超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)

黎安兵+朱永曉

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，該校準(zhǔn)方法以超聲顯微檢測(cè)系統(tǒng)為校準(zhǔn)背景，在介紹了該系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，闡述了超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)超聲換能器、組合系統(tǒng)性能、空間掃描測(cè)量系統(tǒng)、分辨力特性等參數(shù)的校準(zhǔn)方法，并分析了其校準(zhǔn)設(shè)備不確定度來(lái)源。

關(guān)鍵詞：超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)；分辨力特性；校準(zhǔn)方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.136

1 引言

在電子產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，塑膠封裝器件在裝配前是否存在內(nèi)部缺陷是個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。在半導(dǎo)體產(chǎn)品中裂紋、分層和氣孔等在正常使用過(guò)程中會(huì)擴(kuò)漲或局部腐蝕可能會(huì)進(jìn)一步引起內(nèi)部斷線這些內(nèi)部缺陷往往會(huì)產(chǎn)生可靠性問(wèn)題導(dǎo)致電子產(chǎn)品的失效。利用超聲波進(jìn)行電子產(chǎn)品的檢測(cè)高頻聲波進(jìn)入被測(cè)物體中以獲取關(guān)于物體的信息而不會(huì)以壞性的即使沒(méi)有找到結(jié)論性的證據(jù)也不會(huì)對(duì)進(jìn)一步的失效分析操作造成負(fù)面影響。該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性起到了重要作用，因此對(duì)超聲顯微檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行可靠的計(jì)量測(cè)試和綜合校準(zhǔn)是至關(guān)重要的。

基于超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)工作原理，本文設(shè)計(jì)一種超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，并給出了校準(zhǔn)裝置的不確定度來(lái)源。

2 系統(tǒng)工作原理

超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)采用脈沖回波技術(shù)工作，由特定的聲學(xué)組件發(fā)射和接受高重復(fù)率的短超聲脈沖，發(fā)射脈沖聲波與被測(cè)樣品發(fā)生相互作用后，反射波被接收并轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)。利用掃描機(jī)構(gòu)在樣品上方來(lái)回做掃描運(yùn)動(dòng)，從而形成一幅聲學(xué)圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的超聲掃描檢測(cè)。

超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和水槽、超聲波探頭、超聲發(fā)射接收器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、圖像顯示裝置等設(shè)備組成。

3 超聲顯微檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)方法

本文以超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，開(kāi)展檢測(cè)系統(tǒng)超聲換能器、組合系統(tǒng)性能、空間掃描測(cè)量系統(tǒng)及分辨力特性的校準(zhǔn)方法等參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究，從而整體評(píng)價(jià)超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)的性能。下面對(duì)各校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行分別闡述。

3.1 超聲換能器的校準(zhǔn)

本文采用高頻信號(hào)發(fā)生器、超聲換能器、頻譜分析儀、示波器等設(shè)備進(jìn)行超聲換能器的校準(zhǔn)，通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)示值與超聲換能器標(biāo)稱示值，完成超聲換能器的校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)超聲換能器脈沖頻率、發(fā)射強(qiáng)度、阻抗和增益的設(shè)置要求，設(shè)置超聲顯微檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器的相應(yīng)參數(shù)，采用高頻信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)被校超聲換能器，移動(dòng)超聲換能器找到來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)試塊回波信號(hào)的最大幅度，在示波器上找到首次回波并放大，利用頻譜分析儀，以閘門監(jiān)控反射體回波并確定頻譜，測(cè)得回波振幅下降-6dB的高低頻率，根據(jù)這些高、低頻率fu和f1，按下面公式計(jì)算出中心頻率f0，校準(zhǔn)過(guò)程連續(xù)進(jìn)行3次。取其平均值與標(biāo)稱值之差為其校準(zhǔn)結(jié)果。

3.2 組合系統(tǒng)性能的校準(zhǔn)

本文通過(guò)校準(zhǔn)超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備增益來(lái)實(shí)現(xiàn)組合系統(tǒng)性能的校準(zhǔn)。

首先在標(biāo)準(zhǔn)試塊上定位超聲換能器，獲取標(biāo)準(zhǔn)試塊的反射信號(hào)，將增益控制器調(diào)整至所要求的最低值，使標(biāo)準(zhǔn)衰減器有足夠的衰減量覆蓋增益控制器的最大調(diào)整量，在檢測(cè)系統(tǒng)顯示屏上顯示穩(wěn)定回波信號(hào)，使該信號(hào)達(dá)到全屏幅度的80%，并記錄超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)增益控制器的數(shù)值，然后調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)衰減器衰減量，同時(shí)讀出增益控制器衰減量，將實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備增益的校準(zhǔn)。

3.3 空間掃描測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法

本文采用激光干涉儀對(duì)空間掃描測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，首先使空間掃描測(cè)量系統(tǒng)在位移測(cè)量范圍輸出位移，利用激光干涉儀進(jìn)行位移數(shù)據(jù)采集，對(duì)空間掃描測(cè)量系統(tǒng)三個(gè)方向分別進(jìn)行校準(zhǔn)。各點(diǎn)位移測(cè)量誤差按下列公式進(jìn)行計(jì)算。

3.4 分辨力特性校準(zhǔn)方法

本文采用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行分辨力特性的校準(zhǔn)，首先在標(biāo)準(zhǔn)試塊的上方定位超聲換能器，根據(jù)超聲換能器的特性參數(shù)調(diào)節(jié)好與標(biāo)準(zhǔn)試塊的距離，并確保試塊在顯示區(qū)域內(nèi)，調(diào)節(jié)超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)，使標(biāo)準(zhǔn)試塊在屏幕上清晰成像，然后采用直線線性標(biāo)定方法對(duì)掃描圖像進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定試塊為10mm標(biāo)準(zhǔn)試塊，在X向和Y向兩個(gè)方向進(jìn)行標(biāo)定，利用系統(tǒng)在圖像上依次選擇不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行幾何尺寸測(cè)量，通過(guò)超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)讀取幾何尺寸，對(duì)讀取的一系列幾何尺寸值與標(biāo)準(zhǔn)試塊的標(biāo)稱尺寸進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)幾何尺寸測(cè)量性能的校準(zhǔn)。

4 不確定度來(lái)源分析

本文進(jìn)行超聲掃描顯微檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置主要包括信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、示波器、標(biāo)準(zhǔn)衰減器、激光干涉儀和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試塊。因此其不確定度來(lái)源主要包括示波器誤差引入的不確定度，頻譜分析儀誤差引入的不確定度，信號(hào)發(fā)生器誤差引入的不確定度，標(biāo)準(zhǔn)衰減器誤差引入的不確定度，激光干涉儀誤差引入的不確定度，標(biāo)準(zhǔn)試塊測(cè)量誤差引入的不確定度，以及各儀器設(shè)備分辨力引入的不確定度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所研究的校準(zhǔn)技術(shù)是評(píng)價(jià)超聲掃描顯微檢測(cè)設(shè)備的綜合性能有效方法，目前已運(yùn)用到超聲掃描顯微檢測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)，并在實(shí)踐中證明了其實(shí)用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 27664.1-2011無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)設(shè)備的性能與試驗(yàn)第1部分：儀器[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版社，2012.

[2]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 27664.2-2011無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)設(shè)備的性能與試驗(yàn)第2部分：探頭[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介：黎安兵（1982-），男，湖南益陽(yáng)人，工程師，主要從事幾何量計(jì)量測(cè)試和校準(zhǔn)技術(shù)研究工作。endprint