Microscopio acústico de barrido

Un microscopio acústico de barrido (SAM) es un dispositivo que utiliza un sonido enfocado para investigar, medir o generar imágenes de un objeto (un proceso llamado tomografía acústica de barrido). Se utiliza comúnmente en el análisis de fallas y la evaluación no destructiva. También tiene aplicaciones en la investigación biológica y médica. La industria de semiconductores ha descubierto que el SAM es útil para detectar huecos, grietas y delaminaciones dentro de los paquetes microelectrónicos.

El primer microscopio acústico de barrido (SAM), con una lente ultrasónica de 50 MHz, fue desarrollado en 1974 por R. A. Lemons y C. F. Quate en el Laboratorio de Microondas de la Universidad de Stanford. Unos años más tarde, en 1980, el primer SAM de transmisión directa de alta resolución (con una frecuencia de hasta 500 MHz) fue construido por R. Gr. Maev y sus estudiantes en su Laboratorio de Introscopia Biofísica de la Academia Rusa de Ciencias. El primer SAM comercial ELSAM, con un amplio rango de frecuencia de 100 MHz a 1,8 GHz, fue construido en Ernst Leitz GmbH por el grupo dirigido por Martin Hoppe y sus consultores Abdullah Atalar (Universidad de Stanford), Roman Maev (Academia Rusa de Ciencias) y Andrew Briggs (Universidad de Oxford).

Desde entonces, se han realizado muchas mejoras a dichos sistemas para aumentar la resolución y la precisión. La mayoría de ellas se describieron en detalle en la monografía Advanced in Acoustic Microscopy, editada por Andrew Briggs, 1992, Oxford University Press y en la monografía de Roman Maev, Acoustic Microscopy Fundamentals and Applications, monografía, Wiley & Son - VCH, 291 páginas, agosto de 2008, así como recientemente en.

Existen muchos métodos para el análisis de fallas en paquetes microelectrónicos, incluidos el desencapsulado láser, el desencapsulado por grabado húmedo, la microscopía óptica, la microscopía SEM y los rayos X. El problema con la mayoría de estos métodos es el hecho de que son destructivos. Esto significa que es posible que el daño se produzca durante la preparación. Además, la mayoría de estos métodos destructivos requieren una preparación de muestras que requiere mucho tiempo y es complicada. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, es importante estudiar los daños con una técnica no destructiva. Y a diferencia de otras técnicas no destructivas como los rayos X, el CSAM es muy sensible a las propiedades elásticas de los materiales que atraviesa. Por ejemplo, el CSAM es muy sensible a la presencia de delaminaciones y espacios de aire en espesores submicrónicos, por lo que es particularmente útil para la inspección de dispositivos pequeños y complejos.

La técnica hace uso de la gran profundidad de penetración de las ondas acústicas para obtener imágenes de la estructura interna de la muestra. Por lo tanto, en la microscopía acústica de barrido, se procesan las ondas acústicas reflejadas o transmitidas para analizar las características internas. Cuando la onda acústica se propaga a través de la muestra, puede dispersarse, absorberse o reflejarse en las interfaces de los medios. Por lo tanto, la técnica registra el eco generado por el contraste de impedancia acústica (Z) entre dos materiales. La microscopía acústica de barrido funciona dirigiendo el sonido enfocado desde un transductor a un punto pequeño en un objeto objetivo. El sonido que incide en el objeto se dispersa, se absorbe, se refleja (se dispersa a 180°) o se transmite (se dispersa a 0°). Es posible detectar los pulsos dispersos que viajan en una dirección particular. Un pulso detectado informa de la presencia de un límite u objeto. El "tiempo de vuelo" del pulso se define como el tiempo que tarda en ser emitido por una fuente acústica, dispersado por un objeto y recibido por el detector, que suele coincidir con la fuente. El tiempo de vuelo se puede utilizar para determinar la distancia de la inhomogeneidad desde la fuente, si se conoce la velocidad a través del medio.

En función de la medición, se asigna un valor a la ubicación investigada. El transductor (u objeto) se mueve ligeramente y luego se vuelve a sonorizar. Este proceso se repite de forma sistemática hasta que se ha investigado toda la región de interés. A menudo, los valores de cada punto se reúnen en una imagen del objeto. El contraste que se ve en la imagen se basa en la geometría del objeto o en la composición del material. La resolución de la imagen está limitada por la resolución física del escaneo o por el ancho del haz de sonido (que a su vez está determinado por la frecuencia del sonido).

Hay distintos tipos de modos de análisis disponibles en el SAM de alta definición. Los tres modos principales son el A-scan, el B-scan y el C-scan. Cada uno proporciona información diferente sobre la integridad de la estructura de la muestra.

El A-scan es la amplitud de la señal de eco sobre el tiempo de vuelo. El transductor está montado en el eje z del SAM. Puede enfocarse hacia una capa objetivo específica ubicada en un área de difícil acceso cambiando la posición z con respecto a la muestra bajo prueba que está fijada mecánicamente.

El B-scan proporciona una sección transversal vertical de la muestra con visualización de la información de profundidad. Es una característica muy útil cuando se trata de detectar daños en la sección transversal.

El C-scan es un modo de escaneo de uso común que brinda imágenes 2D (cortes) de una capa objetivo a una profundidad específica en las muestras; es posible obtener múltiples capas equidistantes mediante el modo X-scan.

Las imágenes en 2D o 3D de la estructura interna se obtienen mediante el método de reflexión de pulsos, en el que la falta de coincidencia de impedancia entre dos materiales provoca una reflexión del haz ultrasónico. La inversión de fase de la señal reflejada puede permitir la discriminación de la delaminación (impedancia acústica casi nula) de inclusiones y partículas, pero no de burbujas de aire, que muestran el mismo comportamiento de impedancia que la delaminación.

Cuanto mayor sea el desajuste de impedancia en la interfaz, mayor será la intensidad de la señal reflejada (más brillo en la imagen 2D), que se mide mediante la amplitud del eco. En el caso de una interfaz con aire (Z = 0), se produce una reflexión total de la onda ultrasónica; por lo tanto, el SAM es muy sensible a cualquier aire atrapado en la muestra bajo prueba.

Para mejorar la inserción de la onda acústica en la muestra, tanto el transductor acústico como la muestra se sumergen en un medio de acoplamiento, normalmente agua, para evitar la alta reflexión en las interfaces del aire.

En el modo de onda pulsada, se utiliza una lente con buenas propiedades de enfoque sobre un eje para enfocar las ondas ultrasónicas sobre un punto de la muestra y recibir las ondas reflejadas de vuelta desde el punto, normalmente en menos de 100 ns. El haz acústico se puede enfocar en un punto suficientemente pequeño a una profundidad de hasta 2-3 mm para resolver grietas interlaminares típicas y otras geometrías de grietas críticas. Los ecos recibidos se analizan y almacenan para cada punto para construir una imagen de toda el área escaneada. La señal reflejada se monitorea y se envía a una pantalla sincrónica para desarrollar una imagen completa, como en un microscopio electrónico de barrido.

- Control rápido de producción - Normas: IPC A610, Mil-Std883, J-Std-035, Esa, etc - Clasificación de piezas - Inspección de pads de soldadura, flip-chip, underfill, die-attach - Sellado de juntas - Uniones soldadas y brazed - Calificación y selección rápida de colas, adhesivos, análisis comparativos de envejecimiento, etc - Inclusiones, heterogeneidades, porosidades, grietas en material

La SAM puede proporcionar datos sobre la elasticidad de las células y los tejidos, lo que puede dar información útil sobre las fuerzas físicas que mantienen las estructuras en una forma particular y la mecánica de estructuras como el citoesqueleto. Estos estudios son particularmente valiosos para investigar procesos como la motilidad celular.

También se han realizado algunos trabajos para evaluar la profundidad de penetración de partículas inyectadas en la piel mediante inyección sin aguja.

Otra dirección prometedora fue la iniciada por diferentes grupos para diseñar y construir un SAM portátil y manual para diagnósticos subsuperficiales de tejidos blandos y duros, dirección que actualmente se encuentra en proceso de comercialización en la práctica clínica y cosmetológica.

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