Сканирующий акустический микроскоп ( САМ ) — это устройство, которое использует сфокусированный звук для исследования, измерения или получения изображения объекта (процесс, называемый сканирующей акустической томографией). Он обычно используется при анализе отказов и неразрушающей оценке . Он также применяется в биологических и медицинских исследованиях. Полупроводниковая промышленность нашла САМ полезным для обнаружения пустот, трещин и расслоений в микроэлектронных корпусах.
Первый сканирующий акустический микроскоп (САМ) с ультразвуковой линзой 50 МГц был разработан в 1974 году RA Lemons и CF Quate в Микроволновой лаборатории Стэнфордского университета . [1] Несколько лет спустя, в 1980 году, первый высокоразрешающий (с частотой до 500 МГц) сквозной САМ был построен R.Gr. Maev и его учениками в его Лаборатории биофизической интроскопии Российской академии наук . [2] Первый коммерческий САМ ELSAM с широким диапазоном частот от 100 МГц до 1,8 ГГц был построен в Ernst Leitz GmbH группой под руководством Martin Hoppe и его консультантами Abdullah Atalar ( Стэнфордский университет ), Roman Maev ( Российская академия наук ) и Andrew Briggs ( Оксфордский университет .) [3] [4]
С тех пор было сделано много усовершенствований таких систем для повышения разрешения и точности. Большинство из них были подробно описаны в монографии Advanced in Acoustic Microscopy, Ed. by Andrew Briggs , 1992, Oxford University Press и в монографии Roman Maev , Acoustic Microscopy Fundamentals and Applications, Monograph, Wiley & Son - VCH, 291 pages, August 2008, а также недавно в. [5]
Существует множество методов анализа отказов повреждений в микроэлектронных корпусах, включая лазерную декапсуляцию, декапсуляцию мокрым травлением, оптическую микроскопию , микроскопию SEM и рентгеновские лучи . Проблема большинства этих методов заключается в том, что они являются деструктивными. Это означает, что возможно, что само повреждение будет нанесено во время подготовки. Кроме того, большинство этих деструктивных методов требуют трудоемкой и сложной подготовки образцов. Поэтому в большинстве случаев важно изучать повреждения с помощью неразрушающего метода. И в отличие от других неразрушающих методов, таких как рентгеновские лучи, CSAM очень чувствителен к упругим свойствам материалов, через которые он проходит. Например, CSAM очень чувствителен к наличию расслоений и воздушных зазоров при субмикронной толщине, поэтому он особенно полезен для проверки небольших сложных устройств. [6]
Метод использует большую глубину проникновения акустических волн для получения изображения внутренней структуры образца. Таким образом, в сканирующей акустической микроскопии обрабатываются как отраженные, так и прошедшие акустические волны для анализа внутренних особенностей. Когда акустическая волна распространяется через образец, она может рассеиваться, поглощаться или отражаться на границах раздела сред. Таким образом, метод регистрирует эхо, генерируемое контрастом акустического импеданса (Z) между двумя материалами. Сканирующая акустическая микроскопия работает, направляя сфокусированный звук от преобразователя в небольшую точку на целевом объекте. Звук, попадающий на объект, либо рассеивается, поглощается, отражается (рассеивается на 180°), либо передается (рассеивается на 0°). Можно обнаружить рассеянные импульсы, распространяющиеся в определенном направлении. Обнаруженный импульс информирует о наличии границы или объекта. «Время пролета» импульса определяется как время, необходимое для того, чтобы он был испущен акустическим источником, рассеян объектом и принят детектором, который обычно совпадает с источником. Время пролета можно использовать для определения расстояния от неоднородности до источника, зная скорость распространения через среду.
На основе измерения исследуемому местоположению присваивается значение. Преобразователь (или объект) слегка перемещается, а затем снова озвучивается. Этот процесс повторяется в систематическом порядке до тех пор, пока не будет исследована вся интересующая область. Часто значения для каждой точки собираются в изображение объекта. Контраст, видимый на изображении, основан либо на геометрии объекта, либо на составе материала. Разрешение изображения ограничивается либо физическим разрешением сканирования, либо шириной звукового луча (которая, в свою очередь, определяется частотой звука).
Различные типы режимов анализа доступны в SAM высокой четкости. Основные три режима — это A-сканы, B-сканы и C-сканы. Каждый из них предоставляет различную информацию о целостности структуры образца. [6]
А-скан — это амплитуда эхо-сигнала по ToF. Преобразователь устанавливается на оси z SAM. Он может быть сфокусирован на определенном целевом слое, расположенном в труднодоступной области, путем изменения положения z относительно механически закрепленного образца при испытании. [6]
B-сканирование обеспечивает вертикальное поперечное сечение образца с визуализацией глубинной информации. Это очень хорошая функция, когда дело доходит до обнаружения повреждений в поперечном сечении. [6]
C-сканирование — это широко используемый режим сканирования, который дает двумерные изображения (срезы) целевого слоя на определенной глубине в образцах; несколько равноудаленных слоев можно получить с помощью режима X-сканирования. [6]
2D или 3D-мерные изображения внутренней структуры становятся доступными с помощью метода импульсного отражения, в котором несоответствие импеданса между двумя материалами приводит к отражению ультразвукового луча. Фазовая инверсия отраженного сигнала может позволить различать расслоение (акустическое сопротивление почти равно нулю) от включений и частиц, но не от пузырьков воздуха, которые показывают такое же поведение импеданса, как и расслоение. [6]
Чем выше несоответствие импеданса на границе раздела, тем выше интенсивность отраженного сигнала (больше яркости на 2D-изображении), которая измеряется амплитудой эха. В случае границы раздела с воздухом (Z = 0) происходит полное отражение ультразвуковой волны; поэтому SAM очень чувствителен к любому захваченному воздуху в исследуемом образце. [6]
Для улучшения проникновения акустической волны в образец и акустический преобразователь, и образец погружаются в контактную среду, обычно в воду, чтобы избежать сильного отражения на границах с воздухом.
В импульсно-волновом режиме линза с хорошими фокусирующими свойствами на оси используется для фокусировки ультразвуковых волн на пятно на образце и для получения отраженных волн обратно от пятна, как правило, менее чем за 100 нс. Акустический луч может быть сфокусирован на достаточно малом пятне на глубине до 2–3 мм для разрешения типичных межслойных трещин и других критических геометрий трещин. Полученные эхо-сигналы анализируются и сохраняются для каждой точки для построения изображения всей сканируемой области. Отраженный сигнал отслеживается и отправляется на синхронный дисплей для разработки полного изображения, как в сканирующем электронном микроскопе.
- Быстрый контроль производства - Стандарты: IPC A610, Mil-Std883, J-Std-035, Esa и т. д. - Сортировка деталей - Проверка паяных площадок, переворота кристалла, заливки подложки, присоединения кристалла - Герметизация соединений - Паяные и сварные соединения - Квалификация и быстрый выбор клеев, адгезивов, сравнительный анализ старения и т. д. - Включения, неоднородности, пористости, трещины в материале
SAM может предоставить данные об эластичности клеток и тканей, которые могут дать полезную информацию о физических силах, удерживающих структуры в определенной форме, и механике структур, таких как цитоскелет . [7] [8] Эти исследования особенно ценны при изучении таких процессов, как подвижность клеток . [9] [10]
Также была проведена некоторая работа по оценке глубины проникновения частиц, введенных в кожу с помощью безыгольной инъекции [11].
Еще одно перспективное направление было инициировано различными группами по разработке и созданию портативных ручных САМ для подповерхностной диагностики мягких и твердых тканей [12] [5] и в настоящее время это направление находится в процессе коммерциализации в клинической и косметологической практике.