Page 15 - 《应用声学》2021年第5期

第 40 卷 第 5 期 王坤等： 超声显微检测技术在电子封装中的应用与发展 659

1.2 超声显微检测原理 依然能够保持相干性，所以超声波的分辨率取决于
超声显微检测技术利用超声波对材料内部 波长 [15] 。SAM 的分辨率分为横向分辨率和纵向分
和表面进行检测，使用的超声波频率一般大于 辨率，横向分辨率指在垂直于超声波传播方向上，
20 MHz，超声波在传播的过程中，遇到不同声阻抗 可以区分开两个目标点之间的最小距离，由于SAM
的物质时，就会发生反射，反射波的幅值和相位会因 所用声透镜的球面像差对成像的影响很小，一般可
材料形状和密度的不同而有所差异，因此使用超声 以忽略，因此其横向分辨率主要由衍射极限决定，在
波信号来获取材料缺陷和材料特性等信息 [3] 。超声 理论上常用Sparrow准则来估算，即
显微检测系统结构如图 2 所示，由声透镜聚焦超声 1 #
d Sparrow ≈ √ 1.02λF , (1)
换能器、脉冲发生器、接收放大电路、高精度扫查平 2
台等单元组成。由计算机操控控制卡，然后对各个 式(1) 中，F # ∼
= z 0 /d，z 0 为焦距，d 为换能器直径，λ
单元进行控制，由脉冲发生器产生高压窄脉冲激励 为换能器中心频率对应的波长 [16−17] 。因此，SAM
信号，激励匹配后的声透镜聚焦换能器产生超声波， 的横向分辨率由超声波波长、换能器晶片直径和焦
超声波通过耦合液入射到试样，由试样反射的超声 距决定，理论上可以通过提高超声波频率和使用大
波将携带试样的信息反射回声透镜聚焦换能器 [14] ， 孔径、短焦距的换能器来提升SAM的横向分辨率。
反射波经过放大、滤波、A/D 采集等处理，最终被传 SAM 的纵向分辨率指在超声波传播方向上可
输至计算机，完成之后的信号和成像处理，配合不同 以区分开两个目标点之间的最小距离，主要取决于
的扫查方式和成像方法，SAM 可以精准、快速地检 超声波频率，由脉冲持续时间决定，纵向分辨率理
测出缺陷的位置、形状和尺寸。 论值为

ᝠካ఻ ct 0
d axial = , (2)
͜ᣥ 2
଍҄ӵ 式 (2) 中，c 为介质中声速，t 0 为脉冲持续时间，设计
ᬦሏ ᬍࣨ 较好的换能器脉冲持续时间可以在两个周期以内。
༏ҵ ڀฉ
在传统的时域或频域成像中，纵向分辨率受到 A 扫
ᑢфԧၷ٨ ӜᦡᎪፏ ҒᎶஊܸ
查超声回波信号在时域或频域重叠的限制，已有研
໚ฉ 究 [18−20] 通过时频分析方法来分析重叠的回波，提
ܦᤩ᪫ 高了SAM的纵向分辨率。
ᐑཥ૱ᑟ٨ ஊܸ
不同频率的超声波在不同介质中的分辨率和
តನ
᯶үႃ఻ ᰴድएੳಊࣱԼ A/Dᰴᤴ᧔ᬷӵ 穿透深度如表 1 [21] 所示，由于超声波在介质中的衰
减与频率有关，超声波频率越高、衰减越大、穿透深
图 2 超声显微检测系统
度越小，因此应根据实际检测需求，选择合适的超
Fig. 2 Scanning acoustic microscopy testing system
声波频率。对于常见的电子封装，在厚度方向上，其
1.3 超声显微检测分辨率 各层之间的厚度约为几十至几百微米；在水平方向

波在介质中的传播有3 种描述机制：相干性、扩 上，其内部结构的尺寸(如焊接凸点)为百微米左右，
散性和近场性，只有在相干性机制下，波长才决定分 因此，对于电子封装的检测，常用的超声波频率为
辨率。超声波的传播距离比波长大几个数量级时， 20 ∼ 200 MHz。

表 1 超声波在不同介质中的分辨率和穿透深度 [21]
Table 1 The resolution and penetration depth of ultrasonic in different media [21]

横向分辨率/µm 纵向分辨率/µm 穿透深度/mm
频率/MHz
聚合物 金属 水 聚合物 金属 聚合物 金属
15 150 300 75 150 300 0.8 ∼ 4.0 8 ∼ 75
50 45 90 22 45 90 0.1 ∼ 1.0 4 ∼ 20
100 35 70 10 22 45 0.1 ∼ 0.5 3 ∼ 10
230 25 45 <5 <10 <20 0.2 2