ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 10, с. 1425-1431
УДК 534-8
МЕТОДЫ ИМПУЛЬСНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ДИАГНОСТИКЕ
© 2015 г. Ю. С. Петронюк1, Е. С. Мороков1, В. М. Левин2
E-mail: jps7@mail.ru
Выполнен краткий обзор методов импульсной акустической микроскопии. Обсуждены задачи и возможности неразрушающего ультразвукового контроля высокого разрешения. Показано, что методы импульсной акустической микроскопии могут применяться для контроля целостности многослойных конструкций и ответственных механических узлов. Микронное разрешение акустических изображений достигается благодаря фокусировке зондирующего ультразвукового пучка (50—100 МГц). Приведены оригинальные результаты, полученные в рамках совместных работ с разработчиками 3^-микроэлектроники и технологами по производству турбинных лопаток.
DOI: 10.7868/S0367676515100221
ВВЕДЕНИЕ
Идея применения импульсных методов в ультразвуковой визуализации высокого разрешения предложена достаточно давно [1—3]. Импульсная акустическая микроскопия — уникальный метод исследования упругих свойств биологических клеток и тканей, различных образцов современных материалов и решения задач технической диагностики, требующей высокого разрешения. Длительное время в ультразвуковом неразрушаю-щем контроле использовался диапазон рабочих частот до 10—15 МГц, что обеспечивало необходимую глубину проникновения зондирующего пучка и миллиметровое разрешение. Системы акустической визуализации с микронным разрешением (акустические микроскопы, С-сканеры) создавали и использовали, в основном в исследовательских целях. С ростом требований к допустимым дефектам в промышленной диагностике ситуация стала меняться. Яркий пример — лопатки реактивных самолетов: с ростом мощности двигателя возрастают термические и механические нагрузки, требуются все более сложные конструкции и новые жаропрочные материалы. В этой связи разрабатывают методы ультразвукового контроля высокого разрешения для визуализации всевозможных контактных соединений, мест сварки и контроля целостности прежде всего миниатюрных и ответственных деталей машин, требующих периодического контроля и определения остаточного рабочего ресурса.
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Научно-технологический центр уникального приборостроения" Российской академии наук, Москва.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля" Российской академии наук, Москва.
На сегодняшний день наибольший интерес специалистов вызывает применение методов импульсной акустической микроскопии для контроля целостности микросхем в микроэлектронике и контроля целостности лопаток реактивных двигателей. В обоих случаях имеются внутренние элементы конструкции — сварные швы и теплоотво-дящие элементы, которые обеспечивают рабочие характеристики и срок службы изделий. При этом контроль стандартными ультразвуковыми дефектоскопами затруднен из-за их низкой разрешающей способности и отсутствия режимов объемной визуализации.
При производстве микроэлектронных компонент два вида дефектов оказываются критическими: дефекты в электрическом соединении и механические дефекты укладки кристалла, сборки и упаковки. В первом случае дефекты обнаруживаются посредством специальных электрических тестов. Во втором дефекты не могут быть найдены электрически; они появляются через какое-то время эксплуатации модуля; поэтому такие дефекты называют "скрытыми". Импульсная акустическая микроскопия применяется для выявления скрытых дефектов [4—7].
Для производства турбин создают новые жаропрочные материалы, разрабатывают различные системы охлаждения двигателей, в том числе охлаждение отдельных деталей, например лопаток турбины. Современная конструкция лопатки предполагает наличие внутренних каналов охлаждения. Каналы в теле лопатки могут быть сформированы с помощью кварцевых стержней, которые затем растворяют плавиковой кислотой, что довольно сложная и небезопасная процедура. В случае, когда конструкция лопатки составная, технология изготовления содер-
жит этапы диффузионной сварки. Металлические пластины точно заданной геометрии, соединяются ребрами жесткости, между которыми располагают каналы охлаждения. От качества соединения пластин зависит прочность готового изделия, и дальнейшая его эксплуатация требует соответствующих методов неразрушающего контроля. Для импульсной акустической микроскопии такая задача оказывается решаемой, несмотря на сложную геометрию изделия.
МЕТОДЫ ИМПУЛЬСНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ
В импульсной акустической микроскопии зондирующий пучок высокочастотного ультразвука (50 МГц—1 ГГц) фокусируется акустической линзой в иммерсионной жидкости, и, достигнув объекта, отражается, преломляется и принимается той же линзой [8]. Принятый акустический сигнал запоминается в виде осциллограммы последовательных эхоимпульсов, расстояние между которыми соответствует времени распространения звука в объекте. Угловая апертура акустического пучка определяет состав возбуждаемых акустических мод в объекте — поверхностных и объемных. Измеряя интервалы между эхоимпульсами, при известном расстоянии между границами объекта, определяют скорость звука в нем. Такой подход применяется при изучении механических свойств современных материалов [9—13]. Кроме того, запоминая акустический эхосигнал в процессе поточечного сканирования в фокальной плоскости, можно осуществлять акустическую визуализацию объекта. Зависимость амплитуды эхоимпульсов от соотношения акустических импедансов на микроскопических границах внутри объекта, а также от геометрии этих границ и положения фокуса относительно отображаемой плоскости является основой для формирования контраста акустических изображений, которые формируются в виде поперечных сечений (й-сканов) или двумерных изображений слоев на различной глубине (С-сканов).
Методы импульсной акустической микроскопии находят применение в промышленном нераз-рушающем контроле в дополнение к рентгеновским методам [14—18]. Для области прикладных задач используют системы акустической визуализации с узкой апертурой и минимальной длительностью ультразвукового импульса. В этом случае зондирующий пучок эффективнее проникает в объем изучаемого объекта и достигается высокое разрешение по глубине.
Пространственная структура зондирующего пучка задается угловой апертурой 9т (половина угла раскрытия линзы) и характеризуется диаметром йР и длиной ЬР фокальной перетяжки. Диа-
метр фокального пятна определяет латеральное разрешение системы акустического видения в соответствии с критерием Рэлея [19]:
йр =
0.61Х
(1)
эт 0т
где X — длина волны зондирующего звука в им мерсионной жидкости. Длина ЬР фокальной об ласти определяет глубину резкости при фиксиро ванном положении акустической линзы над объ ектом:
Ьр =
2 X
(1 - соэ0т)
(2)
Из соотношений (1) и (2) следует, что с увеличением угловой апертуры 9т и ростом частоты зондирующего излучения f ~ 1/Х уменьшается диаметр йР ультразвукового фокуса, т.е. повышается латеральное разрешение; но одновременно уменьшается длина Ьр фокальной перетяжки, т.е. уменьшается глубина проникновения зондирующего излучения в объект. Угловая апертура 9т = 8°—20° не содержит критических углов, обеспечивает хорошее латеральное разрешение ~(2—3)Х и значительную длину фокуса ~(35—150)Х. Так, например, на частоте 25—50 МГц можно получить изображение на глубине до 1—2 см в зависимости от структуры и свойств объекта исследования [20].
Главное достоинство метода — возможность отображать объемную структуру внутри объекта. Это достигается за счет разделения по времени прихода сигналов с различной глубины так называемым эхоимпульсным методом [21]. Чувствительность метода определяется длительностью акустического импульса. Например, импульс длительностью в один или два периода при рабочей частоте 50 МГц позволяет отображать границу раздела между двумя композитными слоями углепластика или стеклоткани толщиной 120 мкм [22, 23].
В сканирующем акустическом микроскопе используется растровый принцип формирования изображения. Характеристики принимаемого эхосигнала измеряют и запоминают вместе с координатой точки, в которой проводили измерение. Взаимное положение излучателя и образца меняется за счет механического сканирования, и процесс повторяется от точки к точке. Собранный массив данных отображается на дисплее микроскопа в виде акустического изображения. Вариации параметров сигнала — амплитуды, фазы, времени задержки сигнала, связанные с локальными значениями акустических параметров объекта (плотностью, упругостью, вязкостью) и его геометрией, — определяют структуру и контраст акустического изображения. В отражательной акустической микроскопии используются
Рис. 1. Осциллограмма эхо-сигнала (4-скан) для отдельной пластинки кремния (а) и для структуры из двух пластин с контактным слоем между ними (б). В — отражение от поверхности, Ь, Т, ЬТ, 2Ь, 2ЬТ, 3Ь — отражения от дна верхней пластины образца, обусловленные комбинированным распространением продольных и поперечных упругих волн. Скобкой обозначена зона, относящаяся к контактному слою (Ь').
Рис. 2. Акустическое изображение поперечного сечения образца многослойного микроэлектронного модуля: а — изображение контактной области между кремниевыми пластинками (С-скан), б — поперечное сечение (В-скан). Д1 — трещина в кристалле, Д2 — отслоение внутри контактного слоя. Распределение по-лиимидной сетки внутри контактного слоя наблюдается в виде искривленной эхо-линии на В-скане.
несколько режимов вывода данных на экран, основные из них: А-, В- и С-скан (рис. 1—4).
А-скан представляет собой эхограмму акустических импульсов, полученных в результате отражения фокусированного пучка от объекта. Как правило, наблюдается сигнал от поверхности образца и дна. Поскольку пространственный спектр акустического пучка содержит наклонные компоненты, в образце возбуждаются продольно и поперечно поляризованные акустические волны. На рис. 1а представлен А-скан для плоскопараллельной тонкой кремниевой пластинки толщиной 690 мкм. На эхограмме на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.