无损检测——超声波探伤设备

无损检测技术（NDT）一直是工业领域分析材料特性、评判工艺质量的重要检测技术。无损检测指在检查材料内部不损害或不影响被检测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化。如采用射线、超声、红外、电磁等原理技术结合仪器对材料、零件进行缺陷的类型、数量、形状、性质、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。目前在重工业、冶金业、航空航天、高端制造业等领域发挥着重要作用。今天我们讨论一下超声探伤设备的原理及其特性。

超声波探伤仪的种类繁多；按频率可划分为低频(<5MHZ)、中频(5-20MHZ)、高频(>50MHZ) 的超声波各类无损检测设备。但在实际的探伤过程，传统低频脉冲反射式超声波探伤仪应用的为广泛。大约占据超声探伤70%的应用市场。常见于金属结构件的探伤、焊缝检测。一般在均匀的材料中，由于缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

超声A扫描波形图

目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。我们可以根据A扫波形变化对工件内部缺陷进行判定。其优点是低频超声波穿透性更强，可检测较厚的工件，检测方便，适用环境广泛。缺点是检测分辨率低，检测效果不直观，无法对缺陷定性定量分析，需要专业人员依赖经验进行缺陷判定。而超声波检测技术也向着高频率、高精度、可视化、全自动、数字化方向发展。

目前超声波探伤设备“集大成者”，超声扫描显微镜（C-SAM）便是其中的代表，其最大的特点可以类似CT一样对工件内部结合面进行层析扫描成像。

超声波扫描显微镜扫描成像技术是基于A型超声波信号图像化处理发展而来的，适用频率更高，检测分辨率较高，一般采用点聚焦高频（5MHZ-500MHZ）超声换能器作为声信号与电信号的分析处理。最常用的就是超声波C扫描模式检测。超声波C扫描检测是通过计算机控制机械运控扫查系统带动超声换能器的运动，对工件进行自动化的路径扫描成像。

将工件内部特定深度范围内的反射波幅、深度、超声信号等信息反馈给计算机进行数据处理，将信号处理为灰度或者伪彩图，进而反应出工件内部结合面的超声波影像。较为直观的观测分析出工件内部的缺陷情况。

目前超声扫描显微镜在工业领域应用愈加广泛，特别是近几年我国半导体、新材料、航空航天、新能源汽车领域的蓬勃发展，对超声扫描显微镜的需求也越来越大。由于我国超声扫描显微镜技术起步较晚，在十几年前国内高频超声扫描显微镜成像设备一直被国外品牌所垄断。上海Hiwave在2008年开始对此“卡脖子”设备技术进行攻关，并于2012年原理试验机研发成功。随后推出市场化标准机S100，在低压电器电接触材料焊接质量检测方面获得业内高度认可，设备市场占有率第一。经过数十年的发展，和伍自研的超声扫描显微镜设备已经进入了半导体、新能源汽车、复合材料、航空航天等领域等各个领域。典型工件有wafer晶圆键合检测、SOP、QFN系列芯片、锂电池、PCD金刚石复合片、水冷板、IGBT模块，陶瓷基板，碳纤维复合材料等工件的内部缺陷检测。获得了如华为、比亚迪等头部企业的高度评价。