一種基于超聲波的快速掃描方法

連軍莉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

一種基于超聲波的快速掃描方法

連軍莉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

介紹了一種基于超聲波的快速掃描方法。該方法訓(xùn)練并記憶首次掃描的多個(gè)參數(shù)，在下次掃描同批次元器件時(shí)，學(xué)習(xí)記憶過的參數(shù)，微調(diào)后可直接進(jìn)行掃描。使用這種方法后不需重復(fù)繁雜的參數(shù)設(shè)置過程，實(shí)現(xiàn)了元器件的快速掃描。

超聲波；快速掃描；訓(xùn)練；學(xué)習(xí)；掃描參數(shù)

基于超聲波的檢測技術(shù)作為無損檢測技術(shù)的重要手段之一，它提供了評價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。由于超聲信號的高頻特性，超聲能量的傳遞要求介質(zhì)是連續(xù)的，所以如氣孔、雜質(zhì)、分層、裂紋等不連續(xù)界面都會干擾超聲信號傳播或致使超聲信號發(fā)生反射，據(jù)此成像來判斷此器件是否有瑕疵，對材料做定性分析，廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。

1 背景

超聲檢測系統(tǒng)在每次掃描前，有經(jīng)驗(yàn)的無損檢測人員根據(jù)被測器件的實(shí)際情況，對A掃描波形進(jìn)行人工分析，找到感興趣的斷面層，據(jù)此設(shè)置諸多掃描參數(shù)，包括掃描分辨率、聚焦位置、焦距等相關(guān)參數(shù)。

在上述多個(gè)掃描參數(shù)中，聚焦位置和焦距兩個(gè)參數(shù)非常關(guān)鍵，它直接決定了掃描圖像的質(zhì)量。如果聚焦位置不合適，掃描結(jié)果就不是所需斷面層的圖像；如果焦距調(diào)整不合適，掃描結(jié)果不清晰，嚴(yán)重影響對器件瑕疵的判斷。這些參數(shù)的設(shè)置通常需要有經(jīng)驗(yàn)的操作員來進(jìn)行，而且要對器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的了解，需要花費(fèi)較長的時(shí)間，對于新手來說，更加困難。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，往往需要不定時(shí)地掃描同一個(gè)或同一批器件，如果每次掃描，都要重復(fù)設(shè)置各參數(shù)，掃描過程會顯得重復(fù)、繁瑣，特別是聚焦斷面位置和焦距的調(diào)整，如此嚴(yán)重影響檢測效率。

2 超聲檢測的基本原理

超聲檢測系統(tǒng)硬件有高速采集卡、超聲波接收發(fā)射器、高分辨率水浸掃描裝置、掃描控制、聚焦探頭、計(jì)算機(jī)等部件組成。如圖1所示。

圖1 超聲掃描成像系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

超聲掃描的方式有A、B、C三種，A掃描是單點(diǎn)掃描模式，是創(chuàng)建和解釋圖像的基礎(chǔ)，但是只能對于一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析不能對于一個(gè)平面分析，可以用來確認(rèn)檢測結(jié)果；B掃描是縱向截面模式，可以檢測并顯示垂直x方向的二維截面圖，用于檢測裂縫，傾斜和空洞等缺陷，分析水平缺陷；C掃描是單一橫向?qū)用鎾呙枘Ｊ?，檢測水平x方向的二維截面圖，在對某一層聚焦后掃描得到平行于x方向的圖片，用于檢測離層，芯片裂縫等缺陷，應(yīng)用廣泛。

本文以C掃描為例進(jìn)行介紹，與B掃描的快速掃描相似。超聲C掃描成像可獲取不同截面的信息，但由于掃描時(shí)一般采用逐點(diǎn)逐行掃描，故成像效率較低。具體過程如圖2所示，在水浸法脈沖反射式C掃描成像中，超聲換能器（即探頭）不但要沿x方向掃描，而且還要沿z方向掃描，即面掃描（二維掃描），而不是線掃描（一維掃描）。為獲得某一與聲束軸線垂直的斷面在z=z0的圖像，掃描聲束應(yīng)聚焦于該平面，并從換能器接收到的散射信號中選取對應(yīng)于z=z0處的信號幅度，調(diào)制圖像中與物體坐標(biāo)（x，y）相應(yīng)像素的亮度，以獲得z=z0截面的圖像。改變掃描聲束聚焦的平面，即可獲得物體不同深度的C掃描截面圖像。

圖2 超聲C掃描成像原理示意圖

3 快速掃描

為了克服現(xiàn)有掃描費(fèi)時(shí)費(fèi)力的不足，本文提供了一種簡單快捷的快速掃描方法。通過訓(xùn)練并記憶上次的掃描參數(shù)，在下次掃描同一器件或者同一批器件時(shí)，可直接學(xué)習(xí)參數(shù)文件，并將這些參數(shù)傳遞到掃描線程中，特別是聚焦位置和焦距，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行手動微調(diào)后，可進(jìn)行快速掃描。

在參數(shù)文件中，不僅包含了硬件參數(shù)和掃描參數(shù)，而且包含了掃描結(jié)果圖像。這樣，操作人員打開文件后，可以直接確認(rèn)該文件是否包含了被測器件的參數(shù)。具體步驟如下：

步驟1：首次掃描。設(shè)置各個(gè)掃描參數(shù)，開始首次掃描；

步驟2：訓(xùn)練并記憶掃描參數(shù)。首次掃描結(jié)束之后，按照順序記憶掃描參數(shù)，并將這些掃描參數(shù)、掃描圖像和波形記錄到一個(gè)自定義格式的參數(shù)文件中。掃描參數(shù)包括超聲波接收發(fā)射器、高速采集卡的硬件參數(shù)，以及掃描分辨率，聚焦位置，焦距等掃描參數(shù)；

步驟3：上載文件，讀取參數(shù)。在下次掃描該器件或者同批次的器件時(shí)，打開相應(yīng)的參數(shù)文件，讀取各參數(shù)，包括掃描圖像、波形，以及各種掃描參數(shù)。

步驟4：學(xué)習(xí)掃描參數(shù)。當(dāng)操作人員確認(rèn)是該器件的掃描參數(shù)后，將這些掃描參數(shù)傳遞到當(dāng)前掃描線程中。根據(jù)硬件參數(shù)調(diào)整超聲波接收發(fā)射器、高速采集卡的硬件設(shè)置；根據(jù)聚焦位置創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)門限，將其繪制在A波形的相應(yīng)位置；根據(jù)焦距參數(shù)來控制運(yùn)動系統(tǒng)將探頭調(diào)整到相應(yīng)的位置。

步驟5：開始掃描。學(xué)習(xí)并設(shè)置完各參數(shù)后，操作員可以根據(jù)實(shí)際情況，對掃描參數(shù)稍加調(diào)整，即可進(jìn)行掃描。

圖3 流程圖

流程圖如圖3所示。

4 結(jié) 論

通過訓(xùn)練并記憶當(dāng)前掃描的各種掃描參數(shù)，在下次掃描同一個(gè)器件或者同一批器件時(shí)，自動學(xué)習(xí)并設(shè)置完各參數(shù)后，可進(jìn)行快速掃描。這種方式針對曾經(jīng)掃描過的元器件，高效、方便、快捷，省時(shí)省力。

[1]楊綢綢.半導(dǎo)體器件失效分析的重要性及關(guān)鍵問題研究[J].科技創(chuàng)新 2009，(10)：4.

[2]科視達(dá)公司.芯片無損失效分析手段之一(超聲波掃描顯微鏡)[Z].

[3]故關(guān)華.用掃描聲學(xué)顯微鏡進(jìn)行塑封器件的封裝分層分析[J].可靠性物理與失效分析技術(shù)，2004，(2)：14-16.

連軍莉（1980-），高級工程師，現(xiàn)主要從事機(jī)器視覺技術(shù)和圖像處理算法研究。

A Method of Quick Scan Based on Ultrasonic

LIAN Junli

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

A method of quick scan based on ultrasonic is proposed in this paper.The method trains and memorizes scan parameters of last scan.During the next scan to parts of the same batch，we can learn the memorized parameters and scan parts after adjusted.By using the method，we can scan the parts without setting parameters，and realize to quick scan.

Ultrasonic；Quick scan；Training；Learning；Scan parameter

TN606

A

1004-4507(2017)06-0022-03

2017-08-07