扫描声学显微镜

扫描声学显微镜

声学显微技术具有独特的优势,能够对材料的内部结构进行无损检测——例如在晶圆和MEMS器件生产过程中,那些对红外或X射线方法不透明的锭坯。通过测量试样内部声阻抗的变化,该技术可产生清晰的对比度,从而揭示隐藏的特征。 其中一项显著特性是声波在气孔处会发生全反射,从而产生明亮的信号和相位偏移。因此,声学显微镜在识别微裂纹、夹杂物、气泡和分层等材料缺陷方面非常有效,为质量保证和先进材料分析提供了有力支持。

 

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流程

声学显微镜基于脉冲回波原理,其中高频换能器发射快速的超声脉冲并接收返回的信号。换能器内含压电元件,可将电信号转换为精确的超声波。这些波通过耦合介质(如去离子水)耦合到样品中。超声波聚焦于样品上,换能器捕获来自内部结构的反射信号。 模数转换器(ADC)将接收到的信号数字化,而先进的触发电子电路则控制发射和接收周期。最终可获得样品内部的高分辨率、无创成像,并以灰度图像的形式显示。

通过传感器采集数据

系统且非常精确

换能器在XY平面上逐行(以网格形式)扫描样品,若样品存在弯曲或凸起结构,还可按需在Z方向进行扫描,随后将电磁脉冲以特定灰度的像素形式显示出来。

利用各个像素的信息生成一张图像,显示所有记录到的信号。首先显示的是样品表面的超声反射。如果样品完好无损,信号会在样品背面再次反射。 来自样品上、下两面的两个信号到达时间差可提供样品厚度的信息。如果样品存在缺陷,样品与缺陷之间的界面也会引起声波反射。

频率与分辨率

无与伦比且具有独特性

声学显微镜的工作频率可达吉赫兹量级。通常而言,频率越高,可实现的分辨率越高,声波的穿透深度则越低。

由于耦合介质中的衰减随频率升高呈二次方增长,因此必须将透镜尽可能靠近待测样品。这种较短的工作距离,以及构建高局部分辨率换能器阵列的难度,要求采用一种逐像素扫描的显微技术。

PVA TePla 通过持续改进其高分辨率换能器,不断提升测量精度。当前的超声显微镜提供最高达 1,000 MHz 的频率范围,可实现低至 0.8 µm 的分辨率。当然,这取决于待测样品的材质和密度。

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SAM system with multiple transducers inspecting a semiconductor wafer.
Z-scan by ultrasonic microscopy to explain the individual layers and structures of components for delamination and crack detection.

非破坏性分析的实施

超声显微镜的扫描模式

扫描模式(也称为成像模式)可在声学显微镜下对部件的内部结构进行无损分析。特别是,这些成像模式有助于解析部件的各层结构,从而实现分层和裂纹检测。为了获得详细的分析结果,会采用不同的成像或扫描模式。 

扫描模式概述

A扫描提供来自样品的局部飞行时间——即由组件反射的、随时间变化的超声波。该信息通过预先选定的数据门限,将选定的样品范围数字化。用于定量测定时间-距离(回波时间)的该数据门限,被用于在深度方向上设置电子时间窗口。 随后,经过适当选择的范围将被纳入C扫描。屏幕上的数字示波器显示入射回波。如果设置了多个时间窗口(X扫描或G扫描),监视器上将显示多幅图像。

原则上,B扫描是将多个A扫描串联而成的。它们生成该组件在X方向上的深度分辨截面图像。门限设置覆盖整个时间范围,但用户可以自行配置。借助SAMnalysis软件,可提供更多B扫描分析选项。

在这种情况下,门限设置为特定的深度和宽度(在WINSAM中控制)。沿X和Y方向扫描工件会生成工件的分层图像,其宽度与设定的数据门限宽度相对应。若出现分层表面,该区域可立即标记为红色(显示相位反转)。

在X扫描中,一次扫描操作即可同时生成100多幅不同深度范围的C扫描图像,并实时显示。

Z扫描模式可采集三维数据记录(断层扫描信息),支持离线重建B、C、D、P、X、A及3D扫描图像,并能通过用户自定义门控对图像进行实时测量。这些数据随后可通过SAMnalysis和WINSAM软件进行处理。

位于样品上方的换能器发射超声信号,该信号由位于样品下方的第二个换能器接收。这种扫描模式可为用户提供有关样品结构的信息。在此过程中,两个换能器会同时对样品进行分析。

主要应用领域

借助高频超声波技术,SAM 覆盖了完整的制造链:从晶圆检测和功率器件检测,到当今最先进半导体封装架构的计量检测。以下各节概述了这些关键应用领域,在整个制造链中,SAM 均能提供决定性的附加价值。

Array of scanning acoustic microscopy (SAM) transducers aligned above a sample surface for high‑precision, non‑destructive inspection.

从第一步开始就精准

晶圆检测

SAM 能够在早期阶段检测晶圆中的亚表面缺陷,例如分层、气孔和微裂纹——这些缺陷是光学方法无法察觉的。高频超声波确保了对薄层和精细结构的可靠检测。

应用领域:硅、碳化硅(SiC)及化合物半导体晶圆在薄化、划片或外延等关键工艺步骤之前或之后。

Close‑up of a scanning acoustic microscopy process

适用于高性能模块

功率器件检测

SAM 分析功率器件中多层结构的机械完整性——检测芯片粘接层、DBC/AMB 基板以及封装界面中的分层、裂纹、气孔和空隙,以确保器件的使用寿命和热性能。

应用领域:汽车、工业及电动汽车领域的功率模块,以及碳化硅(SiC)功率器件。

面向下一代性能

先进封装检测

SAM 能够对微凸点、贯通孔(TSV)、底部填充界面和中介层等精细结构进行高分辨率检测,从而确保 2.5D/3D 芯片架构中电气互连的完整性。

应用领域:高性能芯片、HBM堆叠、CoWoS/SoIC封装以及倒装芯片架构。

相关行业

能源

扫描声学显微技术能够对能源行业的电力电子和半导体器件进行可靠的无损检测,从而确保关键应用的质量与安全。该技术可检测IGBT、散热器、薄膜层及先进半导体器件等模块中的内部缺陷,例如分层、气孔、裂纹和粘接问题。

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汽车

对于安全关键型汽车总成和零部件而言,非破坏性、全面的检测至关重要。随着电动出行技术的不断发展,汽车、内燃机和火车中的新技术及电力电子设备必须符合严格的质量标准。我们的系统可检测复合材料、电力电子设备、传感器、控制装置、密封件,以及焊接、锡焊和烧结连接。

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半导体

我们的系统提供无损结构成像技术,用于检测半导体生产过程中的缺陷和连接错误,支持从前端到后端的各类应用。典型的检测对象包括晶圆、碳化硅(SiC)和硅(Si)锭、MEMS、芯片结构、微处理器、LED、倒装芯片、电力电子器件、键合界面、CMOS传感器、模塑元件和无源元件,以及封装。

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无损声学显微技术无需预处理即可揭示医疗样本的亚表面结构,从而能够对植入物、骨骼、组织、细胞、血栓形成及牙齿进行可靠且高质量的分析。与顶尖研究机构的持续合作,确保了该技术在医疗应用领域的不断进步。

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声学显微镜。匠心打造,追求卓越。

从实验室仪器到半自动设备,再到全自动系统,我们通过融合突破性技术与精密的工程解决方案,开发出高性能的声学显微镜及配套软件,并可根据您的研究需求和材料特性进行优化。我们功能多样的SAM产品系列以直观的分析技术为特色——德国制造,性价比无与伦比。

我们的超声技术基于一个通用组件平台,并辅以针对特定应用的模块以提供个性化解决方案。这些系统在硬件(可选扩展)、扫描仪类型及其行程范围以及换能器方面各不相同。原则上,我们的换能器与所有系统均兼容。

除 SAM 系统外,我们的专业技术还涵盖专为大型复杂部件及工业检测任务设计的先进超声无损检测系统。这些系统基于相同的核心超声平台,同时提供多轴运动、扩展的扫描范围以及针对特定应用的自动化功能,可对各种零件几何形状进行高精度评估。

 

关于我们的超声波无损检测系统

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Lab worker operates scanning acoustic microscopy process in a clean, bright laboratory while another person walks in the background.

系统概览

SAM Auto-Wafer system from the front with monitor

SAM Autowafer

SAM Auto Wafer 系列是一款专用于晶圆自动检测和工艺控制的无损检测系统。该系统采用四个双阵列换能器进行样品分析,能够以高吞吐量实现高分辨率声学检测,并运用了最新的高频和换能器技术,频率最高可达 400 MHz,脉冲重复频率最高可达 80 kHz。

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PVA TePla Auto-Tray system featuring an enclosed automated handling unit with robotic mechanisms for loading and transferring trays.

SAM Auto Tray

电子设备、印刷电路板、IGBT 模块及其他复杂组件的制造,在很大程度上依赖于粘接、焊接和灌封工艺。SAM Auto Tray 可对这些组件进行无损检测,以发现相关缺陷。

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Automated scanning acoustic microscopy system for high‑volume panel inspection.

SAM Auto Panel

SAM Auto Panel 专为半导体制造中的过程控制而设计,特别侧重于监控面板级封装(PLP)和基于面板的半导体技术,以及其他复杂组件。

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SAM Lab system shown from the front

SAM Lab

SAM实验室提供操作简便的扫描声学显微镜,适用于过程控制、质量保证及科研应用。每款机型均基于行业标准组件平台打造,并采用了领先的生产与制造技术。

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