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失效分析之电子篇：无损检测-超声波扫描电子显微镜分析
时间：2022-03-03 13:13:00
来源：上海机器人产业技术研究院
作者：小R
周末带小朋友去海洋馆亲近海洋生物，小朋友开启了十万个为什么模式连环发问：海洋中的鱼群是怎么被人类发现的啊？水中也有“WIFI”信号吗？深海探测器在海里会不会迷路？
要解释这些问题，就绕不开“超声波”这个概念。超声波是指频率高于20000Hz的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、杀菌消毒等，在工程学、生物学、诊断学上有很多的应用。比如声呐技术用来进行鱼群探测、海底地质地貌勘测、水下通信及导航；医用B超广泛用于外科、心内科、消化内科、泌尿科和妇产科疾病的诊断；超声波扫描电子显微镜利用高频率超声波可探测物体内的结构、缺陷、以及对材料定性分析。
本期带你一文了解超声波扫描电子显微镜及典型应用。
▍关于超声波扫描电子显微镜
超声波扫描电子显微镜（英文Scanning Acoustic Microscope，简称SAM）。它利用纯水当介质传输超声波信号，当讯号遇到不同材料的界面时会部分反射及穿透，该类发射回波强度会因为材料密度不同而有所差异。利用不同材料对声波的吸收和反射程度不同，来探测半导体、元器件的结构、缺陷，对材料做定性分析。
▍超声波扫描电子显微镜的优势
1、非破坏性的无损检测，具有较高的探伤灵敏度，测试周期短成本低，对人体无害
2、因空气层会阻断超声波传递，因此超声显微分析对粘结层十分敏感
3、可分析各类缺陷（裂纹、分层、夹杂物、附着物、空洞、孔洞等），结果直观
4、能穿透大多数的密集及疏松的材料，可分析的材料范围广
▍超声波扫描电子显微镜的典型应用及案例
超声波扫描电子显微镜在纵向（ Z方向）上的分辨率高达纳米（nm）级水平， 加上可以分层、多层扫描，被广泛用于电子元器件、材料等的质量控制与无损检测。
▍典型应用
1、封装器件、大功率器件IGBT、半导体晶圆片等超声检查
2、裂纹，分层缺陷，空洞，孔隙，气泡等各类缺陷检查
3、焊接层、粘结层、涂镀层、填充层等完整性检查
4、材料内部的杂质颗粒，夹杂物，沉淀物等检查
▍应用案例
以小外形集成电路为例，利用超声扫描电子显微镜可以由表层至内部，针对不同深度不同器件（Surface，die，leadframe等）提供定位分析、空洞、分层、开裂及完整性分析等。
上海市机器人研发与转化功能型平台是上海科创中心建设的“四梁八柱”之一的研发与转化功能型平台，是连接产业界与学术界的桥梁。本平台围绕机器人及相关行业构建了材料分析、失效分析、可靠性分析等服务体系，为国产机器人技术提升可靠性质量贡献自己的力量。平台失效分析中心配置的PVA TePla 品牌超声波扫描显微镜，纵向分辨率可达5nm，可为以上各类需求提供技术服务。
▍超声扫描电子显微镜关键参数
1、扫描范围：最大 320 x 320 mm，最小 0.2 x 0.2 mm
2、机械扫描重复精度：±0.1 µm
3、发射探头配置：30MHz~230MHz不同频率的探头，可根据样品特点灵活配置
4、图像分辨率扫：最大 32000 x 32000 像素， 最小精度 0.5um/pixel
5、DTS 高分辨率动态透射扫描装置：DTS 高分辨率动态透射扫描接收探头，相比传统超声波检测设备，更易获得高分辨率扫描图像
传统超声检测设备
普通扫描图像
DTS高分辨率
动态透射扫描图像
以上举例仅为超声扫描电子显微镜在电子领域的部分应用，其实际功能远不仅于此，欢迎感兴趣的朋友联系交流。
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