超聲波的發(fā)展歷史
超聲波顯微鏡的發(fā)展歷史可以追溯到19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，這一時(shí)期物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)，這為利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波提供了可能，從而揭開了超聲技術(shù)發(fā)展的序幕。
超聲波的發(fā)現(xiàn)源于意大利，18世紀(jì)時(shí)，意大利教士、生物學(xué)家斯帕蘭扎尼揭示了蝙蝠能在黑暗中飛行自如的奧秘，發(fā)現(xiàn)它們是用超聲波確定障礙物的位置。超聲波的運(yùn)用則源于英國，20世紀(jì)50年代，英國格拉斯哥醫(yī)生唐納德發(fā)現(xiàn)，超聲波可以用來探測孕婦腹中胎兒的情況，這一發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了超聲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
超聲波顯微鏡的工作原理
核心部件與信號(hào)轉(zhuǎn)換
超聲波掃描顯微鏡的核心是帶壓電陶瓷的微波鏈，這個(gè)帶壓電陶瓷的部件叫換能器。壓電陶瓷在射頻信號(hào)發(fā)生的激勵(lì)下，產(chǎn)生短的聲脈沖。換能器既能把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)，又能把從待測樣品反射或透射回來的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送回系統(tǒng)進(jìn)行處理。換能器負(fù)責(zé)將電磁脈沖轉(zhuǎn)換成聲脈沖，離開換能器后，聲波被聲透鏡通過耦合介質(zhì)（一般是去離子水或無水酒精等）聚焦在樣品上。耦合介質(zhì)的作用是防止超聲波信號(hào)快速衰減，因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)在一些稀疏介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)快速衰減。
超聲波掃描顯微鏡的基本原理是，通過發(fā)射短波傳遞到樣品內(nèi)部，在經(jīng)過兩種不同材質(zhì)之間界面時(shí)，由于不同材質(zhì)的阻抗不同，吸收和反射程度也不同，所以能夠采集不同的反射能量信息或者相位信息，由此來檢查樣品內(nèi)部出現(xiàn)的分層、裂縫或者空洞等缺陷，做到不破壞產(chǎn)品檢查產(chǎn)品內(nèi)部缺陷。
反射模式原理
反射模式是主要的工作模式。樣品置于耦合介質(zhì)中，只要聲波信號(hào)在樣品表面或者內(nèi)部遇到聲波阻抗介面（如遇到孔隙、氣泡、裂紋等），就會(huì)發(fā)生反射。換能器接收到反射信號(hào)后，會(huì)將其轉(zhuǎn)換成電脈沖，超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖后表征為256級(jí)灰度值。通過對(duì)這些反射信號(hào)的分析，就能檢測出樣品內(nèi)部的缺陷情況。
透射模式原理
透射模式只在半導(dǎo)體企業(yè)中用作器件篩選。透射掃描時(shí)，樣品下方要安裝另外一只換能器，這只換能器會(huì)接收所有完全穿透樣品的超聲波信號(hào)。根據(jù)接收的信號(hào)就能還原出各種超聲波C掃圖像。
檢測方式優(yōu)勢
無損檢測：超聲波顯微鏡具有不用拆除組件外部封裝的非破壞性檢測能力，可以在不需破壞封裝的情況下探測到分層、空洞和裂縫等缺陷。這對(duì)于半導(dǎo)體器件的后封裝檢測至關(guān)重要，因?yàn)樵诓黄茐姆庋b的前提下，能有效避免對(duì)器件造成額外損傷，確保器件后續(xù)仍可正常使用。比如在集成電路（芯片）、大功率器件如 IGBT 的檢測中，可直接對(duì)封裝后的器件進(jìn)行檢測，不會(huì)影響其原有性能。
非接觸式檢測：與傳統(tǒng)的接觸式檢測手段相比，采用非接觸式檢測方式，避免了因接觸可能導(dǎo)致的材料損傷或污染。這對(duì)于一些易碎、易污染或需要保持原始狀態(tài)的材料來說尤為重要。
精確定位與定量分析：不同類型的超聲顯微鏡能對(duì)特定缺陷進(jìn)行精確定位和定量分析。例如分層超聲顯微鏡能檢測出分層的位置、面積和深度；氣泡超聲顯微鏡能檢測出氣泡的位置、大小和分布情況；裂縫超聲顯微鏡能檢測出裂縫的深度、寬度、長度以及走向和形態(tài)；孔洞超聲顯微鏡能檢測出孔洞的位置、大小，還能分析孔洞的形狀和分布規(guī)律。
高分辨率成像：壓電陶瓷晶體產(chǎn)生的超聲波打到待測物品上，將聲波在不同界面上反射或穿透信號(hào)接收后成像，再以成像和信號(hào)加以分析。能夠提供微米級(jí)甚至納米級(jí)的分辨率，能夠清晰地揭示半導(dǎo)體材料內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)和缺陷，這對(duì)于檢測微小缺陷和細(xì)微結(jié)構(gòu)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可精準(zhǔn)定位缺陷，滿足半導(dǎo)體制造對(duì)高精度檢測的需求。
三維圖像顯示：可以顯示材料內(nèi)部的三維圖像，可分層掃描、多層掃描，能提供 IC 封裝因水氣或熱能所造成破壞分析，例如裂縫、空洞和脫層等。通過不同的掃描方式可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部橫截面、縱切面、聲透射二維圖像，不同焦距多層析圖、3D 圖等，保證了半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測的完整性，讓檢測人員更直觀地了解器件內(nèi)部的情況。
不受材料透明度限制：能夠檢測金屬、陶瓷、塑料等多種材料，不受材料透明度的限制，應(yīng)用范圍廣泛。
多領(lǐng)域應(yīng)用：在電子、航空航天、汽車制造、電子封裝、機(jī)械、化工、電力、醫(yī)學(xué)、考古、地質(zhì)勘探、石油開采等多個(gè)領(lǐng)域都具有普遍應(yīng)用前景。
互補(bǔ)檢測優(yōu)勢：超聲波掃描顯微鏡可與 X - ray 成像技術(shù)形成很好的互補(bǔ)。X - ray 射線檢測是基于器件內(nèi)部的密度差異進(jìn)行成像的，對(duì)于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜密度差異不明顯的半導(dǎo)體檢測工件會(huì)出現(xiàn)重影和檢測不出來的情況。而超聲波掃描顯微鏡檢測則可以根據(jù)超聲檢測技術(shù)進(jìn)行分層檢測，聲波穿透器件后，即可抓取成像，解決了 X - ray 設(shè)備無法分層檢測以及檢測不精準(zhǔn)的問題。
