Scanning akustiskt mikroskop
Ett scanning akustiskt mikroskop ( SAM ) är en enhet som använder fokuserat ljud för att undersöka, mäta eller avbilda ett objekt (en process som kallas scanning akustisk tomografi). Det används ofta i felanalys och oförstörande utvärdering . Den har även tillämpningar inom biologisk och medicinsk forskning. Halvledarindustrin har funnit SAM användbar för att detektera tomrum, sprickor och delaminering i mikroelektroniska paket.
Historia
Det första scanning akustiska mikroskopet (SAM), med en 50 MHz ultraljudslins, utvecklades 1974 av RA Lemons och CF Quate vid Microwave Laboratory vid Stanford University . I slutet av sjuttiotalet och början av åttiotalet var akustiska mikroskop som arbetade i flera GHz-intervall vanligt och en överförings-SAM som fungerade upp till 500MHz hade också tillverkats av R.Gr. Maev och hans studenter vid hans laboratorium för biofysisk introskopi vid den ryska vetenskapsakademin . Den första kommersiella SAM ELSAM, med ett brett frekvensområde från 100 MHz upp till 1,8 GHz, byggdes på Ernst Leitz GmbH av gruppen ledd av Martin Hoppe och hans konsulter Abdullah Atalar ( Stanford University ), Roman Maev ( Ryska vetenskapsakademin ) och Andrew Briggs ( Oxford University .)
Sedan dess har många förbättringar av sådana system gjorts för att förbättra upplösningen och noggrannheten. De flesta av dem beskrevs i detalj i monografin Advanced in Acoustic Microscopy, Ed. av Andrew Briggs , 1992, Oxford University Press och i monografi av Roman Maev , Acoustic Microscopy Fundamentals and Applications, Monograph, Wiley & Son - VCH, 291 sidor, augusti 2008, såväl som nyligen i.
C-SAM kontra andra tekniker
Det finns massor av metoder för felanalys av skador i mikroelektroniska förpackningar, inklusive men inte begränsat till laserdekapsling, våtetsning, optisk mikroskopi , SEM -mikroskopi, röntgen . Det finns många metoder för felanalys av skador i mikroelektroniska förpackningar. Problemet med de flesta av dessa metoder är det faktum att de är destruktiva. Detta betyder att det är möjligt att själva skadan kommer att försvinna under förberedelsen. Dessutom kräver de flesta av dessa destruktiva metoder tidskrävande och komplicerad provberedning. Så i de flesta fall är det viktigt att studera skador med en oförstörande teknik. Och till skillnad från andra oförstörande tekniker som röntgen, är CSAM mycket känsligt för de elastiska egenskaperna hos materialen den färdas genom. Till exempel är CSAM mycket känsligt för närvaron av delamineringar och luftgap vid tjocklekar under mikron, så det är särskilt användbart för inspektion av små, komplexa enheter.
Fysisk princip
Tekniken använder sig av det höga penetrationsdjupet för akustiska vågor för att avbilda provets inre struktur. Så vid skanning av akustisk mikroskopi bearbetas antingen reflekterade eller transmitterade akustiska vågor för att analysera de interna egenskaperna. När den akustiska vågen utbreder sig genom provet kan den spridas, absorberas eller reflekteras vid mediagränssnitt. Tekniken registrerar således ekot som genereras av den akustiska impedansen (Z) kontrasten mellan två material. Scanning akustisk mikroskopi fungerar genom att rikta fokuserat ljud från en givare mot en liten punkt på ett målobjekt. Ljud som träffar föremålet är antingen spritt, absorberat, reflekterat (spritt i 180°) eller transmitterat (spritt vid 0°). Det är möjligt att detektera de spridda pulserna som rör sig i en viss riktning. En detekterad puls informerar om närvaron av en gräns eller ett föremål. "Time of flight" för pulsen definieras som den tid det tar för den att sändas ut av en akustisk källa, spridd av ett föremål och mottagen av detektorn, vilket vanligtvis sammanfaller med källan. Flygtiden kan användas för att bestämma inhomogenitetens avstånd från källan givet kunskap om hastigheten genom mediet.
Baserat på mätningen tilldelas ett värde till den undersökta platsen. Givaren (eller föremålet) flyttas något och görs sedan insonifierad igen. Denna process upprepas i ett systematiskt mönster tills hela området av intresse har undersökts. Ofta sätts värdena för varje punkt ihop till en bild av objektet. Kontrasten som syns i bilden baseras antingen på objektets geometri eller materialsammansättning. Bildens upplösning begränsas antingen av den fysiska skanningsupplösningen eller ljudstrålens bredd (som i sin tur bestäms av ljudets frekvens).
Metodik
Olika typer av analyslägen är tillgängliga i högupplöst SAM. De tre huvudsakliga lägena är A-skanningar, B-skanningar och C-skanningar. Var och en ger olika information om integriteten hos provets struktur.
A-skanningen är amplituden för ekosignalen över ToF. Givaren är monterad på Z-axeln på SAM. Den kan fokuseras på ett specifikt mållager som ligger i ett svårtillgängligt område genom att ändra z-positionen med avseende på provet som testas som är mekaniskt fixerat.
B-skanningen ger ett vertikalt tvärsnitt av provet med visualisering av djupinformationen. Det är en mycket bra funktion när det kommer till skadedetektering i tvärsnittet.
C-skanningen är ett vanligt använt skanningsläge som ger 2D-bilder (skivor) av ett mållager på ett specifikt djup i proverna; flera ekvidistanta lager är möjliga genom X-scan-läget.
Pulsreflektionsmetod
2D- eller 3D-dimensionella bilder av den inre strukturen blir tillgängliga med hjälp av pulsreflektionsmetoden, där impedansmissanpassningen mellan två material leder till en reflektion av ultraljudsstrålen. Fasinversion av den reflekterade signalen kan tillåta diskriminering av delamineringen (akustisk impedans nästan noll) från inneslutningar och partiklar, men inte från luftbubblor, som visar samma impedansbeteende som delaminering.
Ju högre impedansmissanpassning vid gränssnittet är, desto högre intensitet har den reflekterade signalen (mer ljusstyrka i 2D-bilden), som mäts av ekoamplituden. I fallet med ett gränssnitt med luft (Z = 0) uppstår total reflektion av ultraljudsvågen; därför är SAM mycket känsligt för all instängd luft i provet som testas.
För att förbättra införandet av den akustiska vågen i provet nedsänks både den akustiska givaren och provet i ett kopplingsmedium, typiskt vatten, för att undvika den höga reflektionen vid luftgränssnitt.
I pulsvågsläget används en lins med goda fokuseringsegenskaper på en axel för att fokusera ultraljudsvågorna på en punkt på provet och för att ta emot de reflekterade vågorna tillbaka från platsen, typiskt på mindre än 100 ns. Den akustiska strålen kan fokuseras till en tillräckligt liten punkt på ett djup upp till 2–3 mm för att lösa typiska interlaminära sprickor och andra kritiska sprickgeometrier. De mottagna ekona analyseras och lagras för varje punkt för att bygga upp en bild av hela det skannade området. Den reflekterade signalen övervakas och skickas till en synkron display för att framkalla en komplett bild, som i ett svepelektronmikroskop.
Ansökningar
- Snabb produktionskontroll - Standarder: IPC A610, Mil-Std883, J-Std-035, Esa, etc - Sortering av delar - Inspektion av löddynor, flip-chip, underfill, dy-attach - Tätningsfogar - Lödlödda och svetsade fogar - Kvalificering och snabbt urval av lim, lim, jämförande analyser av åldrande etc - Inneslutningar, heterogeniteter, porositeter, sprickor i material
Enhetstestning
SAM används för upptäckt av förfalskningar, testning av produkters tillförlitlighet, processvalidering, leverantörskvalificering, kvalitetskontroll, felanalys, forskning och utveckling. Att upptäcka diskontinuiteter i kisel är bara ett av sätten som skanningsakustisk mikroskopi används för testning på halvledarmarknaden.
Medicin och biologi
SAM kan ge data om elasticiteten hos celler och vävnader, vilket kan ge användbar information om de fysiska krafter som håller strukturer i en viss form och mekaniken hos strukturer som cytoskelettet . Dessa studier är särskilt värdefulla för att undersöka processer som cellmotilitet .
En del arbete har också utförts för att bedöma penetrationsdjupet för partiklar som injiceras i huden med hjälp av nålfri injektion
En annan lovande riktning initierades av olika grupper för att designa och bygga bärbara handhållna SAM för subsurface diagnostik av mjuka och hårda vävnader och denna riktning är för närvarande i kommersialiseringsprocessen inom klinisk och kosmetologisk praxis.