超声波扫描显微镜课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,*,微米纳米研究中心,Micro and Nano Technology Research Center,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,微米纳米研究中心,Micro and Nano Technology Research Center,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,微米纳米研究中心,Micro and Nano Technology Research Center,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,微米纳米研究中心,Micro and Nano Technology Research Center,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,微米纳米研究中心,Micro and Nano Technology Research Center,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,微米纳米研究中心,Micro and Nano Technology Research Center,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,微米纳米研究中心,Micro and Nano Technology Research Center,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS ENGINEERING,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,微米纳米研究中心,Micro and Nano Technology Research Center,STATE KEY LABORATORY FOR MANUFACTURING SYSTEMS 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ENGINEERING,SKLMS,机械制造系统工程国家重点实验室,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。,1.,超声波基础知识,2.,超声波扫描微成像工作原理,3.,超声检测设备的参数和软件介绍,4.,超声波成像应用举例,5.,超声波检测和,X,射线检测,1,、超声波基础知识,Basics of Acoustics,ULF,超声的应用：清洗,焊接,治疗,成像和传感,超声波清洗和焊接：,20KHz40KHz,超声波成像：,5MHz,Basics of Ultrasound(,超声波基础,),Ultrasound is an elastic disturbance that propagates through materials,(mainly solids and liquids)at frequencies above 20 KHz.,(,超声波的频率在,20KHz,以上，人不能听到,),An ultrasonic wave cannot propagate through a vacuum at any frequency,or through air at frequencies above 10 MHz.,(,任何频率超声波都不能穿透真空。当超声波频率大于,10MHz,时，也不能穿透空气,),The pressures generated at the focal spot are in the micro Joule range,and are not harmful to even moderately delicate samples.,The pulse in the acoustic microscope has very low energy in comparison.,(C-SAM,使用的超声波的频率和能量不会对人体和样品有害。,),Basics of Ultrasound(,超声波基础,),Ultrasound at Interfaces(,界面处的超声波,),When an ultrasound pulse impinges on an interface,part of the energy,is reflected and part transmitted.,(,在界面处的超声波，有些会被反射，有些会穿过该界面。,),The relative strength of the transmitted(T)and reflected(R)ultrasound,at an interface is governed by the,acoustic impedance,of the materials,on each side of the interface.,(在界面处超声波反射和穿过的相对强度是由界面两边物质的声阻抗决定的。,),Acoustic Impedance(,Z,),-the product of the density of the material,and the velocity of ultrasound(,Z,=,V,).,(,声阻抗是物质的密度和超声波在该物质中的传播速度的乘积。,),1,Material 2,Transmitted wave,(,穿透波,),Reflected wave,(,反射波,),Reflection Coefficient(R),(,反射系数,R),Transmission Coefficient(T),(,穿透系数,T),Ultrasound at Interfaces(,界面处的超声波,),Z 1,Z 2,Acoustic Impedance of Materials(,声阻抗值,),Acoustic Impedance(Z),-is the product of a materials density times its ultrasonic velocity,Z=,V,In practical terms-,Acoustic Impedance,is a materials characteristic property that determines the amount of reflected and transmitted energy that occurs when an ultrasonic wave encounters a boundary or interface between two materials.,5,MHz,15,MHz,30,MHz,50,MHz,75,MHz,100,MHz,150,MHz,230,MHz,300,MHz,300 micron,95 micron,60 micron,40 micron,28 micron,4 micron,9 micron,15 micron,20 micron,Low Frequency,Greater Penetration,High Frequency,Higher Resolution,Sample Back Surface,Sample Surface,Frequency,Resolution and Penetration(,频率、分辨率和穿透力,),1,Si Metallization,10 MHz,100 MHz,1 GHz,Flip Chips,Wafer Bonding,BGAs,Thick Film Adhesion,Thin Films,Plastic ICs,CSP,Porosity&cracks in Metals,Ceramics,Medical Ultrasound,Hermetic Seal Integrity,Penetration(,穿透能力,)-Resolution(,分辨率,),Frequency,Resolution and Penetration(,频率、分辨率和穿透力,),Higher frequency,higher resolution,lower penetration.,(,更高的频率，则拥有更高的分辨率，更低的穿透能力,),Thicker parts require lower frequencies to maintain penetration depth.,(,更厚的样品需要较低频率的探头来维持较好的穿透厚度,),Higher attenuation materials such as plastics require lower,frequencies.,(,高衰减的材料：如塑料等要求较低频率,),Lower attenuation materials such as Si can be inspected using higher,frequencies.,(,低衰减的材料：如硅材等能使用较高频率来扫描检测,),Frequency,Resolution and Penetration(,频率、分辨率和穿透力,),医用,B,超：,分辨率范围,cm-mm,频率范围,500,KHz-1MHz,声纳：,分辨率范围,m-cm,频率范围,20,KHz-500KHz,超声波显微镜：,分辨率范围,mm-,m-nm,频率范围,5,MHz-2GHz,Classification,(,超声波功能仪器的分类,),Advantage of,Acoustic Micro Imaging,(,超声波微成像的优点,),超声波显微成像,(AMI),利用高频率的超声波,(,一般在,5MHz,以上,),探测物体内的结构、缺陷、以及对材料做定性分析。,其优点如下：,Non Destructive,(,无损检测，非破坏性,),Sensitive inspection technique for bond evaluation对粘结层面非常敏感,),Penetrates most materials,(,能穿透大多数的材料,),Subsurface structures,(,浅表层结构的分析,),Mechanical properties,(,材料力学性能的检测,-,非线性超声测试,),Grain boundary structures,Textures,材料的晶格结构,Cracks,裂纹,Delamination,Adhesion,Artefact,分层缺陷、附着物以及其他夹杂物,Particles,inclusions,Precipitations,杂质颗粒、夹杂物、沉淀物等,Voids,Holes,bubbles,空洞、空隙、气泡等,Detection and Application of AMI,(,超声波微成像的,主要用途,),SAM Principle,2,、超声波扫描微成像工作原理,CASE 1 Z,2,Z,1,(,由软,-,硬是正波,),CASE 2 Z,2,Z,1,(,由硬,-,软是负波,),CASE 3 Z2=Z1,(,材质没有变化,),(Z,2,-Z,1,),(Z,2,+Z,1,),R/I,=,两种物质的声阻抗的差异决定反射波,(,回声,),的正负极性和幅值,Incident,Reflected,Z,1,Z,2,Determining Echo Polarity(,确定回声正负极性,),Large,Positive,Positive,No Signal,Negative,Large,Negative,Symmetric,Or,对称,Amplitude,Asymmetric,Or,非对称,Polarity,Color Mapping(,着色图,),Ultrasound is either,Reflected,or,Absorbed,or,Scattered,or,Blocked,by flaws differently than by the surrounding material.,(,超声波会被材料反射、散射、吸收或是阻挡。,),Acoustic Micro Imaging(,超声波微成像,),Time-Distance Relationship,Ultrasound Two Modes,(,超声波两种工作方式,),1.Pulse Echo or C-Mode Technique,(,反射方式,),Level specific(,针对特定的层面,),2.Through Transmission or T-Scan,Technique (,透射方式,),Entire thickness of the sample,(,整个厚度,),Graphical Presentation of Working P,rinciple,(,基本工作原理图示,),Transmitter,(,发射器,),Pulser,(,脉冲发生器,),Water,(,媒介水,),Lens,(,镜头,),Transducer,(,传感器,),Pulse Echo or,C-Mode technique is a level specific scan.The images have a sharp focus as the data from the C-Mode scan is based on data from a specific level in the device.,Pulse-Echo or C-Mode Technique(,反射方式,),Amplifier,(,信号放大,),Sample,(,样品,),Through Transmission or T-Scan is a non-level specific scan.The ultrasound is passed through the entire thickness of the device.T-Scan is a non-ambiguous technique as ultrasound can not pass through an air gap.,Through Transmission or T-Scan Technique,(,透射方式,),Transmitter,(,发射器,),Amplifier,(,信号放大,),Pulser,(,脉冲发生器,),Transducer,(,传感器,),Transducer,(,接收传感器,),Water,(,媒介水,),Lens,(,镜头,),Sample,(,样品,),Some sound transmitted,No sound transmitted,Some sound reflected,All the sound reflected,Delamination,Technique,Result,Comment,Reflection,(,反射模式,),Ultrasound is reflected more from bad bond than good bond,(,坏的粘合面反射的能量高过好的粘合面,),Interpret Echoes,Isolate Layers,Sharp Pictures,(,特定的层面，图像清晰,),Transmission,(,透射模式,),No ultrasound crosses air gap(,不能穿过空气,),No ambiguity(,不准确,),Composite image throughout,entire part thickness,Image may be a little fuzzy,(,图像不如反射方式清楚,),Pulse-Echo vs.Thru-Scan,(,反射,vs.,透射,),Reflection Mode,(,反射模式,),:,One Transducer both sends and receives the ultrasound,Transmission Mode(,透射模式,),:,Sending Transducer,Receiving Transducer,Pulse-Echo vs.Thru-Scan,(,反射,vs.,透射,),3,、超声检测设备的参数和软件介绍,Systems and Software,主要组成,Stepper motors,步进马达,Linear motion systems&linear encoders,线性驱动系统和编码器,X/Y/Z,工作台和,轴系,快速移动和专利平衡和防震系统,探头装置和连接系统,power supply units,供电系统,electronic boards,电控系统,ADC,数模转换,HF electronics,脉冲发生器,/,接收器装置,A,B,C,Q,M,T,LOBE,STAR,3D,ZIP,等等多种扫描模式,Transducer,探头,Electronics,电子控制系统,Mechanical Parts,机械系统,特定配置,Stages,平台,Software,软件,Window XP control software,VHR software,user licenses,Menu setup,Image setup,15-75 MHz,100-300 MHz,0.8-1 GHz,更高频率,各种不同聚焦长度的探头,水槽,探头固定架,其他保护装置和自动系统,2,个硬盘和电脑配置,客制化设计,软件设置包,软件分析包,图像分析包,软件保护包,软件帮助包,更明亮的扫描观测范围,Thru-Scan,穿透式扫描样品支架,应用特别设计,水槽水温恒加热和保持装置,Shared and Specific Components,超声波显微镜主要组成部分,配置图,Printer/CD/U,盘,打印机,/CD,刻录,/U,盘,Monitor 1设置显示器,parallel port,grafic interface,AD converter,RF-interface,video scan,interface,X/Z Motor controller,X-Y-Z,机械移动控制单元,scanner system,扫描系统,Encoder,编码器,Sample,样品,Transducer,探头,Pulser/Receiver,高频发射接收器,Echo,回波,PC Workstation,计算机工作站,Trigger Unit,信号触发器,Acoustic Microscope Systems,超声波扫描显微镜系统配置,Monitor 2图像显示器,High Frequency Ultrasonic Transducers,不同频率超声波探头,低频：,5 MHz 50 MHz,中频：,75MHz,100MHz,高频：,230 MHz,不同聚焦尺寸和,F#,更高频率的探头,15,30,50,75,100 MHz,使用穿透扫描臂以及,瀑布,杯,(,选件,),Transducer parameters:,换能器选择的主要参数：-,-FL(Focal Length),焦距长度,-Frequency,频率-,-Bandwidth,带宽,Hourglass shaped beam that narrows to the spot size at the waist,Focal plane,Spot Size,Focal Length,Transducer Resolution,(,探头分辨率,),每一款传感器的,Spot Size,是由传感器的频率，焦距和镜头半径决定的。,Beam from a Focused Transducer,聚焦超声波传感器探头,Sonoscan,拥有自己研发制造唯一的多款同一频率不同,FL,的探头,Focal plane,Spot size,Hourglass shaped beam that narrows to the spot size at the waist,Depth of FieldX=Spot size=1.22F,#,Resolution(reflection mode)=,X(0.707),Z=Depth of field=7.1(F,#,),2,Example:50MHz and F#2 in water DX is 0.073 mm,resolution is 0.052mm and DZ is 0.85 mm,Focal Length,Diameter,Velocity(mm/ms),Frequency(MHz),F,#,=,=,Focal Length,Beam from a Focused Transducer,聚焦超声波传感器探头,Sonoscan,拥有自己研发制造唯一的多款同一频率不同,FL,的探头,一、分辨率：,超声波显微镜的分辨率主要受探头的频率影响，理论分辨率可以达到声波在材料内的波长,L,的,1/2,1/3,这里波长,L,，,L,V/f,这里,V,表示声波在材料内纵向传播速度，,f,表示探头的频率，可见探头频率越大，则分辨率越大。,但同时可见，超声波显微镜的实际分辨率还受到声波在材料内部纵向传播速度，探头聚焦长度，焦点直径的影响，因此对于不同性质的材料或不同聚焦长度、直径的探头，仪器实际的分辨率是有差异的。,Special Parameter of,Transducers for,AMI,超声波扫描探头选择的主要参数,二、灵敏度：超声波显微镜探头的灵敏度影响到仪器分辨率所能达到的水平，一般的探头只能达到波长,L,的,1/2,，而比较好的探头则能达到波长,L,的,1/3,。影响灵敏度的因素主要决定于探头焦点的直径，通常来说焦点直径越小，灵敏度越大。但实际的焦点直径非常难精确的测量出来，因为声波聚焦点没有明确的边界，而是以不同灰度形状环绕在一起。目前,Sonoscan,公司自己研发的探头焦点直径能做到微米以下直径。,林状波,Special Parameter of,Transducers for,AMI,超声波扫描探头选择的主要参数,三、穿透深度：,超声波显微镜探头对材料的穿透深度主要受到二个因素影响：,探头聚焦声波波束在被检测材料与中间耦合剂之间的折射率,N,：,N=C,L,Material,/C,L,Water,这里,C,L,Material,表示声波在被检测材料内的纵向速度，,C,L,Water,表示声波在中间介质中的传播速度（通常用水,C,L,Water,=,1.5 mm/s,）；,材料对声波的吸收系数：,吸收系数是由材料内部的晶格大小、材料性质，空隙度等决定，因此比较难以仅用探头来决定穿透的深度，还取决于不同的材料，或同一种材料内部的晶格、空隙等因素。,Special Parameter of,Transducers for,AMI,超声波扫描探头选择的主要参数,General Application for Different Frequency,of,Transducers,不同频率探头的应用领域举例,Low Frequency,(,10-50 MHz,):,A,nodic bonding,welding structures,packages:,低频探头,(10MHz 30MHz):,delaminations,defects;,电极封装、焊接内部结构的分层缺陷、杂质、裂纹等,Mid Frequency(50-75 MHz):,BGAs,die attach,die top:,中频探头,(50MHz 75MHz):delaminations,defects,cracks;,BGA,粘晶芯片内部的分层缺陷、杂质、裂纹等；,High Frequency(100-300 MHz):,Delaminations,voids,defects,cracks in thin plastic,高频探头,(100MHz 230MHz):packages,and,flip chips;,薄型塑封器件、倒装焊芯片内部的分层缺陷、杂质,、裂纹等；,Ultra High Frequency(0.4-2 GHz):,Nano-voids,cells,defects,boundaries,in ceramics,超高频探头,(400MHz 2GHz):,alloys material;,陶瓷，合金材料中的纳米空洞、颗粒、缺陷、界面,;,Typical,Parameter,C-SAM Transducers,典型超声波传感器探头参数,Sonoscan Software for,Acoustic Microscope,Sonoscan,超声波扫描显微镜软件功能,Operation Software,操作软件基于,Windows XP,Easy Opertion,便于操作的人性化设计,Image Analyser,具有图象分析功能,Locate the VHR Visual Acoustics icon on the Microsoft Windows Desktop and double-click on this VHR Visual Acoustics icon,双击电脑桌面的,VHR,软件图标，打开软件。,VHR Software Logon,VHR,软件登录,VHR Visual Acoustics Start-up,VHR,软件启动,VHR Software GUI,VHR,软件界面,Transducers,Selection,探头选择和参数设定,Parameter and Scaning,Set-up,探头移动和扫描参数设定,RF Interface and Scan Mode,Set-up,RF,界面和扫描模式参数设定,RF Image,Set-up,RF,图像和设定,C-SAM,D9500,Series,Fast Scan Speed(,快速扫描,),Production screening,QA,Failure Analysis and process,control (,适用于产品线,QA,失效分析和制程控制,),User-selectable transducers,for superior image and,resolution (,更清晰和更高分,辨率图像的可选择探头,),Waterfall transducer option,for non-immersed scanning,(,针对非,浸入水中的瀑布探头,),Auto Focus and automated,image acquisition (,自动聚焦,和自动扫描图像获取,),Sonoscan Scanning Acoustic Microscope,Sonoscan Scanning Acoustic Microscope,C-SAM,D9500,Series Specifications,Frequency range:1 500 MHz,频率范围,Transducer selection:5 400 MHz,探头频率选择,Scan field:X,Y,方向上,扫描范围 最小0.25,x0.25mm,最大,305 x305mm,Scan speed:1000mm/sec,扫描速度,Scanner resolution:+/-0.5,m,扫描精度,Scan modes:A,B,C,M,Bulk,T,扫描模式,3D,Q-BAM,P,ZIP,Image resolution:4096 x 4096 pixel,2,图象分辨率 （最大）,Gate resolution:0.25ns,最小门限,时间,RF-gain,射频增益,:95dB,以,0.5dB/,步增减,FFT:,快速傅立叶变换,Patent Acoustic Impedance,Polarity Detector:,专利声学的阻抗,极性探测器,VHR image analysis for,Sonoscan,专用图像设置和分析软件,操作系统,Windows XP,中英文,外形尺寸,:180 x 76 x 150cm,C-SAM,D9500,Series,超声波扫描检测仪技术规格表,(1),：,1,、扫描检测模式：,Time Domain Pulse-Echo(,时域,脉冲,反射方式,),A-Scan,：,单点扫描模式；,B-Scan,：,Z,纵向截面模式；,C-Scan,：单一层面扫描模式；,Multi-Scan,：,多个层,/,界面扫描模式；,Bulk-Scan,：,块扫描模式；,LOBE,：,回声损失扫描模式，特别适合芯片裂纹和,MLCC,缺陷扫描；,Q-BAM,：,定量,Z,纵向聚焦截面扫描模式，用于虚拟切面分析；,Profile,：,轮廓扫描模式，包括对角线和任何截面定义；,Tray-Scan,：,Tray,盘扫描模式，可同时扫描,2,个,JEDEC,标准托盘中的元件，进行自动数据收集和分析作,为接受或拒收的标准；,Thru-Scan,：,选件，可以使用探头,5MHz,最大,100MHz,的固定区域和大面积扫描穿透式模式；,STAR,：,选件，通过另外的数据通道，可以同步,C-Scan,和,T-Scan,扫描模式；,DIA,：,选件，声波数字图像分析软件和美国军标,MIL-STD-883,方法,2030,粘接层分析软件；,VRM,：,选件，虚拟分析模式，收集所有的单点扫描数据，用一个扫描存储所有的数据，使用不同的电,子门来重新产生新的图像，对任何位置的图像回声作分析；,C-SAM,Interactive,TM,：,内部自学和培训软件，提供用户内部交互式帮助功能和应用支持，帮助用户学习,和设置新的应用，优化获得分析结果。,超声波扫描检测仪技术规格表,(2),：,2,、软件操作系统：,Windows XP Pro,和,Sonoscan,Visual Acoustics,软件,多语言操作系统，包含英语、日语和传统汉语,3,、电脑主机系统：,(,备注：以下为最低配置，基本工业电脑系统配置不断更新,),CPU Intel Pentium IV 3.4 GHz,2 GB,内存、,频率,480MHz,256M,独立显卡,250 GB,硬盘,DVD,读写光盘带刻录,10/100,网卡和,56K,解调器,17,平板显示器,(2,个,),4,、机械系统：,超高速扫描,1000mm/,秒，,305 x 305mm,大面积扫描,可重复性精度,0.5um,的,X/Y/Z,轴系统,带有精确扫描和快速扫描的数字伺服控制器，有着最快速的图像获取能力,惯性平衡，防震扫描结构工程,(,美国专利号,4781067),高达,67,万,(8K),分辨率的增强扫描和数据获取格式，分辨率高达,4096x4096(,标配,),C-SAM,D9500,Series,超声波扫描检测仪技术规格表,(3)C-SAM,D9500,Series,5,、电子系统：,500 MHz,带宽的脉冲发生和接受器,探头的频率选择范围从,5MHz,到,400 MHz,数字选取位置选择，,1.0,纳秒,数字选取宽度，,0.25,纳秒的步宽进行选择,超声波阻抗极性检测仪,(AIPD),（美国专利号,4866986,）同步显示极性,(,相位,),和幅度的数据,95dB,增益，可以以,0.5dB,每步进行选择,双通道数字,A,模式扫描波形卡用于显示，捕捉和数据归档,6,、标准的功能特征：,利用特殊的光源，可扩展的样品易接近和易找到,利用设置向导帮助使用者作系统设置,(,例如：探头的选择,),网络连接功能和远程求助