超音波顯微鏡

超音波掃描顯微鏡

超音波顯微鏡具備一項獨特優勢,即能以無損方式檢測材料的內部結構——例如在晶圓及微機電系統(MEMS)裝置生產過程中,那些對紅外線或X射線方法不透明的錠料。透過測量樣本內聲阻抗的變化,此技術可產生清晰的對比度,從而揭示隱藏的特徵。 其中一項顯著特性是聲波在氣孔處會發生完全反射,從而產生明亮的訊號與相位偏移。因此,超音波顯微鏡在識別微裂紋、夾雜物、氣泡及分層等材料缺陷方面極為有效,有助於品質保證與先進材料分析。

 

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流程

超音波顯微鏡基於脈衝回波原理,其中高頻換能器會發射快速的超音波脈衝並接收回波。換能器內含壓電元件,可將電訊號轉換為精確的超音波。這些波透過耦合介質(例如去離子水)耦合至樣本中。超音波聚焦於樣本上,而來自內部結構的反射波則由換能器捕捉。 類比數位轉換器(ADC)將接收到的訊號數位化,而先進的觸發電子元件則控制發射與接收週期。最終可獲得樣本內部的高解析度、非侵入性影像,並以灰階圖像呈現。

透過探頭(換能器)進行資料擷取

系統化且極為精確

換能器在 XY 平面上以行(網格)為單位掃描樣品,若樣品具有彎曲或凸出結構,亦可依需求在 Z 方向進行掃描,隨後將電磁脈衝以特定灰階值的像素形式呈現。

透過各像素的資訊,系統會生成一張顯示所有記錄訊號的影像。首先,會顯示樣品表面的超音波反射訊號。若樣品完整無缺,訊號會在樣品背面再次反射。 來自樣品上、下兩側的兩個訊號到達時間差,可提供樣品厚度的資訊。若樣品含有缺陷,樣品與缺陷之間的界面也會引發聲波反射。

頻率與解析度

無與倫比且精準

聲學顯微鏡運作時使用的頻率可延伸至 GHz 範圍。一般而言,頻率越高,可達到的解析度越高,而聲波的穿透深度則越低。

由於耦合介質中的衰減會隨頻率上升而呈二次方增長,因此必須將透鏡盡可能貼近待測樣本。這種短工作距離,加上難以構建能提供高局部解析度的換能器佈局,使得必須採用一種逐像素掃描樣本的掃描顯微鏡技術。

PVA TePla 持續對其高解析度換能器進行研發,從而提升測量精度。當前的超音波顯微鏡提供最高達 1,000 MHz 的頻率範圍,可實現低至 0.8 µm 的解析度。當然,這取決於待測樣本的材質與密度。

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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.

非破壞性分析的實施

超音波顯微鏡的掃描模式

掃描模式(亦稱為成像模式)可在聲學顯微鏡下對元件的內部結構進行無損分析。特別是,這些成像模式有助於解析元件的各層結構,以進行分層與裂紋檢測。為了獲得詳細的資訊,會採用不同的成像或掃描模式。 

掃描模式概覽

 A-Scan提供來自樣本的局部飛行時間——即由元件反射的、隨時間變化的超音波。此資訊透過預先選定的資料門限,將選定的樣本範圍數位化。此用於定量時間-距離測量(回波時間)的資料門限,用於在深度方向上設定電子時間視窗。 隨後,適當選定的範圍將被整合至 C 掃描中。螢幕上的數位示波器會顯示接收到的回波。若設置了多個時間視窗(X- or G-scan),螢幕上將顯示多張影像。

原則上,B-Scan是將多個 A-scan串聯而成。這些掃描會產生元件在 X 方向上具有深度解析度的橫截面圖像。門限範圍預設為整個時間區間,但使用者可自行設定。透過 SAMnalysis 軟體,可提供更多 B 掃描分析的選項。

在此情況下,門限會設定為特定的深度和寬度(透過 WINSAM 控制)。沿 X 和 Y 方向掃描元件後,會產生該元件的分層影像,其寬度即對應於設定的數據門限。若遇到分層表面,該區域可立即標示為紅色(顯示相位反轉)。

在 X 掃描模式下,單次掃描操作即可同時生成超過 100 張不同深度範圍的 C-Scan 影像,並以即時方式顯示。

Z-scan 模式可擷取三維資料記錄(斷層掃描資訊),並能離線重建 B、C、D、P、X、A 及 3D 掃描影像,同時支援透過使用者自訂的門控進行影像的即時測量。這些資料隨後可透過 SAMnalysis 和 WINSAM 軟體進行處理。

位於樣品上方的探頭(換能器)會發出超音波訊號,該訊號由位於樣品下方的第二個探頭(換能器)接收。此掃描模式可提供使用者有關樣品結構的資訊。在此過程中,兩個探頭(換能器)會同時對樣品進行分析。

主要應用領域

透過高頻超音波技術,SAM 涵蓋完整的製造鏈:從晶圓檢測、功率元件檢測,到當今最先進半導體封裝架構的量測。以下各節將概述這些關鍵應用領域,說明 SAM 如何在整個製造鏈中提供決定性的附加價值。

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

從第一步開始就精準無誤

晶圓檢測

SAM 能於早期階段偵測晶圓中的次表面缺陷,例如分層、空洞及微裂紋——這些缺陷是光學方法無法察覺的。高頻超音波確保能對薄層及微細結構進行可靠的檢測。

應用:適用於矽、碳化矽(SiC)及化合物半導體晶圓,可在薄化、切割或外延等關鍵製程步驟之前或之後進行檢測。

Close‑up of a scanning acoustic microscopy process

適用於高性能模組

功率元件檢測

SAM 分析功率元件中多層結構的機械完整性——偵測晶片黏著層、DBC/AMB 基板以及封裝介面中的分層、裂紋、氣孔和空隙,以確保產品壽命與熱性能。

應用領域:汽車、工業及電動車領域的功率模組,以及碳化矽(SiC)功率元件。

邁向下一代的卓越表現

先進封裝檢測

SAM 能夠對微凸點、貫穿式電路孔 (TSV)、底部填充介面及中介層等微細結構進行高解析度檢測,確保 2.5D/3D 晶片架構中電氣互連的完整性。

應用領域:高效能晶片、HBM 堆疊、CoWoS/SoIC 封裝,以及倒裝晶片架構。

相關產業

能源

掃描聲學顯微鏡技術能對能源產業的電力電子及半導體元件進行可靠且無損的檢測,確保關鍵應用的品質與安全性。此技術可偵測 IGBT、散熱片、薄膜層及先進半導體元件等模組中的內部缺陷,例如分層、空洞、裂紋及接合問題。

更多產業資訊

汽車

對於安全至關重要的汽車組件與零件而言,非破壞性且全面的檢測至關重要。隨著電動化發展,汽車、內燃機車及火車所採用的新技術與電力電子元件,必須符合嚴格的品質標準。我們的系統可檢測複合材料、電力電子元件、感測器、控制裝置、密封件,以及焊接、釺焊和燒結接合處。

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半導體

我們的系統提供非破壞性結構成像技術,用於檢測半導體生產過程中的缺陷與接合錯誤,支援從前端到後端的各項應用。典型的檢測對象包括晶圓、碳化矽(SiC)與矽(Si)錠、微機電系統(MEMS)、晶粒結構、微處理器、LED、倒裝晶片、功率電子元件、接合界面、CMOS 感測器、模塑元件與被動元件,以及封裝。

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醫療

非破壞性聲學顯微技術無需預處理即可揭示醫療樣本的表層下結構,從而能對植入物、骨骼、組織、細胞、血栓形成及牙齒進行可靠且高品質的分析。透過與頂尖研究機構的持續合作,確保該技術在醫療應用領域不斷取得進展。

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聲學顯微鏡。追求卓越,匠心打造。

從實驗室儀器、半自動化設備到全自動化系統,我們透過結合突破性技術與精密的工程解決方案,開發出高性能的聲學顯微鏡及軟體,並能根據您的研究需求與材料進行最佳化調整。我們多功能的 SAM 產品系列以直覺式的分析技術為特色——德國製造,且具備無與倫比的性價比。

我們的超音波技術以共通的元件平台為基礎,並透過針對特定應用設計的模組來提供客製化解決方案。這些系統在硬體(可選配擴充)、掃描器類型及其行程,以及換能器方面各有不同。原則上,我們的換能器皆與所有系統相容。

除了 SAM 系統外,我們的專業技術更延伸至專為大型、複雜組件及工業檢測任務設計的先進超音波無損檢測系統。這些系統基於相同的核心超音波平台,同時提供多軸運動、擴展的掃描範圍,以及針對特定應用的自動化功能,可在各種零件幾何形狀上進行高精度評估。

 

關於我們的超音波無損檢測系統

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

系統概覽

SAM Auto-Wafer system from the front with monitor

SAM Auto Wafer

SAM Auto Wafer 系列是一款專用於晶圓自動檢測與製程控制的無損檢測系統。該系統採用四組雙陣列換能器進行樣品分析,能以高吞吐量實現高解析度的聲學檢測,並運用最新的高頻與換能器技術,頻率最高可達 400 MHz,脈衝重複率最高可達 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

電子裝置、印刷電路板、IGBT 模組及其他複雜元件的製造,在很大程度上取決於黏接、焊接及灌封製程。SAM Auto Tray 可對這些元件進行無損檢測,以查出相關缺陷。

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

SAM Auto Panel

SAM Auto Panel 專為半導體製造的製程控制而設計,特別著重於監控面板級封裝(PLP)及基於面板的半導體技術,以及其他複雜元件。

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SAM Lab system shown from the front

SAM Lab

SAM Lab 提供操作簡便的掃描式聲學顯微鏡,適用於製程控制、品質保證及研究應用。每款機型皆建構於業界標準的元件平台上,並採用領先的生產與製造技術。

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