SLAM无损检测技术的研究

　　1　引　　言

　　激光扫描声学显微镜(Scanning Laser AcousticMicroscope,简称SLAM)作为一种新型无损检测仪器,其应用领域主要有微电子器件、集成电路、新型材料(电子陶瓷、航空陶瓷、光学材料)及生物医学等[1~4]。

　　工作频率约在10MHz到200MHz范围内,属微波声学范畴的新型仪器。由于SLAM是一种透射式的声波测量仪器,故无损检测过程中,依据被测样品的声学参数选择合适的声波入射角,声波穿过被测样品后能有最大透射,使SLAM获得最佳灵敏度至关重要[5]。本文将在文献[6]的基础上,分析声波在有损耗样品层内的透射规律,求得最佳灵敏度条件下的最佳声波入射角,并从声学成像实验上进行了验证。

　　2　SLAM系统理论基础

　　SLAM系统框图如图1所示。换能器将微波源的电信号转换成声波,经声学室到达水层。在水层中放有被测样品,通过水—样品—水多层媒质后的声波受到样品调制而将样品内部信息传到工作面板的扫描面上,形成动态波纹。用聚焦扫描激光束“读出”,再经刀口解调显示出声像。

　　为了分析图1所示框图中声波在多层媒质内的透射规律,可把声波经过的路径等效为图2所示。假设入射声波为纵波,其入射角为θ1,则经过样品后声透射系数W[6]为:

　　为了考虑样品层内的声学损耗,可令:k2=k’2+jk”2,K2=K’2+jK”2。在损耗较小条件下,k”2/k’2 1,k”2/k’2 1,于是有:

　　根据公式(1),(2)和(3),就可以用数值计算方法计算出声波穿过样品层的透射率|W|2随入射角θ1的响应曲线。透射率最高的点,也即SLAM灵敏度最佳的位置。

　　3　数值计算

　　3·1　选择薄型铝板为被测样品,其厚度h=2·5mm,声波工作频率f=402kHz,纵波波速c2=6417m/s,横波波速b2=3045m/s,声波波长λ2=15·8mm,h/λ2=0·158小于0·5故称为薄板。数值计算求得声波透射率|W|2与入射角θ1的响应曲线如图3所示。

　　3·2　当前利用SLAM无损检测样品时,样品大多属于厚型板,即h/λ2>0·5。例如用于集成电路的典型硅基片,其纵波波速c2=7500m/s,横波波速b2=3600m/s。若声波工作频率为75MHz,声波波长λ2=0·1mm,一般硅基片均在一个毫米左右,即h>λ2/2,故属于厚型样品板。数值计算所得的响应曲线如图4。

　　从数值计算实例的结果分析可知:薄型板条件下的|W|2/θ1响应曲线和参考文献[7]所得的结果基本一致。入射角θ1在0°~纵波临界角θc范围内透射率很低(|W|2 1),全透射现象出现在θ1>θc的某些角度下,如图3所示。图中|W|2<1是考虑样品板内有声损耗的结果。SLAM无损检测的被测样品板大多数是厚板型,如图4所示。在改变入射角过程中,出现许多个|W|2的峰值,而且峰值随着入射角θ1的增加而降低。通过选择入射角,可获得SLAM系统的最佳或较好灵敏度。