超聲顯微成像技術在工業產品及材料檢測中的應用

任俊波 王學權 羅建東 李驥 童靖壘

摘 ?要： 本文描述了超聲顯微成像技術的發展歷史，檢測系統的構成以及檢測原理。介紹了超聲顯微成像技術的特點和局限性，根據其特點分析了適用于超聲顯微成像技術的工業產品及材料。對超聲顯微成像技術在國內工業產品及材料的應用情況進行了簡要介紹，包括半導體電子元件檢測、薄型工件檢測、多層復合材料檢測、涂層檢測等。超聲顯微成像技術適用于厚度較小，需要較高檢測靈敏度的工業產品、薄型工件及復合材料檢測。由于采用較高的檢測頻率，能夠發現材料表面或內部存在的微小缺陷，檢測靈敏度達到微米級，對于面積型缺陷如結合不良、微小裂紋等特別敏感。

關鍵詞：超聲顯微成像技術 ?半導體檢測 ?薄型工件檢測 ?多層復合材料檢測

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，在1936年由蘇聯科學家索科洛夫首次提出，在20世紀80年代自國外引入國內[1]，目前最有代表性的是美國Sonoscan公司、Sonix公司和德國PVA公司生產的超聲顯微鏡。超聲顯微成像技術的核心是利用高頻超聲波通過非破壞性的方式對材料及工件的內部進行檢測，與常規超聲檢測和射線檢測相比，通常采用較高的檢測頻率，能夠發現隱藏在材料或工件內部的非常微小的缺陷，檢測靈敏度高。引入中國后，超聲顯微成像技術被廣泛應用于半導體晶圓表面缺陷檢測、半導體封裝器件缺陷檢測、金屬材料缺陷檢測、涂層缺陷檢測以及其它具有高靈敏度檢測需求的材料或工件。

1超聲顯微成像系統構成及原理

超聲顯微成像系統主要組成包括高頻超聲儀、超聲換能器、機械傳動裝置、工業控制機、高頻數據采集卡以及顯示器。與常規超聲檢測系統的主要區別在于超聲顯微成像系統的超聲儀頻率帶寬能夠支持5MHz ～500MHz，個別超聲儀甚至支持1GHz以上頻率帶寬，因此超聲顯微成像系統能夠支持較高或超高頻率的超聲換能器。常規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，因此能夠達到更高的頻率，美國和德國都有自主知識產權的高頻探頭專利技術，目前該技術我國尚未掌握。檢測原理上，常規超聲檢測技術與超聲顯微成像檢測技術沒有本質區別，兩者均是利用超聲波入射到被檢測工件或材料內部，在其聲反射信號不連續處產生反射，信號被換能器接收轉換為電信號傳輸到工為控制機，數據采集卡將電信號轉換為數字信號，由后端軟件進行數字處理后將檢測結果輸出顯示器。

2超聲顯微成像技術的特點和局限

相比常規超聲和射線檢測技術相比較，采用超聲顯微成像技術的超聲顯微成像系統特點顯著，它可以檢測材料的密度及材料晶格組織分布，能夠發現材料內部的微小裂紋，微小分層、夾雜物（雜質顆粒、沉淀物）、材料內部的缺損、空洞，氣泡，間隙缺陷等，檢測靈敏度達到微米級，而常規超聲和射線檢測靈敏度僅能達到毫米級。

超聲顯微成像技術的局限在于檢測材料的穿透能力有限。超聲波的特點是頻率越高，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。經調研，枊思泉等[2]針對BaCO3陶瓷體樣品進行實驗表明，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;科視達公司針對特定的不銹鋼樣品進行實驗表明，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，另外通過科視達公司實驗表明，超聲換能器焦距越長，分辨率越低，穿透能力越強。因此采用超聲顯微成像技術時，需要針對檢測對象特性選取適合頻率的超聲換能器。

3半導體電子元件的檢測

超聲顯微成像技術應用于電子元件的檢測始于20世紀80年代，目前國內應用最多的工業產品為半導體晶圓以及電子封裝領域，超聲顯微成像技術被廣泛應用于晶圓鍵合層缺陷、電子封裝缺陷檢測和精密測量等方面，檢測靈敏度可達到5μm。超聲顯微成像技術對具有多層結構材料中的結合不良、微小裂紋等面積性缺陷敏感性較高，在對電子封裝以及半導體晶圓進行檢測時具有獨特的優勢[3-4]。通過特定的圖像軟件進行處理，可將發現的缺陷按面積大小統計分布規律，并計算出不同大小缺陷的占比，半導體封裝芯片上的分層缺陷示意圖見圖1。

4薄型工件檢測

薄型工件檢測包括金屬材料檢測或焊縫檢測，采用的檢測方法一般有渦流檢測以及超聲檢測，超聲檢測一般采用蘭姆波方法進行，檢測對象包括薄鋼板、鋁板、鋯板以及具有淺焊縫的薄型工件等[5]。傳統超聲脈沖反射法由于盲區較大，一般不適用于薄板工件檢測，超聲顯微成像技術克服了傳統超聲檢測設備盲區較大的問題，能夠實現薄型工件內部裂紋、空洞等缺陷的檢測;該技術能夠對薄型工件焊縫實施檢測，實現焊縫內部質量及焊縫熔合深度的檢測，王學芹等[6]利用超聲顯微成像方法對產氚包層焊縫進行了檢測工藝研究，解決了蓋板流道封焊中小缺陷不易檢出的難題;王學權等[7]利用超聲顯微技術對鋯合金淺焊縫熔深檢測進行了深入研究，采用頻率為100MHz的專用探頭可以檢測800～1000μm的鋯合金焊縫熔深，測量誤差小于30μm。

5多層復合材料檢測

針對多層復合材料檢測，國內近些年進行了一系列研究，其中唐月明等[8]對鋯合金多層復合材料進行了超聲顯微成像技術研究，通過研究以及樣品實驗分析結果表明采用超聲顯微技術可以有效對厚度約為0.3mm～0.6mm 的鋯合金多層復合材料包殼進行厚度測量，測厚誤差約為20μm;楊力等[9] 利用CIVA軟件對復合結構件焊縫熔合深度進行了超聲檢測模擬分析，并利用模擬試件進行了金相解剖驗證，結果表明超聲顯微技術可以對復合結構件焊縫熔合深度進行檢測，平均偏差為137.4μm。

6涂層檢測

超聲顯微成像技術還可應用于工件涂層檢測[10-11]，林祺[12]應用超聲顯微技術開展了涂層厚度及其涂層均勻性檢測研究，研究了涂層聲學特性及超聲波在其中傳播規律，提出利用 Welch 譜估計對涂層厚度進行超聲無損測量的方法，該測量方法結果與超聲顯微測量法結果的相對誤差小于6%。

7結語

本文描述了超聲顯微成像技術的發展歷史，超聲顯微成像檢測系統的構成以及檢測原理。介紹了超聲顯微成像技術的特點和局限性，根據其特點分析了適用于超聲顯微成像技術的工業產品及材料。對超聲顯微技術在國內工業產品及材料的應用情況進行了簡要介紹，包括半導體電子元件檢測、薄型工件檢測、多層復合材料檢測、涂層檢測等。

綜合來說，超聲顯微成像技術適用于厚度較小，需要較高檢測靈敏度的工業產品、薄型工件以及復合材料檢測。由于該技術采用了較高的檢測頻率，能夠發現材料表面或內部存在的微小缺陷，檢測靈敏度達到微米級，對于面積型缺陷如結合不良、微小裂紋等特別敏感。超聲顯微成像檢測技術作為無損檢測新技術，在國內應用還相對較少，主要是應用于電子封裝領域，在材料和工件檢測領域應用還相對較少，相關的研究報導和論文也相對較少。隨著我國經濟建設發展的日新月異，對于工業產品及材料質量的要求也越來越高，我國的無損檢測技術從無損檢測進階到無損評估還有很長的路要走，而超聲顯微成像技術可為材料及工件缺陷的無損評估提供強有力的支持，希望我國能夠大力發展超聲顯微成像技術，將該技術盡快應用于更多的產品及材料檢測。

參考文獻

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