超声波扫描显微镜的工作原理和应用案例

在电子封装、材料科学以及芯片制造等前沿领域，超声波扫描显微镜（Scanning Acoustic Microscopy，简称 SAM）作为一种基于超声波技术的非破坏性检测工具，发挥着至关重要的作用。在 AEC-Q100、AEC-Q101、AEC-Q006 等行业标准中，明确要求在应力前后对核心部件进行 SAM 扫描，以此来细致检查内部结构是否发生变化。接下来，SGS带你深入了解 SAM 的工作原理及其在实际中的应用。

超声波扫描显微镜(SAM)的工作原理

（一）超声波的发射与接收

SAT通过压电换能器发射高频超声波（通常为5-300MHz），穿透被测样品（如芯片封装结构）。当超声波遇到材料界面或缺陷（如分层、空洞）时，会因声阻抗差异产生反射或投射信号，接收器捕获这些信号并转换为电信号。

（二）成像机制

1脉冲回波模式（Pulse-Echo）

通过分析反射波的振幅和时间延迟，重建样品内部结构的横截面（C-Scan）或纵向截面（B-Scan）图像。如下图，通过聚焦不同相位的波形，可以聚焦显示不同层面的结构，在波形时间图中，从左到右，波形依次为compound表面-compound内部-die表面-underfill填充-pad表面，通过框选die表面部分的波形和Pad表面部分的波形进行扫描，便能分别得到Die表面的SAT图像和Pad表面的SAT图片

案例图

2透射模式（Through Transmission）

检测穿透样品的超声波能量，适用于高衰减材料的缺陷检测。

检测案例分享

1利用高频探头检查chip与bump连接

扫描Flip chip的bump球时，通常要选取采用120MHz~ 200MHz，来兼顾较高的穿透能力和较好的图像质量。

200MHz 以上探头由于穿透能力较差且焦距较短，无法穿透Compound& Die层面从而扫描出bump，一般仅用于裸die的Flip chip扫描。

2利用SAM检测Lead Frame边缘的分层

部分Lead Frame样品在试验后出现lead边缘分层，在SAM图像中，表现为引脚缺失部分，这是由于分层的存在，导致水可以更快进入lead与compound中的gap中，从而导致lead扫描时不完整。通过烘烤蒸发水分后，快速扫描定位即可发现lead边缘处的分层。

案例图

SAM与X-RAY的关系

SAM与X-Ray是互不矛盾、相互补充的非破坏性检测手段和工具。

X-Ray射线成像操作采用的是穿透模式，得到整个样品厚度的一个合成图像。

SAM基于反射回波模式（CSAM）产生的图像可以清晰的将产品不同层面展现出来。

X-Ray对材料内部分层、微小裂纹和虚焊等缺陷非常不敏感，难以反映产品内部轻微的分层。

SAM对物体内部的分层非常的敏感，分层能阻断超声波的传播；确定焊接层、结合层的完整性是SAM独特的性能。

案例图