Ultraschallmikroskopie / näher betrachtet

Die Besonderheit der akustischen Mikroskopie besteht in der zerstörungsfreien Inspektion von Probenoberflächen und inneren Strukturen, wie etwa von Ingots bei der Herstellung von Wafern und MEMS-Systemen. Dort, wo Infrarot-Mikroskope oder Röntgenmikroskope an ihre Grenzen gelangen, können Ultraschallmikroskope zuverlässig die innere Beschaffenheit selbst opaker Proben darstellen.

Produktinformationen

Informieren Sie sich umfassend über die Möglichkeiten der Ultraschallinspektion, unsere Anlagen, Transducer und Software sowie die spezifischen Anwendungsmöglichkeiten.

  • Vorteile / schonend und präzise

    Während sich der Schall in homogenen Medien geradlinig ausbreitet, zeigt er Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien (z. B. Einschlüsse oder Fehlstellen) durch Reflexion, Streuung oder Absorption der Schallwellen an. Ultraschallwellen können demnach akustische Widerstände (Impedanzen) innerhalb einer Probe und damit Fehler und Unregelmäßigkeiten genau aufzeigen.

    Treffen Ultraschallwellen z.B. auf einen Lufteinschluss innerhalb einer Probe, lässt sich ein sehr heller Kontrast, verbunden mit einer Phasenumkehr feststellen. Auch andere Materialdefekte, wie Mikrorisse, Einschlüsse und Delaminationen können so mit vergleichbarer Auflösung eines Lichtmikroskopes dargestellt werden.

    Akustische Abbildung und Analyse

     

     

  • Arbeitsweise / fokussiert und reflektierend

    Alle Systeme der Analytical Systems GmbH arbeiten mit der Puls-Reflektionsmethode, auch Puls-Echo-Verfahren genannt.

    Das Herzstück unserer Ultraschallmikroskope bildet ein Ultraschallkopf, bestehend aus einer speziellen akustischen Linse (meist ein Saphirkristall in zylindrischer Form) und ein daran angeschlossener Schallwandler (Transducer) — ein piezoelektrischer Kristall, der je nach verwendetem Frequenzbereich aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann.

    Das sich im Transducer befindende piezoelektrische Element wandelt elektrische Signale in Schallwellen um. Diese werden von der nachgeschalteten Linse als akustische Wellen auf das Untersuchungsobjekt fokussiert und gebündelt. Das DI-Wasser dient dabei primär als Koppelmedium, das die Ultraschallwellen zur Probe überträgt. Diese Schallwellen werden von der Probe schließlich wieder zum Schallkopf reflektiert und anschließend von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) und entsprechender Software ausgewertet und als Grauwertbild dargestellt.

  • Datenerhebung / systematisch und punktgenau

    Der Transducer scannt die Probe Zeile um Zeile (rasteratig) auf der XY-Ebene und auf Wunsch – zum Beispiel bei Proben mit Wölbungen oder herausstehenden Elementen – auch in Z-Richtung ab und stellt schließlich die elektromagnetischen Impulse als Pixel mit bestimmten Grauwerten dar.

    Aus den Informationen der einzelnen Pixel ergibt sich ein Bild, das alle erfassten Signale, abbildet. Zunächst erfolgt die Darstellung der Ultraschall-Reflexion an der Probenoberfläche. Ist die Probe intakt, wird das Signal ein zweites Mal wieder an der Rückseite der Probe reflektiert. Die Laufzeitdifferenz der beiden Signale von der Ober- bzw. Unterseite der Probe gibt Auskunft über ihre Dicke. Befindet sich innerhalb der Probe ein Defekt, so kommt es auch an dieser Grenzfläche — zwischen Probe und Defekt — zu einer Schallreflexion.

  • Frequenz & Auflösung / konkurrenzlos und spezifisch

    Die akustische Mikroskopie arbeitet mit Frequenzen bis in den Gigahertzbereich. Dabei gilt grundsätzlich: Je höher die Frequenz, desto größer die erreichbare Auflösung und umso geringer die Eindringtiefe der Schallwellen.

    Weil die Dämpfung in den Kopplungsmedien mit steigender Frequenzzahl quadratisch ansteigt, muss die Linse so nah wie möglich an die zu untersuchende Probe herangebracht werden. Dieser geringe Arbeitsabstand und die Schwierigkeit, hochortsauflösende Transduceranordnungen herzustellen, erfordern eine rasternde Mikroskopie, bei der die Probe Pixel für Pixel untersucht wird.

    Mit der ständigen Weiterentwicklung unserer hochauflösenden Transducer erhöhen wir die Messgenauigkeit. Derzeit verfügen unsere Ultraschallmikroskope über den höchsten Frequenzbereich bis maximal 2000 MHz und ermöglichen eine Auflösung bis 0,5 µm. Dies ist natürlich vom Material und der Dichte der zu untersuchenden Probe abhängig.

    Je nach Arbeitsfrequenz des Ultraschallprüfkopfes lassen sich die nachfolgend dargestellten Abbildungsauflösungen erreichen:

    Frequenzbereiche mit erreichbarer Auflösung und Anwendung

     


  • Scan-Modi / Messungen im Überblick
    • Der A-Scan bietet eine lokale Flugzeitinformation aus der Probe (engl. “time of flight“) — eine zeitabhängig aus dem Bauteil reflektierte Ultraschallwelle. Diese Information digitalisiert den ausgewählten Probenbereich durch ein vorher festgelegtes Daten-Gate. Dieses Daten-Gate für die quantitative Zeit-Distanz-Messung (Echo-Zeit) wird für das Einstellen von elektronischen Zeitfenstern in die Tiefe verwendet. Entsprechend ausgewählte Bereiche werden dann im C-Scan aufgenommen. Ein digitales Oszilloskop auf dem Bildschirm bildet die ankommenden Echos ab. Wenn mehr als ein Zeitfenster platziert wird (X- oder G-Scan), werden mehrere Bilder auf dem Monitor angezeigt.

      A-Scan
      A-Scan Signal mit ausgewähltem Gate (rote Box)
    • Beim B-Scan handelt es sich im Grunde genommen um eine Aneinanderreihung von A-Scans. Sie erzeugen eine tiefenaufgelöste Querschnittsaufnahme des Bauteils in X-Richtung. Das Gate wird dabei über den gesamten Zeitbereich gesetzt, wobei es vom Anwender konfiguriert werden kann. Mit Hilfe der SAMnalysis Software sind weitere Möglichkeiten für die B-Scan-Analyse gegeben.

      B-Scan
      Schnittbild einer IC Probe
    • Hierbei wird das Gate in einer bestimmten Tiefe und Breite gesetzt (gesteuert in WINSAM). Das Abscannen des Bauteils in X- und Y-Richtung erzeugt ein Schichtbild des Bauteils, dessen Breite der des gesetzten Daten-Gates entspricht. Im Fall delaminierter Flächen kann dieser Bereich sofort rot markiert werden (Anzeige der Phasenumkehr).

      C – Scan
      Ebenenabbildung einer IC Probe
      Delaminierte Bereiche sind rot
    • Im X-Scan können mehr als 100 C-Scan-Bilder unterschiedlicher Tiefenbereiche während eines Scanvorgangs in Echtzeit simultan erzeugt und angezeigt werden.

      X-Scan
      Unterschiedliche Tiefeninformation einer
      IC Probe
    • Der Z-Scan-Mode zeichnet dreidimensionale Datensätze (tomographische Informationen) auf und ermöglicht offline-Rekonstruktionen von B-, C-, D-, P-, X-, A- und 3D-Scans sowie Laufzeitmessungen der Bilder mit frei wählbaren Gates. Diese können nachfolgend durch die SAMnalysis- und die WINSAM-Software bearbeitet werden.

      Z-Scan
      Beispiel einer Bildrekonstruktion aus einem Z
      - Scan von einer IC Probe
    • Ein Transducer oberhalb der Probe stößt ein Ultraschallsignal aus, das von einem zweiten Transducer, unterhalb der Probe, detektiert wird. Dieser Scan-Modus liefert dem Nutzer Informationen über die untere Struktur der Probe. Hierbei analysieren beide Transducer gleichzeitig die Probe.

      Through-Scan
      Transmissionsbild einer IC Probe

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