超聲顯微成像技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品及材料檢測中的應(yīng)用

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，檢測系統(tǒng)的構(gòu)成以及檢測原理。介紹了超聲顯微成像技術(shù)的特點和局限性，根據(jù)其特點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。對超聲顯微成像技術(shù)在國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)品及材料的應(yīng)用情況進行了簡要介紹，包括半導(dǎo)體電子元件檢測、薄型工件檢測、多層復(fù)合材料檢測、涂層檢測等。超聲顯微成像技術(shù)適用于厚度較小，需要較高檢測靈敏度的工業(yè)產(chǎn)品、薄型工件及復(fù)合材料檢測。由于采用較高的檢測頻率，能夠發(fā)現(xiàn)材料表面或內(nèi)部存在的微小缺陷，檢測靈敏度達到微米級，對于面積型缺陷如結(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 ?薄型工件檢測 ?多層復(fù)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(shù)，在1936年由蘇聯(lián)科學(xué)家索科洛夫首次提出，在20世紀80年代自國外引入國內(nèi)[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(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非破壞性的方式對材料及工件的內(nèi)部進行檢測，與常規(guī)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(fā)現(xiàn)隱藏在材料或工件內(nèi)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(shù)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶圓表面缺陷檢測、半導(dǎo)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(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、機械傳動裝置、工業(yè)控制機、高頻數(shù)據(jù)采集卡以及顯示器。與常規(guī)超聲檢測系統(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)，因此能夠達到更高的頻率，美國和德國都有自主知識產(chǎn)權(quán)的高頻探頭專利技術(shù)，目前該技術(shù)我國尚未掌握。檢測原理上，常規(guī)超聲檢測技術(shù)與超聲顯微成像檢測技術(shù)沒有本質(zhì)區(qū)別，兩者均是利用超聲波入射到被檢測工件或材料內(nèi)部，在其聲反射信號不連續(xù)處產(chǎn)生反射，信號被換能器接收轉(zhuǎn)換為電信號傳輸?shù)焦榭刂茩C，數(shù)據(jù)采集卡將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由后端軟件進行數(shù)字處理后將檢測結(jié)果輸出顯示器。

2超聲顯微成像技術(shù)的特點和局限

相比常規(guī)超聲和射線檢測技術(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)特點顯著，它可以檢測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，檢測靈敏度達到微米級，而常規(guī)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(shù)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(jīng)調(diào)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(shù)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(dǎo)體電子元件的檢測

超聲顯微成像技術(shù)應(yīng)用于電子元件的檢測始于20世紀80年代，目前國內(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(shù)對具有多層結(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，在對電子封裝以及半導(dǎo)體晶圓進行檢測時具有獨特的優(yōu)勢[3-4]。通過特定的圖像軟件進行處理，可將發(fā)現(xiàn)的缺陷按面積大小統(tǒng)計分布規(guī)律，并計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(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，超聲顯微成像技術(shù)克服了傳統(tǒng)超聲檢測設(shè)備盲區(qū)較大的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)薄型工件內(nèi)部裂紋、空洞等缺陷的檢測;該技術(shù)能夠?qū)Ρ⌒凸ぜ缚p實施檢測，實現(xiàn)焊縫內(nèi)部質(zhì)量及焊縫熔合深度的檢測，王學(xué)芹等[6]利用超聲顯微成像方法對產(chǎn)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(xué)權(quán)等[7]利用超聲顯微技術(shù)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(fù)合材料檢測

針對多層復(fù)合材料檢測，國內(nèi)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(fù)合材料進行了超聲顯微成像技術(shù)研究，通過研究以及樣品實驗分析結(jié)果表明采用超聲顯微技術(shù)可以有效對厚度約為0.3mm～0.6mm 的鋯合金多層復(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(jié)果表明超聲顯微技術(shù)可以對復(fù)合結(jié)構(gòu)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(shù)還可應(yīng)用于工件涂層檢測[10-11]，林祺[12]應(yīng)用超聲顯微技術(shù)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(xué)特性及超聲波在其中傳播規(guī)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(jié)果與超聲顯微測量法結(jié)果的相對誤差小于6%。

7結(jié)語

本文描述了超聲顯微成像技術(shù)的發(fā)展歷史，超聲顯微成像檢測系統(tǒng)的構(gòu)成以及檢測原理。介紹了超聲顯微成像技術(shù)的特點和局限性，根據(jù)其特點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。對超聲顯微技術(shù)在國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)品及材料的應(yīng)用情況進行了簡要介紹，包括半導(dǎo)體電子元件檢測、薄型工件檢測、多層復(fù)合材料檢測、涂層檢測等。

綜合來說，超聲顯微成像技術(shù)適用于厚度較小，需要較高檢測靈敏度的工業(yè)產(chǎn)品、薄型工件以及復(fù)合材料檢測。由于該技術(shù)采用了較高的檢測頻率，能夠發(fā)現(xiàn)材料表面或內(nèi)部存在的微小缺陷，檢測靈敏度達到微米級，對于面積型缺陷如結(jié)合不良、微小裂紋等特別敏感。超聲顯微成像檢測技術(shù)作為無損檢測新技術(shù)，在國內(nèi)應(yīng)用還相對較少，主要是應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域，在材料和工件檢測領(lǐng)域應(yīng)用還相對較少，相關(guān)的研究報導(dǎo)和論文也相對較少。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的日新月異，對于工業(yè)產(chǎn)品及材料質(zhì)量的要求也越來越高，我國的無損檢測技術(shù)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(shù)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(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。

參考文獻

[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，2011，29（2）：49-53.

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

[5]王偉. 基于蘭姆波時頻圖的鋼板缺陷超聲檢測方法[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，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，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[J].科技視界，2019（9）：74-75.

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

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

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