二维材料薄片检测（先进的复合材料超声C-扫描检测技术）

白青华 上海和伍精密仪器股份有限公司检测中心/实验室

摘要：针对复合材料的机构特点，本文介绍了一种先进的超声C扫描检测技术极其典型的应用，关键词“超声C-扫描 复合材料 分层检测”

一、前言

超声C扫描检测技术（以下成为C超）是国外用于制造阶段复合材料结构无损检测的重要无损检测技术，超声C 扫描由于显示直观，检测速度快，已成为复合材料普遍采用的技术。C扫描检测技术能够清晰地检出复合材料中气息、分层等缺陷，并可对缺陷精确定位、定量。如波音飞机，AIRBUS等世界上著名的飞机制造公司，均采用超声C扫描检测技术，对制造阶段符合材料和胶结结构及其无损检测用于标准试样进行无损检测。

目前C超从应用对象可以分为两大类，一类主要是用于3mm以上的材料无损检测，另一类主要是用于3mm以内材料的精细无损检测。对应的C超扫描及其设备也是完全不相同的。由于超声波的穿透性和频率成反比，也就是说对比较厚的工件，为了增加穿透性，需要低频探头满足对样品的穿透能力。针对2-3mm以内的超薄材料的检测，需要15-100MHZ中频的超声扫描，最高能达到对小于0.1mm的气孔或者裂痕等缺陷进行判定

二、符合材料C扫检测的基本原理

【图1】

【图2】

三、超声C扫设备的分类和选择

1. 相控阵，单个探头频率可以达到15Mhz，最高可达128个通道，一般应用于不规则但平滑的工件表面或平面扫描，扫描效率高，部分设备便于携带检测大型工件更为方便；受到效率的限制，对于精度要求有限，部分国外品牌已经研发25Mhz的探头，但数据量的增大减少了通道数量，牺牲了效率换来的少量的精度，就显得捉襟见肘了。

2. SAT水浸超声扫描显微镜（后面简称SAT），是改用了聚焦超声探头，步距就可以达到0.1mm以下甚至更小，C扫成图放大效果明显，并且缺陷轮廓清晰，国内首次突破技术封锁，并且实现商业量产在2019年，现在已经可以实现175Mhz的检测能力，SAT的优缺点也是非常明显，以为是单颗探头扫描，效率略微逊色与相控阵，因为是精密仪器，都是台式机，要求工件表面必须平整。

四、C超扫描检测的参数实验与制定

具复合材料胶结分层的特点，一般分一层或者多层，将回波信号划分三个区域如图3：表面信号区域、结合面信号区域和下表面信号区

【图3】

如果我们对上表面波和下表面波之间的，我们就称为结合面波，通常我们通过波形的反馈结合面的质量情况，与缺陷的存在有这直接的关系。我们也可以在表面波，每一个结合面和下表面分别设置闸门，针对多层料材实现一次性多层扫描出图，大大提高了分层扫描效率。效果如图：【图4】

图4

分层扫描中针对半导体材料的多层扫描效果，陶瓷基板，铜钼铜等芯片散热材料等整体材料厚度2mm以内，分多层后每层厚度0.2mm左右，扫描效果很明显。（国内分层扫描最多可以开放50个闸门，也就是50个分层，这对99%的工件已经完全够用，这还要参考表面声阻系数对分层扫描的影响，综合看如果不是扫描晶圆，某品牌300层的分层能力就有些浮夸了。）

五、可靠性验证

针对可靠性分析设备的检测效果的可靠性分析，是尤为重要的一个环节，这里我建议对实验样品的选择要有绝对性的对比，良品和不良品----扫描效果进行对比后，不光可以看出对产品扫描效果，也能够确定不良品检测的可靠性。

如图5 图6

【图5】

【图6】

人工缺陷点和良品对比，缺陷位置明显，良品颜色均匀，压合凹凸清晰可见，对成品结合面中的裂纹可以做出清晰判断。

结论：

采用超声C扫描检测技术，可以较好底用于复合材料结构的无损检测，特别是采用中频探头的SAT设备，可以应用于对超薄产品复合材料的批量生产后的无损检测。