超聲波掃描顯微鏡發展及應用綜述

高 媛，楊 敬，李 立，胡志臣

(1.裝備發展部某中心，北京 100032；2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

材料內部缺陷有大有小，目前工業探傷所能發現的缺陷尺寸在500 μm左右，要想觀察到更為細小的缺陷，只能通過破壞的方法做金相或者電子掃描顯微鏡，且僅僅能觀察到特定的表面缺陷情況，無法識別出樣品中整個體積內的缺陷[1-2]。同時常規超聲由于分辨率的原因還存在對較薄材料難于檢測的缺點。

超聲掃描顯微鏡(SAM，scanning acoustic microscope)，又稱SAT，它是一種利用超聲波為傳播媒介的無損檢測成像設備。超聲波掃描顯微鏡的工作模式主要為C-Scan模式，所以稱為C-SAM。

超聲波掃描顯微鏡利用高頻超聲換能器將脈沖超聲送入工件樣品，當超聲波通過被測工件時，會在不同材料間對結合面產生反射以及透射，如液體與固體的結合面、固體與氣體結合面、金屬與塑料之間的結合面及固體材料內部缺陷(如分層、孔洞、裂紋、夾雜等)會造成較大的振幅回波。超聲波換能器接收反射波轉換成電信號傳給計算機，計算機系統準確辨識和提取反射回波信號。經過圖像化處理，可對工件內部精準掃描成像[3]。

超聲波掃描顯微鏡的硬件包括三軸運動控制平臺、超聲激勵接收儀、數字化儀、超聲波換能器(探頭)及工控機等組成。超聲波掃描顯微鏡按信號接收模式可分為反射模式和透射模式。反射式又稱為脈沖回波法，即利用反射波成像，可以具體的聚焦到某一層，從而可以判斷缺陷深度。脈沖回波主要包括A掃描(A-Scan)、B掃描(B-Scan)、C掃描(C-Scan)。

三種掃描方式如圖1所示[3]。A掃描波形代表了樣品上某一點深度方向上的全部回波信號，即從樣品頂部道底部的點到點波形圖；通過換能器在樣品某一方向移動，且在移動過程中逐點做A掃描，所最終得到的圖像即為B掃描。C掃描相當于對樣品某一深度的截面進行掃描，通過該界面上的反射聲波形成二維圖像。從空間的掃描軌跡上看，可分別稱為點掃描、線掃描和面掃描。多個A掃描可形成B掃描，多個B掃描可形成C掃描。層析掃描可生成任意深度的C掃描。

圖1 三種掃描方式示意圖

與射線檢測相比，超聲波掃描技術具有靈敏度高、適用范圍廣、檢測成本低，檢測速度快、對人體和環境無害等優點，但同時具備一定的局限性，如對缺陷的取向有要求，不易檢測與聲束方向平行的缺陷，對不規則的或復雜形狀的試件檢測有一定的困難。

超聲波掃描顯微鏡被廣泛應用在物料檢測(IQC)、失效分析(FA)、質量控制(QC)、質量保證及可靠性分析(QA/REL)以及研發(R&D)等領域。可檢測電子元器件、LED、金屬基板的分層、裂紋等缺陷(裂紋、分層、空洞等)。通過圖像對比度判別材料內部聲阻抗差異、確定缺陷形狀和尺寸、確定缺陷方位。檢測精度可達微米級別。

1 超聲波掃描顯微鏡國內外發展現狀

1.1 國外發展現狀

第一臺聲學顯微鏡于1973年研制出來，隨著技術的進步，超聲波掃描顯微鏡的頻率由10 μm提升至15 nm，頻率也提升至近3 GHz。目前，超聲波掃描顯微鏡已有成熟的商業產品，但該技術被國外廠家壟斷。國外生產超聲波掃描顯微鏡的主要由德國、美國和日本的廠家壟斷[4]。

德國公司生產的超聲波掃描顯微鏡被廣泛地應用于材料科學，半導體行業，生物學，太陽能以及晶圓鍵合缺陷檢測等領域，給傳統的精細結構觀察帶來了全新的方法。如單探頭超聲波掃描顯微鏡SAM 401。該掃描顯微鏡的信號采樣率最大可選5 GHz，超高速、線性驅動掃描平臺的最大掃描速度達1 500 mm/s，X、Y軸的重復精度為±0.1 μm。同時，用戶還可以根據工作需求選用多探頭掃描的超聲波掃描顯微鏡，可以使用多個超聲探頭同時對不同樣品進行掃描，以提高無損檢測效率。如SAM 404四探頭超聲波掃描顯微鏡[5]。

美國某公司生產的超聲波掃描顯微鏡應用于微電子學、材料檢測、電力能源、微機電系統與半導體測試等行業。如超聲波掃描顯微鏡Gen 7。Gen 7提供了先進的硬件系統，具有極高的像素分辨率(1G像素)。X、Y、Z軸的精度達到0.5 μm。系統的超聲激勵接收帶寬為500 MHz，最高可以支持頻率為400 MHz的超聲波探頭使用，有效掃描面積最大可以掃描350 mm×350 mm的試件[5]。

美國某公司生產的超聲波掃描顯微鏡設備被廣泛應用于各種材料的無損檢測，包括半導體，汽車零件和其他先進元件。如ECHO VSTM的超聲波掃描顯微鏡。此設備的掃描分辨率小于1 μm，在高分辨率下，掃描速度是傳統超聲波掃描顯微鏡的2.5倍；專門為更高精度要求，更復雜元器件設計的新一代設備。廣泛應用內在Flip chips、Stacked die、Bumped die，Bonded wafers等。該公司研制了全自動超聲掃描設備ECHO ProTM，主要用于集成電路微電子封裝中細微缺陷識別的先進超聲掃描顯微鏡。該系統支持15～300 MHz的超聲波探頭使用，最小能夠檢測薄至10 μm的空氣缺陷[6]。

1.2 國內發展現狀

國內也開展了超聲顯微鏡的研究，取得了一定的研究成果。如從20世紀80年代起就有研究機構開展了超聲波掃描顯微鏡的研究工作，先后研制出了THSAM1-7、THSAM-M等一系列的超聲波掃描顯微鏡[6]。

文獻[7]和文獻[8]設計了一款基于PCI總線的超聲掃描顯微鏡，采樣速度達到250 MHz。該系統使用CPLD芯片對回波信號進行處理，并結合計算機計算對測試數據進行存儲、處理和顯示，使該系統可檢測0.2 mm的缺陷[7-8]。文獻[9]開發了一臺適用于微小缺陷檢測的高頻超聲掃描顯微系統，該系統的掃描范圍為280 mm×240 mm，采樣頻率為5 GHz，能夠滿足500 MHz的高頻超聲換能器的成像需求[9]。文獻[10]搭建了一套高效率掃描超聲顯微成像檢測系統，并提出了“回”型掃描等掃描方法，將掃描效率提高了約29%。同時提出以相位譜法增強缺陷或邊緣點，提高檢測效率和精度[10]。

國內也有一些生產超聲波掃描顯微鏡鏡產品等。產品主要集中在50 MHz以下的檢測能力，個別產品可以達到230 MHz，但超聲激勵接收設備和探頭主要為國外進口產品。超聲波掃描顯微鏡的掃描速率最大為1 000 mm/s，定位精度最小達1 μm。

與國外相比，國內對超聲波掃描顯微鏡的研究起步較晚且研究成果較少，許多企業和研究所在科研和生產中所使用的高頻超聲波掃描顯微鏡主要依賴于進口產品。組成的關鍵部件如超聲激勵接收儀和超聲波探頭，國內目前沒有可以達到國外產品水平的可替代產品。

基于上述情況，國內有單位研制了國產的四探頭超聲波掃描顯微鏡AMC AM-401。該產品可進行單談頭、雙探頭及四探頭的掃描方式，機械運動平臺的重復精度可達±1 μm，超聲激勵接收儀采樣分頻設計的思想，激勵和接收帶寬覆蓋了500 MHz。數據采集卡采用PCIe接口，每通道的采樣頻率最大為2 GHz。

2 超聲波掃描顯微鏡關鍵技術

超聲波掃描顯微鏡有三軸運動控制平臺、超聲激勵接收儀、數字化儀、超聲換能器和工控機等組成。超聲波掃描顯微鏡商業成熟產品主要被國外公司壟斷，亟需突破關鍵技術，實現國產化替代。關鍵技術主要集中于超聲激勵接收儀、超聲波換能器和超聲波掃描成像方法的研究。

2.1 納秒級窄脈沖產生技術

針對高頻寬帶的激勵需求，激勵方法通常為編碼激勵[11-12]或脈沖激勵[13-14]。編碼激勵不需要高激勵電壓，可以在保證分辨率的情況下提高信噪比，可用于甚高頻和特高頻帶寬范圍內的激勵，但編碼激勵信號產生和接收相對復雜且持續時間長。脈沖激勵包括尖峰激勵、方波激勵等。為了提高信噪比，在傳感器的安全工作范圍內，脈沖激勵電壓應盡可能高，可達到電壓至數百伏。脈沖激勵簡單、經濟、高頻、寬帶、應用范圍廣[15]的優勢常應用于頻率較高的工作范圍內使用。

文獻[16]通過編碼任意波形發生器再加功率放大器激勵出了200 MHz超聲信號，在接收后通過互相關后減少了電反射造成的干擾，但是相對而言降低了信噪比[16]。文獻[17]利用邏輯門的競爭冒險現象使得數字邏輯器件產生窄脈沖，以此產生了脈沖寬度可調的納秒級窄脈沖信號[17]。文獻[18]實現了基于場效應管的低成本單極性脈沖發生器。利用分立元件構成了場效應管驅動器，并基于高速大功率金屬氧化物半導體場效應管(Fast-Power-MOSFET)和-350 V的恒定直流源構成了負脈沖信號發生裝置，可以產生脈沖寬度為10～500 ns、帶寬 1～60 MHz的脈沖信號[18]。文獻[19]基于GaN半導體器件設計了單極性脈沖激勵裝置，將脈沖信號的上升速率提高到100 V/ns，該設計可以用來激勵中心頻率為50 MHz的換能器，并實現了自激自收和一激一收兩種工作方式[19]。文獻[20]通過控制場效應管的通斷控制電容的充放電狀態實現了脈沖寬度為350 ns，峰值400 V的負脈沖信號，并通過對放電電容、輸出電阻與超聲換能器之間進行匹配，實現脈沖振幅的最佳值[20]。文獻[21]等人采用雪崩三極管(Avalanche transistor)設計出一款輸出峰值電壓400 V、脈沖寬度600 ps，重頻大于25 kHz的12級Marx電路脈沖源，利用結構緊湊的PCB電路設計保證了輸出波形的穩定性(寬帶抖動小于1%)[21]。

文獻[22]使用基于三極管雪崩特性的窄脈沖產生電路輸出了上升時間低于 1 ns 級別的脈沖，并成功應用在了煤礦井下通道超寬帶通信中[22]。文獻[23]比對了單管、雙管以及 Marx 脈沖產生電路之間的區別，并通過對三極管選型、電路PCB以及充電電容的優化設計，抑制了電路在實際使用過程中容易發生的脈沖觸發抖動現象[23]。文獻[24]提出了一種采用基極觸發方法的新型基于雪崩三極管的 Marx 電路拓撲電路，解決高電壓輸出和高重復率操作之間的矛盾[24]。文獻[25]等利用三極管的雪崩擊穿效應產生了GHz級別的窄脈沖波形[25]。

超窄脈沖產生電路大多應用在超寬帶通信領域，該領域所用電壓較小但帶寬要求較高，上升時間甚至低于ns級別。目前該方式的脈沖產生電路在超聲上的應用較少，需要進一步的研究。

2.2 高頻超聲信號調理技術

高速數據采集技術是當前信息技術領域熱門的研究方向之一，對信號的前期調理直接決定了后期所采集數據的性能，故而信號調理電路的研發則尤為重要。信號調理電路的內容主要分為增益與濾波兩方面，目前國內外研究人員針對不同的應用需求，對高頻信號采集系統進行了大量研究[26]。

2.2.1 增益放大電路的研究

針對增益放大電路的研究由多種方法，但對于超聲信號的放大電路，需要考慮信號的帶寬。

文獻[27]使用兩種放大器串聯的方式，對信號進行了兩級放大，提高了系統對信號的適應性；同時，針對超聲信號強度受很多因素影響且變化范圍廣的特點，使用二極管陣列對電路進行保護，能夠有效防止電壓及電流對系統的瞬態干擾[27]。

文獻[28]提出了一種緊湊的數控可變增益放大器(DVGA)，該放大器具有溫度補償線性分貝增益控制和直流偏移消除(DCOC)功能，集成了溫度補償dB線性增益控制、輸出共模反饋、6位數字增益控制。該設計DVGA的測量增益范圍為18.4 dB，平均步長為0.3 dB，2 MHz至1.9 GHz的3 dB帶寬[28]。

另外，文獻[29]使用ADI公司的電壓控制放大芯片AD60390MHz帶寬下增益變化范圍為-11～31 dB典型的增益調整精度為0.5 dB[29]。

2.2.2 濾波電路的研究

濾波電路方面通常有兩種設計思路，一種是無源濾波(FC，frequency control filter)，另一種是有源濾波(APF，active power filter，)。

針對超聲換能器中心頻率不固定的特點，信號帶寬需要根據需要進行調節，程控濾波器主要有以下三種方法：第一種通過模擬開關或單位器切換電阻網絡；第二種是有先用有源集成濾波芯片。最后一種是直接使用 DSP 芯片(digital signal processor chip)對模數換器(digital-to-analog converter)采集到的信號進行數字濾波再由DAC輸出，速度受到所用器件的限制[30]。

文獻[31]通過低溫共燒陶瓷(LTCC)技術設計了一款低損耗高抑制雙工器，實現了對單個信號進行分割輸出，其內部由僅LC無源網絡構成低/高通濾波器，在通帶內插入損耗小于2.5 dB，阻帶內抑制大于23 dB的性能[31]。

文獻[32]選用最典型的有源濾波電路是巴特沃斯濾波器，增加其濾波階數，通過仿真實現了上限截止頻率10 MHz，通帶增益28 dB的六階巴特沃斯低通濾波器[32]。

文獻[33]等通過串聯二極管通斷改變并聯電容的值，進而改變電感之間的耦合關系從而改變其濾波效果，該方法的優勢在于功率幾乎不損失，可用在功率較大的應用場景中[33]。

綜上所述，可變增益放大器因其方便控制的方式被廣泛應用于可控增益領域內，但是超聲信號因其激勵幅值過大不能直接接入可控可變增益放大器內部。有關可控濾波方面依然較為薄弱，若使用無源濾波依然需要采用電子開關進行切換，在高頻信號工作范圍內沒有穩定可靠的截止頻率連續可控濾波方式，有待進一步研究。

2.3 高頻聚焦式換能器研制技術

高頻聚焦式換能器(探頭)是超聲波掃描顯微鏡的關鍵部件。換能器的頻率越高，超聲波掃描顯微鏡的檢測分辨率越高。在實際應用中，超聲波換能器的性能常由于傳播中的衰減而無法達到期望中的效果，如何提升超聲波換能器性能將是超聲波掃描顯微鏡發展的主要問題。

高頻超聲波換能器在制造過程中，壓電材料的選擇是最關鍵的步驟。如何選擇壓電材料，從兩個方面考慮。一方面是材料的制備工藝。壓電材料的厚度通常在工作頻率的半波長處，才能制造出性能好的換能器。當工作頻率達到超高頻時，壓電層的厚度加工是一個大問題。因此，當選擇材料時，要考慮其生長情況、加工過程，加工難度，以及是否能更好與換能器的制備工藝相適應。另外一方面是壓電材料的性能。壓電材料的機電耦合系數、介電常數和聲阻抗等是換能器設計中關鍵參數[34]。

目前，常用于做高頻或超高頻的聚焦換能器，常用的由LiNbO3單晶材料(鈮酸鋰)、ZnO薄膜材料和ALN薄膜材料[35]。

2.3.1 LiNbO3單晶換能器

單晶具有很高的壓電常數d33和機電耦合系數kt，在高性能傳感器制作方面，使其具有良好的應用前景。此外，與多晶鐵電陶瓷不同，單晶是不受晶粒和孔隙度等因素的限制。LiNbO3單晶具有較高的聲速、優異的壓電性能和較小的介電常數，在制造高頻大孔徑超聲換能器方面具有優勢。

文獻[36]利用LiNbO3材料研制了100～300 MHz的高頻聚焦換能器。300 MHz的換能器的壓電層厚度只有9 μm[36]。文獻[37]利用LiNbO3材料研制出了400 MHz的超聲換能器，壓電層厚度只有7.1 μm[37]. 文獻[38]研制了中心頻率為526 MHz的超聲換能器，LiNbO3材料的壓電層厚度只有6 μm。

上述的超聲換能器的頻率高，波長小，可應用于生物領域檢測細胞結構。但是，將LiNbO3的厚度加工至微米級別，加工難度極大，因此，這種方法很難推廣及應用。

2.3.2 薄膜式換能器

超聲波掃描顯微鏡系統中所用的換能器常為透鏡聚焦式換能器。通常在超高頻范圍內，透鏡是基于在藍寶石或硅襯底上研磨或刻蝕形成球形空腔以實現聚焦效果[39-40]，并在透鏡另一面濺射ZnO或AlN薄膜作為壓電材料。

ZnO或AlN薄膜材料是使用MEMS工藝加工的，由于這種壓電薄膜材料的性能不如傳統的鐵電材料的壓電性能，因此，在鍍膜過程中需要摻雜其他材料來提高壓電性能。如文獻[41]和文獻[42]將Cr摻雜到AlN中制作薄膜來提高其壓電性能[41-42]。文獻[43]使用摻雜Cr的AlN薄膜研制了40～80 MHz的超聲換能器[43]。文獻[44]研制出了200 MHz的摻雜Cr的AlN薄膜超聲換能器。圖2為AlN薄膜超聲換能器的實物圖[44]。

圖2 AlN薄膜超聲換能器

文獻[45]研制了基于MEMS工藝的ZnO薄膜超聲換能器，中心頻率為200 MHz[45]。文獻[46]研制了在硅透鏡上鍍ZnO薄膜材料，研制出了中心頻率為330 MHz的超聲換能器，該換能器在生物學上具有很大潛力。圖3為研制的ZnO薄膜換能器的實物圖[46]。

圖3 ZnO薄膜超聲換能器

文獻[47]提出了一種削弱邊緣回波的透鏡結構，如圖4所示。從而使邊緣回波在時間軸上遠離來自反射體的回波[47]。然而，ZnO材料因其在超高頻范圍內信號幅值過小而導致換能器性能較差。為解決這一問題，后來有學者提出了一種金屬有機氣相淀積及溶膠-凝膠等方法[48]，給使用透鏡聚焦的超高頻換能器提出一種新的解決思路。

圖4 削弱邊緣回波的透鏡結構

圖5 骨骼細胞檢測結果[4]

國外具有成熟的生產中心頻率200 MHz以下的超聲換能器的生產工藝，200 MHz以上也可定制生產，目前已報道的國外可生產的高頻超聲換能器的最高頻率為2 GHz，可以實現對生物活體細胞的檢測。以下為骨骼細胞的檢測結果。

國內目前成熟的技術可生產25 MHz以下的高頻超聲換能器。25 MHz以上的高頻超聲換能器，由于生產工藝的限制，未有成熟的產品，但有公司正在開展生產工藝的研究工作。

2.4 超聲C掃描成像技術

高頻超聲C掃描成像技術，可以獲得被測試件表面以及內部在不同深度層面上的二維聲學圖像。

常規的超聲C掃描成像技術如圖6所示，首先將被測試件放置于水槽中，在掃描過程中，高頻超聲換能器在預設的路徑下進行掃查，通常采用蛇形掃方式。換能器采用反射工作模式，當超聲波透過被測試件表面、遇到缺陷(如孔隙、裂紋等)時，會發生部分反射，反映在時域信號當中即為直達波、缺陷回波以及底面回波，如圖7所示[49]。

圖6 超聲波C掃描式示意圖

圖7 超聲波傳播路徑示意圖

將不同位置的回波信號的幅值或時間值作為成像的特征值，將同一深度上的特征值按照位置關系列為二維數值矩陣，即為對應深度處的 C 掃描成像結果[49]。

在常規超聲C掃描的成像基礎上，也發展使用不同特征值或信號處理技術的成像方法，如TOF(times of flight)成像、頻域成像、相位成像等技術。

超聲回波信號除了時間和幅值信息外，還包括其他的特征參量，如脈沖寬度、到達時間TOF、相位等。回波的TOF值，一般取時窗范圍內絕對值最大的峰值對應的時間值。TOF成像主要用來判斷結構的深度信息，使用相對較少[50]。

提出了基于傅立葉變換的頻域成像的概念，選取特定的頻率來進行成像，從而提高了圖像的分辨率[51]。利用頻域成像的概念，選取閘門內時域波形上數據進行FFT變換，用當前超聲換能器中心頻率對應的數據成分進行成像[52]。這種方法因其計算過程復雜、數據量龐大和計算時間長等問題無法應用于實時檢測成像。

使用了相位成像模式，是將回波信號中對應的相位信息提取出來。此方法需要提取某一位置的信號作為參考信號，根據反射回波與參考信號相比是否發生相位反轉來設置用于成像的顏色值[53]。提出了基于極值統計理論的數據處理算法，依據實驗測得信號的幅值添加置信區間來確定缺陷回波的位置[54]。提出利用基于AR模型的頻譜外推方法，有效改善了時域信號的質量，且提高了成像結果的信噪比[55]。

除此之外，利用Gabor小波特征用于檢測復雜紋理背景下的缺陷[56]。提出了基于局部協方差特征的圖像插值方法，明顯提高了C掃描圖像分辨率，并且減小了邊緣模糊效應，提高了圖像中缺陷分布評價結果的準確性[57]。

綜上所述，試件掃描檢測完成之后所采用的成像算法以及圖像增強技術對提高C掃描圖像的質量起著至關重要的作用，高質量的C掃描圖像對被測試件及內部結構、缺陷尺寸大小以及形狀的展示能力強于普通的C掃描圖像。

3 超聲波掃描顯微鏡應用領域

超聲波掃描顯微鏡在材料科學檢測、半導體測試行業和新能源等行業應用比較廣泛。

3.1 材料科學檢測領域

超聲波掃描顯微鏡可檢測的材料包括金屬涂層材料、復合材料和金屬材料等。

對發動機葉片材料NiCoCrAlYTa六元涂層試樣進行檢測。作者引入卷積濾波技術和波包分解技術，對界面混疊回波信號進行提取分析，實現了涂層厚度的準確檢測[58]。對薄層材料微小缺陷的檢測以及超薄樣本聲學屬性和幾何尺寸的測量，使其成為薄層材料定征應用中一種首選的技術手段[59]。

使用超聲掃描顯微鏡對鋯合金多層復合材料包殼厚度進行了檢測，檢測結果表明SAM技術可以有效對厚度約為0.3～0.6 mm 的鋯合金多層復合材料包殼進行厚度測量[60]。同時，該作者又對鋯合金淺焊縫熔深進行了檢測，檢測結果如圖8所示[61]。

圖8 焊縫熔深檢測結果

使用超聲波掃描顯微技術對復合結構件焊縫熔深進行了檢測，檢測結果表明，焊縫熔深實測平均偏差為137.4 μm。該技術解決了焊縫熔深的檢測難題，為實際工程應用提供參考[62]。

對產氚包層焊縫進行了研究，蓋板流道封焊為研究對象，采用不同參數探頭及水層厚度，提高了檢測靈敏度，并解決了蓋板流道封焊中小缺陷不易檢出的難題[63]。

使用超聲波掃描顯微鏡對銅/鋁摩擦焊縫進行檢測，通過檢測銅和鋁的接合面的焊接情況來判斷焊接質量，此方法檢測靈敏度高、分辨率好、檢測結果直觀[64]。

另外，超聲波掃描顯微鏡還可應用于飾品的鍍金層厚度的檢測。利用超聲波掃描顯微鏡對銀鍍金和銅鍍金樣品進行測試，實現對鍍層樣品厚度的定量分析，在無損前提下得到貴金屬樣品內部信息，對于未來珠寶檢測行業具有重要指導意義[65]。

3.2 半導體測試行業

超聲波掃描顯微鏡應用在半導體測試行業，主要用于測試晶圓材料及各種封裝的電子器件。

電子封裝內部缺陷的尺度微小，引腳焊接的間距也很小，傳統檢測方法很難對其進行檢測。利用聚焦高頻超聲來進行檢測，能對試樣表面、亞表面及其內部一定深度內的細微結構進行顯微成像，用來檢測電子封裝和評估焊接質量[66]。開發了一臺低成本、最高采樣率可達4 GHz的超高頻超聲波掃描顯微鏡，并使用該系統清晰地觀察集成芯片的封裝情況[67]。利用超聲波掃描顯微鏡對塑封器件內部進行了檢測，可檢測塑封器件內部的分層及空洞等缺陷[68]。使用超聲波掃描顯微鏡對IGBT 進行了檢測，發現IGBT模塊中的空洞、脫附等界面潛在缺陷，同時發現了IGBT模塊的結構缺陷，這些缺陷的表征對評IGBT模塊質量具有重要意義超聲波掃描顯微鏡還可以對電子芯片進行失效性分析。在電子芯片的失效模式主要分為幾種，界面分層、倒焊封裝中焊球的熔融、芯片破裂、分層、碎屑及散熱蓋失效等。使用超聲波掃描顯微鏡的C掃描模式可以實現對上述失效模式進行檢測[70-71]。

目前成熟的超聲顯微鏡系統廣泛應用于半導體測試行業。超聲波掃描顯微鏡對電路板進行檢測的結果如圖9所示[2]。

圖9 電路板測試結果

3.3 新能源行業

太陽能電池板為新能源一個典型應用。制造過程中光學不可見的異常和缺陷會降低太陽能電池板的質量，典型缺陷有裂紋、分層或氣孔。需要使用超聲波掃描顯微鏡進行成像和分析，減少缺陷的產生。圖10是一個硅電池與粘接硅電池的基底間界面的聲學圖像，圖像中點狀物即為氣孔缺陷[72]。

圖10 聚光電池和基底間測試結果

近年來，各大新能源汽車廠商將熱管理系統的性能作為重點研發內容，核心部件水冷板的焊接質量直接關系到新能源汽車的可靠性與安全性。

新能源汽車的電池冷卻系統主要包括電池、電池冷卻器和水冷板等重要部件。常用電池用釬焊水冷結構主要有兩種：水冷板結構和直冷板結構[73]。這兩種結構的水冷板主要焊接工藝完成，因此，除去考慮材料本身強度和產品的耐腐蝕能力以外，更多的是對于焊接質量的保證。圖11為對水冷板掃查的結果[73]。

圖11 水冷板檢測結果

超聲波掃描顯微鏡除了在上述行業應用之外，在新能源的電池行業、生物檢測等行業也有應用。

4 超聲波掃描顯微鏡發展

通過以上分析可知，超聲波掃描顯微鏡應用廣發，解決了工程上無法檢測的難題。國內的設備主要以低頻段為主，50 MHz以下比較常見。高頻的高端設備基本以國外設備為主。因此，超聲波掃描鏡的發展主要由以下幾個方面：

1)向更高頻頻超聲方向發展。超聲波掃描顯微鏡的檢測分辨率是由超聲波的頻率決定的。超聲波頻率越高，檢測的分辨率越高，但同時，超聲波的衰減也增大，得到的超聲回波信號越小。因此，超聲波的頻率和衰減特性，限制了超聲波掃描顯微鏡的使用。

因此，超聲波掃描顯微鏡的發展，必將發展可以激勵更高頻的超聲波設備，使超聲波掃描顯微鏡的應用領域更加廣泛。

2)向自動化檢測方向發展。目前，超聲波掃描顯微主要應用于實驗室檢測，對于生產線的檢測需求也越來越多。未來更加自動化的設備需求會增多，如自動上料，自動檢測及自動上下水循環系統等。

工業超聲檢測技術目前很大一部分都是人工操作，檢測效率低，數據記錄不完善、不規范。隨著國家標準化工作的逐步完善，對檢測的要求越來越高。而隨著工業4.0、大數據等技術地不斷推廣，現階段手工檢測已經逐步被一些自動化設備替代。當然自動化的發展不是一蹴而就的事情，需要在實踐中不斷摸索、循序漸進。

3)向智能化方向發展。超聲波掃描顯微鏡對試件進行檢測，檢測的缺陷需要人工去判別。隨著人工智能技術的發展，針對缺陷類型的識別和判斷方法越來越多，對試件的剩余壽命的預測技術也逐漸成熟。因此，超聲波掃描顯微鏡在自動化的基礎上會繼續向智能化的方向發展。可對缺陷的類型、大小及危害程度進行自動識別，并可對裝備的剩余壽命進行預測。

4)向國產化方向發展。隨著國家對高端儀器的研制的政策支持，會加快超聲波掃描顯微鏡的國產化研制工作。目前，國內生產的低頻的超聲掃描顯微鏡的硬件主要采用國外的關鍵組部件進行集成。核心技術未掌握，是限制國內超聲波掃描顯微鏡發展的最大因素。因此，突破關鍵技術和國產化替代研制，是國內超聲波掃描顯微鏡發展前進的方向和未來。

5 結束語

超聲波掃描顯微鏡在無損檢測領域發揮著獨特優勢。隨著超聲波技術的發展，聲頻會越來越高，超聲顯微鏡的本領將越來越大。可以預料，它與其他尖端技術結合，將會發揮出更大、更獨特的作用。