超声无损检测设备如何检测芯片电路板？

超声无损检测（Ultrasonic Non-Destructive Testing, UNDT）在芯片电路板检测中主要用于识别内部缺陷（如分层、空洞、裂纹、焊点不良等），其原理是通过高频超声波在材料中的传播特性分析结构完整性。以下是具体的技术流程和方法：

1. 检测原理与适用性

• 原理：
  超声波（通常频率为 10-100 MHz）在材料中传播时，遇到缺陷（如空洞、分层）会反射或散射，通过接收回波信号的时间和幅度变化定位缺陷。

• 适用场景：

• 芯片封装内部的分层（Delamination）

• PCB板层间结合不良

• BGA焊点（球栅阵列）的空洞或虚焊

• 微裂纹（如陶瓷基板或硅片裂纹）

2. 关键设备与技术选择

(1) 超声探头

• 高频探头：

• 频率选择：30-100 MHz（检测微米级缺陷），如聚焦探头（提高分辨率）。

• 类型：接触式（需耦合剂）或非接触式（空气耦合超声，避免接触损伤）。

• 相控阵超声（PAUT）：

• 多阵元探头动态聚焦，适用于复杂结构的芯片电路板扫描。

(2) 耦合剂

• 低粘度耦合剂：如水基凝胶或硅油（避免腐蚀电路板）。

• 干耦合技术：使用软膜（如聚酰亚胺薄膜）或空气耦合（非接触式）。

(3) 信号处理系统

• 高采样率（≥200 MHz ADC）以捕捉高频信号细节。

• 时域/频域分析：通过回波时间（TOF）计算缺陷深度，频谱分析识别微小异常。

• C扫描成像：二维/三维图像显示缺陷分布（如分层区域）。

3. 检测步骤

(1) 样品准备

• 清洁电路板表面，去除灰尘或氧化物（避免信号干扰）。

• 标记检测区域（如BGA焊点、芯片封装边缘）。

(2) 校准与参数设置

• 参考标样：使用无缺陷的同类电路板或含人工缺陷（如微孔）的标样校准灵敏度。

• 声速标定：根据材料（如FR-4、铜、硅）设定声速参数（例如环氧树脂声速约 2700 m/s）。

(3) 扫描与数据采集

• 接触式扫描：探头沿电路板表面移动，耦合剂确保声波传递。

• 非接触式扫描（空气耦合超声）：适用于敏感元件，但需更高增益补偿空气衰减。

• 相控阵聚焦：动态调整声束角度，检测多层结构（如PCB内层）。

(4) 缺陷分析与判读

• A扫描：通过回波幅度和飞行时间定位缺陷（如分层回波位于界面处）。

• C扫描成像：生成颜色编码图像，红色区域表示高反射（缺陷）。

• BGA焊点检测：通过焊点回波强度判断空洞率（例如回波幅度低于阈值视为缺陷）。

• 

•                                                          谛通超声扫描显微镜
  

4. 典型应用案例

(1) 芯片封装分层检测

• 目标：检测芯片与基板之间的粘接失效。

• 方法：高频探头（50 MHz）垂直入射，分层区域显示为高反射信号。

• 灵敏度：可检测 >5 μm 的分层缺陷。

(2) PCB内层裂纹检测

• 目标：识别因热应力导致的内层铜箔裂纹。

• 方法：相控阵超声斜入射，通过横波（剪切波）检测裂纹反射。

• 分辨率：可识别 10-20 μm 的微裂纹。

(3) BGA焊点空洞检测

• 目标：评估焊点内部空洞率（影响导电性）。

• 方法：高频聚焦探头（80 MHz）扫描焊点，通过回波幅度量化空洞大小。

• 标准：空洞率 >25% 通常视为不合格。

5. 技术挑战与解决方案

• 高密度元件干扰：

• 挑战：邻近焊点或线路导致信号串扰。

• 方案：使用聚焦探头或时间门控（Time Gating）隔离目标区域信号。

• 多层材料声阻抗差异：

• 挑战：不同材料（铜、FR-4、硅）声速差异导致信号失真。

• 方案：分层建模（如有限元仿真）优化声束路径。

• 表面粗糙度影响：

• 挑战：粗糙表面导致声波散射。

• 方案：使用软膜耦合或信号平均技术（多次扫描降噪）。

6. 与其他技术的对比

7. 注意事项

• 探头压力控制：避免过大压力损坏脆性元件（如陶瓷电容）。

• 温度影响：高温可能改变材料声速，需动态校准（如在线检测）。

• 数据判读经验：需结合工艺知识区分真实缺陷与伪影（如气泡与分层）。

通过超声无损检测技术，可高效、精准地评估芯片电路板内部结构完整性，适用于电子制造、航空航天、汽车电子等领域的关键质量控制。实际应用中需根据具体需求选择探头频率、耦合方式和成像模式。