超聲設(shè)備掃描路徑研究

周慶亞，付純鶴，魏 鵬，連軍莉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所 北京100176)

當(dāng)超聲波在物體中傳遞時(shí)，如果碰到物體的表面、內(nèi)部的分層、空洞、裂隙、夾雜等被稱為不連續(xù)界面時(shí)，都會(huì)對(duì)超聲波傳播造成干擾，形成超聲波的散射、反射和部分穿透等情況。我們就可以通過收集反射的超聲波來判斷被測物體中是否有上述缺陷。

超聲波檢測的一個(gè)重要領(lǐng)域就是對(duì)半導(dǎo)體封裝器件的檢測。半導(dǎo)體器件經(jīng)過芯片鍵合、金線鍵合、塑封等多種工序后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)肉眼無法直接觀測，同時(shí)為了保證器件的可用性又不能破壞器件，因此多數(shù)采用超聲掃描設(shè)備對(duì)其檢測。

超聲掃描設(shè)備對(duì)其檢測過程一般是通過對(duì)聲波調(diào)焦，讓聲波聚焦在被檢測物體內(nèi)部一感興趣層面，然后通過探頭的xy 向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)器件的超聲檢測，并把超聲檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化成圖像，供人們使用。

1 掃描路徑

超聲掃描設(shè)備國內(nèi)外都有生產(chǎn)，國外主要公司有Sonix、KSI 和Sonoscan，國內(nèi)有中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所等，每個(gè)公司都有多款設(shè)備，而每種設(shè)備所采用的掃描路徑不盡相同。而這么多種路徑均有其各自的特點(diǎn)。筆者在實(shí)際的設(shè)備開發(fā)過程中，從掃描效率效果等角度對(duì)各種掃描路徑加以研究，確定了其各自的掃描特點(diǎn)。

1.1 x 單向采集路徑

其掃描路徑為，探頭沿x 向從器件左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)器件發(fā)射超聲波信號(hào)，并每隔一定距離進(jìn)行超聲波回波采樣，到達(dá)右側(cè)后，直接返回左側(cè)，返回過程中不對(duì)器件采樣，到達(dá)左側(cè)后，y 向向下行進(jìn)一個(gè)步距，然后繼續(xù)向右進(jìn)行移動(dòng)并檢測，如此循環(huán)直至檢測完整個(gè)器件，其路徑示意如圖1 所示。

圖1 x 向單向采集路徑

其特點(diǎn)在于：

(1) 由于其只有在向右側(cè)行進(jìn)時(shí)才對(duì)器件進(jìn)行超聲波檢測采樣，因此該路徑的檢測效率會(huì)比較低；

(2)由于其采樣時(shí)只有x 向移動(dòng)，其對(duì)器件內(nèi)部的采樣點(diǎn)分布是均勻的矩陣點(diǎn)針排列，因此采樣的失真情況也較低；

(3)由于超聲波回波信號(hào)被接收時(shí)，探頭也是處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，探頭的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)超聲波回波的接收強(qiáng)度存在影響。一般情況是探頭移動(dòng)的速度快，其回波信號(hào)接收強(qiáng)度低，反之則高。因此，一般單行圖像生成后，或多或少會(huì)出現(xiàn)圖像左右兩側(cè)圖像亮度高中間亮度低的情況。采用單向檢測，對(duì)器件的每個(gè)掃描行的運(yùn)動(dòng)過程（探頭的運(yùn)動(dòng)速度曲線）完全一致，因而其采集出的超聲波數(shù)據(jù)不存在因電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)速度曲線不同而造成的差異，因而每行的信號(hào)是一致的。

(4)由于探頭和器件不可能做到完全垂直，在運(yùn)動(dòng)過程中，探頭發(fā)出的超聲波信號(hào)再次被探頭接收時(shí)，存在一個(gè)有效接收面積的問題。假設(shè)探頭向右傾，向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，有效的超聲回波接收面積大，向左運(yùn)動(dòng)時(shí)有效接收面積較小。反映在掃描結(jié)果上則會(huì)出現(xiàn)圖像一行明亮一行發(fā)暗的情況。采用單向掃描，探頭與器件表面不垂直造成的超聲回波接收問題不存在，其接收到的檢測信號(hào)一致、穩(wěn)定。

因此在追求檢測一致性和檢測精度高的場合多采用此種掃描路徑。

1.2 x 雙向采集路徑

此種路徑是為了解決路徑1 中效率較低而提出。

其掃描路徑為，探頭沿x 向從器件左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)器件發(fā)射超聲波信號(hào)，并每隔一定距離進(jìn)行超聲波回波采樣，到達(dá)右側(cè)后，y 向向下行進(jìn)一個(gè)步距，然后x 向從右側(cè)返回左側(cè)，返回過程中同樣對(duì)器件進(jìn)行采樣，到達(dá)左側(cè)后，y 向再次向下行進(jìn)一個(gè)步距，然后繼續(xù)向右進(jìn)行移動(dòng)并檢測，如此循環(huán)直至檢測完整個(gè)器件，其路徑示意圖如圖2 所示。

圖2 x 雙向采集路徑

其特點(diǎn)在于：

（1）由于其采用的是雙向均采樣的方式，因而理論上其效率是路徑1 的2 倍。同時(shí)，由于其采用的是完全x 向移動(dòng)，其對(duì)器件內(nèi)部的采樣點(diǎn)分布是均勻的矩陣分布，因此采樣的失真情況也較低；

（2）由于采用雙向檢測，對(duì)器件的每個(gè)掃描行的運(yùn)動(dòng)過程（探頭的運(yùn)動(dòng)速度曲線）左右不一致，因而其采集出的超聲波數(shù)據(jù)存在因電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)速度曲線不同而造成的差異。

（3）采用雙向檢測，運(yùn)動(dòng)的方向會(huì)把探頭與器件表面不垂直造成的超聲回波接收不同的情況體現(xiàn)出來，造成圖像出現(xiàn)一行明亮一行暗的情況。

1.3 x 雙向與y 插補(bǔ)采集路徑

掃描路徑2 存在一個(gè)明顯的問題就是x 向每來回運(yùn)動(dòng)一次，y 向也會(huì)有兩個(gè)步進(jìn)，而在這兩個(gè)步進(jìn)的時(shí)間里，是無法對(duì)器件進(jìn)行檢測的。因此存在掃描效率上的損失。為了解決這個(gè)問題，效率更高的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)掃描路徑被提出。

其掃描路徑為，探頭沿x 向從器件左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，y 向電機(jī)也同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)y 向步進(jìn)動(dòng)作，二者插補(bǔ)形成一條從左上斜向右下的直線，在運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)器件發(fā)射超聲波信號(hào)，并每隔一定距離進(jìn)行超聲波回波采樣，到達(dá)右側(cè)后，二者反向行走一條從右上斜向左下的直線。如此循環(huán)直至檢測完整個(gè)器件，其路徑示意圖如圖3 所示。

圖3 x 雙向與y 插補(bǔ)采集路徑

其特點(diǎn)在于：

(1)由于其采用的是插補(bǔ)的方式，掃描過程中去掉了y 向運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因而其效率有所提高。

(2)由于其采用的是xy 向插補(bǔ)移動(dòng)，其對(duì)器件內(nèi)部的采樣點(diǎn)分布是不均勻的，因此采樣存在失真的情況，尤其是器件內(nèi)部的斜向特征會(huì)出現(xiàn)明顯的鋸齒狀。見圖4。

圖4 非插補(bǔ)（左側(cè)）與插補(bǔ)掃描（右側(cè)）效果對(duì)比

（3）由于采用雙向檢測，因而其采集出的超聲波數(shù)據(jù)存在因電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)速度曲線不同而造成差異。

（4）采用雙向檢測，會(huì)因探頭不垂直而出現(xiàn)圖像一行明亮一行暗的情況。

1.4 x 雙向y 自由采集路徑

掃描路徑3 存在一個(gè)明顯的問題就是xy 的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)造成了超聲回波采樣點(diǎn)的不均勻分布，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)器件內(nèi)部的斜向特征鋸齒化，使檢測精度降低。為了解決這個(gè)問題，xy 同時(shí)運(yùn)動(dòng)但是非插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)路徑被提出。

其掃描路徑為，探頭沿x 向從器件左側(cè)向右側(cè)移動(dòng)，y 向電機(jī)也同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)y 向步進(jìn)動(dòng)作，但是二者各自獨(dú)立運(yùn)行，由于y 向電機(jī)的移動(dòng)距離小，因此在運(yùn)動(dòng)的起始階段，二者共同走出一圓弧曲線，而整個(gè)行程的后半程y 向停止運(yùn)動(dòng)，只有x 軸運(yùn)動(dòng)，因而后半程為一條橫線。如此循環(huán)直至檢測完整個(gè)器件，其路徑示意圖如圖5所示。

其特點(diǎn)在于：

圖5 x 雙向y 自由采集路徑

(1)由于其采用的是xy 向同時(shí)運(yùn)動(dòng)的方式，掃描過程中去掉了y 向運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因而其效率較高。

(2)由于其采用的是非插補(bǔ)方式，整個(gè)掃描范圍內(nèi)，中心區(qū)域的采樣點(diǎn)是均勻分布的，因而器件內(nèi)部中心區(qū)域的斜線特征不會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀，只有邊緣部分的斜向特征會(huì)出現(xiàn)鋸齒化。

(3)由于采用雙向檢測，因而其采集出的超聲波數(shù)據(jù)存在因電機(jī)左右運(yùn)動(dòng)速度曲線不同而造成的差異。

采用雙向檢測，會(huì)因探頭不垂直而造成圖像出現(xiàn)一行明亮一行暗的情況。

圖6 是器件內(nèi)部斜向特征的4 種路徑掃描示意。

圖6 斜向特征示意圖

2 結(jié)束語

通過上述分析研究，我們可以看到，不同的掃描路徑會(huì)影響到最終的圖像效果，同時(shí)每種路徑的效率也不盡相同。我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的具體使用狀況，合理選擇掃描路徑，以達(dá)到最佳的效果和效率。