微成像檢測(cè)技術(shù)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，兩者均是利用超聲波入射到被檢測(cè)工件或材料內(nèi)部，在其聲反射信號(hào)不連續(xù)處產(chǎn)生反射，信號(hào)被換能器接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)焦榭刂茩C(jī)，數(shù)據(jù)采集卡將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由后端軟件進(jìn)行數(shù)字處理后將檢測(cè)結(jié)果輸出顯示器。

2超聲顯微成像技術(shù)的特點(diǎn)和局限

相比常規(guī)超聲和射線檢測(cè)技術(shù)相比較，采用超聲顯微成像技術(shù)的超聲顯微成像系統(tǒng)特點(diǎn)顯著，它可以檢測(cè)材料的密度及材料晶格組織分布，能夠發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部的微小裂紋，微小分層、夾雜物（雜質(zhì)顆粒、沉淀物）、材料內(nèi)部的缺損、空洞，氣泡，間隙缺陷等，檢測(cè)靈敏度達(dá)到微米級(jí)，而常規(guī)超聲和射線檢測(cè)靈敏度僅能達(dá)到毫米級(jí)。

超聲顯微成像技術(shù)的局限在于檢測(cè)材料的穿透能力有限。超聲波的特點(diǎn)是頻率越高，分辨率越高，穿透能力越差，要獲得較高的分辨率，則穿透能力必然下降。經(jīng)調(diào)研，枊思泉等[2]針對(duì)BaCO3陶瓷體樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明，50MHz穿透深度3.8mm，75MHz穿透深度3.0mm，100MHz穿透深度2.0mm，230MHz穿透深度1.2mm;科視達(dá)公司針對(duì)特定的不銹鋼樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明，10MHz穿透深度10mm，50MHz穿透深度5mm，100MHz穿透深度2mm，200MHz穿透深度0.5mm，另外通過(guò)科視達(dá)公司實(shí)驗(yàn)表明，超聲換能器焦距越長(zhǎng)，分辨率越低，穿透能力越強(qiáng)。因此采用超聲顯微成像技術(shù)時(shí)，需要針對(duì)檢測(cè)對(duì)象特性選取適合頻率的超聲換能器。

3半導(dǎo)體電子元件的檢測(cè)

超聲顯微成像技術(shù)應(yīng)用于電子元件的檢測(cè)始于20世紀(jì)80年代，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的工業(yè)產(chǎn)品為半導(dǎo)體晶圓以及電子封裝領(lǐng)域，超聲顯微成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于晶圓鍵合層缺陷、電子封裝缺陷檢測(cè)和精密測(cè)量等方面，檢測(cè)靈敏度可達(dá)到5μm。超聲顯微成像技術(shù)對(duì)具有多層結(jié)構(gòu)材料中的結(jié)合不良、微小裂紋等面積性缺陷敏感性較高，在對(duì)電子封裝以及半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3-4]。通過(guò)特定的圖像軟件進(jìn)行處理，可將發(fā)現(xiàn)的缺陷按面積大小統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，并計(jì)算出不同大小缺陷的占比，半導(dǎo)體封裝芯片上的分層缺陷示意圖見(jiàn)圖1。

4薄型工件檢測(cè)

薄型工件檢測(cè)包括金屬材料檢測(cè)或焊縫檢測(cè)，采用的檢測(cè)方法一般有渦流檢測(cè)以及超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)一般采用蘭姆波方法進(jìn)行，檢測(cè)對(duì)象包括薄鋼板、鋁板、鋯板以及具有淺焊縫的薄型工件等[5]。傳統(tǒng)超聲脈沖反射法由于盲區(qū)較大，一般不適用于薄板工件檢測(cè)，超聲顯微成像技術(shù)克服了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)設(shè)備盲區(qū)較大的問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)薄型工件內(nèi)部裂紋、空洞等缺陷的檢測(cè);該技術(shù)能夠?qū)Ρ⌒凸ぜ缚p實(shí)施檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)部質(zhì)量及焊縫熔合深度的檢測(cè)，王學(xué)芹等[6]利用超聲顯微成像方法對(duì)產(chǎn)氚包層焊縫進(jìn)行了檢測(cè)工藝研究，解決了蓋板流道封焊中小缺陷不易檢出的難題;王學(xué)權(quán)等[7]利用超聲顯微技術(shù)對(duì)鋯合金淺焊縫熔深檢測(cè)進(jìn)行了深入研究，采用頻率為100MHz的專用探頭可以檢測(cè)800～1000μm的鋯合金焊縫熔深，測(cè)量誤差小于30μm。

5多層復(fù)合材料檢測(cè)

針對(duì)多層復(fù)合材料檢測(cè)，國(guó)內(nèi)近些年進(jìn)行了一系列研究，其中唐月明等[8]對(duì)鋯合金多層復(fù)合材料進(jìn)行了超聲顯微成像技術(shù)研究，通過(guò)研究以及樣品實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明采用超聲顯微技術(shù)可以有效對(duì)厚度約為0.3mm～0.6mm 的鋯合金多層復(fù)合材料包殼進(jìn)行厚度測(cè)量，測(cè)厚誤差約為20μm;楊力等[9] 利用CIVA軟件對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔合深度進(jìn)行了超聲檢測(cè)模擬分析，并利用模擬試件進(jìn)行了金相解剖驗(yàn)證，結(jié)果表明超聲顯微技術(shù)可以對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔合深度進(jìn)行檢測(cè)，平均偏差為137.4μm。

6涂層檢測(cè)

超聲顯微成像技術(shù)還可應(yīng)用于工件涂層檢測(cè)[10-11]，林祺[12]應(yīng)用超聲顯微技術(shù)開(kāi)展了涂層厚度及其涂層均勻性檢測(cè)研究，研究了涂層聲學(xué)特性及超聲波在其中傳播規(guī)律，提出利用 Welch 譜估計(jì)對(duì)涂層厚度進(jìn)行超聲無(wú)損測(cè)量的方法，該測(cè)量方法結(jié)果與超聲顯微測(cè)量法結(jié)果的相對(duì)誤差小于6%。

7結(jié)語(yǔ)

本文描述了超聲顯微成像技術(shù)的發(fā)展歷史，超聲顯微成像檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成以及檢測(cè)原理。介紹了超聲顯微成像技術(shù)的特點(diǎn)和局限性，根據(jù)其特點(diǎn)分析了適用于超聲顯微成像技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品及材料。對(duì)超聲顯微技術(shù)在國(guó)內(nèi)工業(yè)產(chǎn)品及材料的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，包括半導(dǎo)體電子元件檢測(cè)、薄型工件檢測(cè)、多層復(fù)合材料檢測(cè)、涂層檢測(cè)等。

綜合來(lái)說(shuō)，超聲顯微成像技術(shù)適用于厚度較小，需要較高檢測(cè)靈敏度的工業(yè)產(chǎn)品、薄型工件以及復(fù)合材料檢測(cè)。由于該技術(shù)采用了較高的檢測(cè)頻率，能夠發(fā)現(xiàn)材料表面或內(nèi)部存在的微小缺陷，檢測(cè)靈敏度達(dá)到微米級(jí)，對(duì)于面積型缺陷如結(jié)合不良、微小裂紋等特別敏感。超聲顯微成像檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還相對(duì)較少，主要是應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域，在材料和工件檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用還相對(duì)較少，相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)和論文也相對(duì)較少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的日新月異，對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品及材料質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，我國(guó)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)從無(wú)損檢測(cè)進(jìn)階到無(wú)損評(píng)估還有很長(zhǎng)的路要走，而超聲顯微成像技術(shù)可為材料及工件缺陷的無(wú)損評(píng)估提供強(qiáng)有力的支持，希望我國(guó)能夠大力發(fā)展超聲顯微成像技術(shù)，將該技術(shù)盡快應(yīng)用于更多的產(chǎn)品及材料檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]王坤，冷濤，毛捷，等.超聲顯微成像技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用與發(fā)展[J/OL].應(yīng)用聲學(xué)：1-13[2021-09-22].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2121.O4.20210407.1532.012.html.

[2]柳思泉.超聲顯微成像技術(shù)的應(yīng)用與研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2011，29（2）：49-53.

[3]樊瓊. 超高頻超聲顯微測(cè)量系統(tǒng)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[4]郭祥輝. 電子封裝結(jié)構(gòu)超聲顯微成像與熱疲勞損傷評(píng)估[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[5]王偉. 基于蘭姆波時(shí)頻圖的鋼板缺陷超聲檢測(cè)方法[D].太原：太原理工大學(xué)，2020.

[6]王學(xué)芹，王曉宇，廖洪彬，等.超聲顯微成像方法對(duì)產(chǎn)氚包層焊縫的適用性研究[J].核聚變與等離子體物理，2019，39（4）：359-364.

[7]任俊波，唐月明，王學(xué)權(quán)，等.鋯合金淺焊縫熔深超聲顯微成像技術(shù)研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2015，29（S1）：80-82.

[8]任俊波，唐月明，王學(xué)權(quán)，等.鋯合金淺焊縫熔深超聲顯微成像技術(shù)研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2015，29（S1）：80-82.

[9]楊力，張侃，王學(xué)權(quán)，等.基于超聲顯微技術(shù)的復(fù)合結(jié)構(gòu)件焊縫熔深檢測(cè)[J].科技視界，2019（9）：74-75.

[10]翟昕龍. 在役天然氣管道內(nèi)涂層超聲檢測(cè)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].中國(guó)石油大學(xué)（華東），2019.

[11]馬曉陽(yáng). 基于超聲回波的海底管道外涂層缺陷檢測(cè)技術(shù)研究[D].中國(guó)石油大學(xué)（華東），2019.

[12]林祺. 涂層性能的超聲無(wú)損檢測(cè)與表征技術(shù)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.