超声设备扫描路径研究

周庆亚，付纯鹤，魏 鹏，连军莉

(中国电子科技集团公司第四十五研究所 北京100176)

当超声波在物体中传递时，如果碰到物体的表面、内部的分层、空洞、裂隙、夹杂等被称为不连续界面时，都会对超声波传播造成干扰，形成超声波的散射、反射和部分穿透等情况。我们就可以通过收集反射的超声波来判断被测物体中是否有上述缺陷。

超声波检测的一个重要领域就是对半导体封装器件的检测。半导体器件经过芯片键合、金线键合、塑封等多种工序后，其内部结构肉眼无法直接观测，同时为了保证器件的可用性又不能破坏器件，因此多数采用超声扫描设备对其检测。

超声扫描设备对其检测过程一般是通过对声波调焦，让声波聚焦在被检测物体内部一感兴趣层面，然后通过探头的xy 向运动来实现对整个器件的超声检测，并把超声检测结果转化成图像，供人们使用。

1 扫描路径

超声扫描设备国内外都有生产，国外主要公司有Sonix、KSI 和Sonoscan，国内有中国电子科技集团公司第四十五研究所等，每个公司都有多款设备，而每种设备所采用的扫描路径不尽相同。而这么多种路径均有其各自的特点。笔者在实际的设备开发过程中，从扫描效率效果等角度对各种扫描路径加以研究，确定了其各自的扫描特点。

1.1 x 单向采集路径

其扫描路径为，探头沿x 向从器件左侧向右侧移动，在运动过程中，对器件发射超声波信号，并每隔一定距离进行超声波回波采样，到达右侧后，直接返回左侧，返回过程中不对器件采样，到达左侧后，y 向向下行进一个步距，然后继续向右进行移动并检测，如此循环直至检测完整个器件，其路径示意如图1 所示。

图1 x 向单向采集路径

其特点在于：

(1) 由于其只有在向右侧行进时才对器件进行超声波检测采样，因此该路径的检测效率会比较低；

(2)由于其采样时只有x 向移动，其对器件内部的采样点分布是均匀的矩阵点针排列，因此采样的失真情况也较低；

(3)由于超声波回波信号被接收时，探头也是处在运动状态，因此，探头的运动速度对超声波回波的接收强度存在影响。一般情况是探头移动的速度快，其回波信号接收强度低，反之则高。因此，一般单行图像生成后，或多或少会出现图像左右两侧图像亮度高中间亮度低的情况。采用单向检测，对器件的每个扫描行的运动过程（探头的运动速度曲线）完全一致，因而其采集出的超声波数据不存在因电机左右运动速度曲线不同而造成的差异，因而每行的信号是一致的。

(4)由于探头和器件不可能做到完全垂直，在运动过程中，探头发出的超声波信号再次被探头接收时，存在一个有效接收面积的问题。假设探头向右倾，向右运动时，有效的超声回波接收面积大，向左运动时有效接收面积较小。反映在扫描结果上则会出现图像一行明亮一行发暗的情况。采用单向扫描，探头与器件表面不垂直造成的超声回波接收问题不存在，其接收到的检测信号一致、稳定。

因此在追求检测一致性和检测精度高的场合多采用此种扫描路径。

1.2 x 双向采集路径

此种路径是为了解决路径1 中效率较低而提出。

其扫描路径为，探头沿x 向从器件左侧向右侧移动，在运动过程中，对器件发射超声波信号，并每隔一定距离进行超声波回波采样，到达右侧后，y 向向下行进一个步距，然后x 向从右侧返回左侧，返回过程中同样对器件进行采样，到达左侧后，y 向再次向下行进一个步距，然后继续向右进行移动并检测，如此循环直至检测完整个器件，其路径示意图如图2 所示。

图2 x 双向采集路径

其特点在于：

（1）由于其采用的是双向均采样的方式，因而理论上其效率是路径1 的2 倍。同时，由于其采用的是完全x 向移动，其对器件内部的采样点分布是均匀的矩阵分布，因此采样的失真情况也较低；

（2）由于采用双向检测，对器件的每个扫描行的运动过程（探头的运动速度曲线）左右不一致，因而其采集出的超声波数据存在因电机左右运动速度曲线不同而造成的差异。

（3）采用双向检测，运动的方向会把探头与器件表面不垂直造成的超声回波接收不同的情况体现出来，造成图像出现一行明亮一行暗的情况。

1.3 x 双向与y 插补采集路径

扫描路径2 存在一个明显的问题就是x 向每来回运动一次，y 向也会有两个步进，而在这两个步进的时间里，是无法对器件进行检测的。因此存在扫描效率上的损失。为了解决这个问题，效率更高的插补运动扫描路径被提出。

其扫描路径为，探头沿x 向从器件左侧向右侧移动，y 向电机也同时启动一个y 向步进动作，二者插补形成一条从左上斜向右下的直线，在运动过程中，对器件发射超声波信号，并每隔一定距离进行超声波回波采样，到达右侧后，二者反向行走一条从右上斜向左下的直线。如此循环直至检测完整个器件，其路径示意图如图3 所示。

图3 x 双向与y 插补采集路径

其特点在于：

(1)由于其采用的是插补的方式，扫描过程中去掉了y 向运动时间，因而其效率有所提高。

(2)由于其采用的是xy 向插补移动，其对器件内部的采样点分布是不均匀的，因此采样存在失真的情况，尤其是器件内部的斜向特征会出现明显的锯齿状。见图4。

图4 非插补（左侧）与插补扫描（右侧）效果对比

（3）由于采用双向检测，因而其采集出的超声波数据存在因电机左右运动速度曲线不同而造成差异。

（4）采用双向检测，会因探头不垂直而出现图像一行明亮一行暗的情况。

1.4 x 双向y 自由采集路径

扫描路径3 存在一个明显的问题就是xy 的插补运动造成了超声回波采样点的不均匀分布，进而导致整个器件内部的斜向特征锯齿化，使检测精度降低。为了解决这个问题，xy 同时运动但是非插补的运动路径被提出。

其扫描路径为，探头沿x 向从器件左侧向右侧移动，y 向电机也同时启动一个y 向步进动作，但是二者各自独立运行，由于y 向电机的移动距离小，因此在运动的起始阶段，二者共同走出一圆弧曲线，而整个行程的后半程y 向停止运动，只有x 轴运动，因而后半程为一条横线。如此循环直至检测完整个器件，其路径示意图如图5所示。

其特点在于：

图5 x 双向y 自由采集路径

(1)由于其采用的是xy 向同时运动的方式，扫描过程中去掉了y 向运动时间，因而其效率较高。

(2)由于其采用的是非插补方式，整个扫描范围内，中心区域的采样点是均匀分布的，因而器件内部中心区域的斜线特征不会出现锯齿状，只有边缘部分的斜向特征会出现锯齿化。

(3)由于采用双向检测，因而其采集出的超声波数据存在因电机左右运动速度曲线不同而造成的差异。

采用双向检测，会因探头不垂直而造成图像出现一行明亮一行暗的情况。

图6 是器件内部斜向特征的4 种路径扫描示意。

图6 斜向特征示意图

2 结束语

通过上述分析研究，我们可以看到，不同的扫描路径会影响到最终的图像效果，同时每种路径的效率也不尽相同。我们应当根据现实中的具体使用状况，合理选择扫描路径，以达到最佳的效果和效率。