超声波SAT在半导体中的应用及测试原理

超声波SAT作为一种快速无损的检测方式，在功率半导体的无损检测中有着广泛的应用。经常用来检测材料的内部缺陷空洞，连接层的界面分层等，但是在实际使用中SAT的分析中经常会出现误判或无法判断的现象发生，特别是结构越复杂的样品，在很多情况下超声波SAT只能用来做参考。为什么会出现这种问题，这就需要从超声波SAT的测试原理来探讨。

超声波SAT测试原理

超声波SAT利用超声波脉冲透过材料并在界面处产生反射的特性，来检测样品内部的分层、空洞、裂纹等缺陷。

超声波在介质中传播时，其传播特性取决于该材料的声阻抗，而声阻抗又与材料的密度和声速直接相关，三者的关系如下：

Z（声阻抗）=ρ（材料的密度）·v（材料中的声速）

当超声波遇到两种不同声阻抗的材料界面时，会发生部分反射，部分透射。反射的声波返回传感器，传感器将这些声波原始数据做数据处理来生成SAT图像。

根据这一公式中可以看出，反射率和界面上下两个材料的声阻抗的差值相关，相差越大反射率越强，在测试软件上呈现的图像也就越亮，根据上表和这个公式可以计算出：

•从水到硅胶的界面反射率为：20.0%•从硅胶到银的界面反射率为：94.9%

•从硅胶到空气的界面反射率为：-100%超声波反射率的绝对值越高，在SAT图像中就越亮，根据这一原理，在C-SAM测试中同一界面时，分层区域会呈现一个比较亮的范围。

另外，计算的结果会发现一个现象，从硅胶到银的界面反射率为94.9%，而从硅胶到空腔的界面反射率为-100%。根据公式可以得出原因，当超声波从低阻抗材料进入高阻抗材料时，反射率为正值，反之则为负值，而超声波SAT正是利用此特性，将其作为判定是否分层的重要依据，经过软件数据处理，反射率为正值时，波形呈现正波，反射率为负值时，波形则为反波。

常见的误判因素

1.相位信息遗漏

部分检测机构习惯采用黑白SAT数据并配少量的A-Scan图进行辅助判定，这种方式存在造成信息遗漏误判的可能，因为实际上黑白的SAT图片中只有反射率信息（对比度亮度），随机选择的几个A-Scan图并不能代表所有区域的结果，特别是对于批量性检测的产品来说，极易遗漏一些反波相位信息。而通过SAT软件的参数设置，可以把反射率和反相同时显示在图像中，异常剥离区域会变成红色，从而更容易有针对性的判断。金鉴实验室在SAT测试方面具有丰富的经验，实验室拥有资深的技术专家组成的团队，能够针对不同的产品提供具体的解决方案。

2.SAT软件误判

超声波SAT是按照固定的参数来判定的，简单来说达到一定参数的反波相位信号均会被软件算法判定为剥离分层。但根据声扫测试原理可知只要超声波从大的声阻抗材料进入小的热阻抗材料界面时，都会发生反相，比如从铜到树脂会发生反相，波形朝下，但是并不是剥离。因此，检测人员在测试前应充分了解样品内部结构以及材料构成，以便加以区分判定，若仅仅从波形朝下来判断剥离的话，是不准确且不严谨的。

3.样品因素

超声波遇到两种不同声阻抗的材料时，会发生部分反射，部分透射，这一特性与光类似，当样品界面不平整或内部密度不均匀时，超声波会发生漫反射现象，脉冲回波返回到传感器的信号会变少，在检测时会SAT呈现黑色没有图像，甚至可能会形成声学假象，从而造成仪器软件误判。比如常见的一些电子器件表面会用镭射激光打字，这些字符会不平整经常会造成声学假象，SAT软件算法经常会将字符区域渲染成红色，从而造成误判。

4.人为操作因素

检测人员技术水平和经验对检测结果会有直接的影响，常见的认为操作造成误判的因素有：①未准确聚焦到测试界面的最强信号峰；②框选到错误的界面信号峰；③测试时样品未摆放平整，或需打磨的样品表面也未打磨平整；④样品表面的气泡或探头上存在气泡未清理；⑤信号强度gain过大，导致信号外溢软件算法误判为红色剥离。

总结

超声波SAT作为常见的一种无损测试手段，应用范围较为广泛，但在具体测试过程，存在较多的因素可能会造成误判现象的发生。因此，熟悉超声波SAT测试原理，严格执行测试流程，熟悉样品内部结构及材质，可以有效减少误判概率的发生。