增强成像性能的螺纹透镜超声换能器，可清晰检测芯片缺陷
2026-11-07 14:32:12 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这种螺纹透镜超声换能器可以清晰检测出半导体芯片内部的极细微缺陷，有望推动面向电动汽车、航空航天领域的高可靠半导体质检技术发展。
据麦姆斯咨询报道，近期，由韩国大邱庆北科学技术院Chang Jin Ho教授领导的研究团队开发出一款集成螺纹聚焦透镜的新型超声换能器。该团队在透镜侧壁刻蚀出螺纹结构，显著降低了会损害超声成像质量的内部噪声。这种螺纹透镜超声换能器可以清晰检测出半导体芯片内部的极细微缺陷，有望推动面向电动汽车、航空航天领域的高可靠半导体质检技术发展。
螺纹透镜聚焦型（SL）换能器的结构设计及噪声抑制机理
常规透镜聚焦型（CL）换能器和螺纹透镜聚焦型（SL）换能器的结构示意图与实物照片
大邱庆北科学技术院博士后研究员Kang Sungwoo和硕博连读生Park Hyunkyu同为该研究第一作者。相关研究成果以“A screw lens-focused ultrasound transducer for power module chip inspection with enhanced imaging performance”为题，发表于NDT&E International期刊。
随着电动汽车与航空航天产业发展，需要耐受高压、高温的功率半导体芯片，其可靠性要求达到新的高度。相较于X射线或光学检测方法，超声检测具备更优异的穿透能力，因此成为在不损伤半导体芯片的前提下，检出其内部微小裂纹、空洞的首选方法。
工业现场所用的半导体检测设备主要采用一种通过水柱传输超声波的方法（即“水幕”法）。但受安装空间约束，超声换能器尺寸受限，由此带来一个长期痛点：超声波在小型透镜内部发生反射、干涉，形成不规则“边缘噪声”，大幅降低超声成像清晰度。
受消声室（隔音室）墙面上楔形吸声结构（旨在防止声音反射）的启发，Chang团队提出了一种噪声抑制方案：在超声透镜光滑的侧壁上，加工出排布致密、带倾角的螺纹状沟槽。当射向透镜侧壁的超声波抵达螺纹斜面时，声波将向多个方向散射，避免反射波汇聚形成噪声。
研究团队通过仿真确定了透镜的螺纹最优参数：螺纹高度500μm、倾角30°。该参数组合兼顾优异的抑噪性能与加工可行性，为透镜设计提供了新的规范参考。该技术仅需对透镜外表面做加工，无需改动超声换能器整体尺寸与内部核心器件，便于直接适配现有紧凑型工业检测设备。
研究人员使用这种螺纹透镜超声换能器对车用功率半导体芯片展开检测，芯片内部的微小结构与缺陷得以清晰成像，成像清晰度可媲美传统计算机断层扫描（CT）。如果采用传统超声换能器方案时，仅为人类发丝四分之一粗细的金属引线、微气泡等产生的信号会完全被噪声所掩盖。
半导体功率芯片的超声C扫描图像
大邱庆北科学技术院Chang教授表示：“本研究的意义重大，因为仅通过透镜结构加工，就解决了透镜内部噪声难题——这也是面向工业检测设备的超声传感设计中最大的难题。该成果为量产工作频率不低于100 MHz的超高频超声换能器奠定了坚实基础。”
Chang教授补充道：“后续我们将联合半导体设备厂商，针对各类实际半导体工艺缺陷开展测试，加快研发适配现场工况的新一代无损超声检测系统。”
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延伸阅读：
《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
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