白青華 上海和伍精密儀器股份有限公司檢測中心/實驗室

摘要：針對複合材料的機構特點，本文介紹了一種先進的超聲C掃描檢測技術極其典型的應用，關鍵詞“超聲C-掃描 複合材料 分層檢測”

一、前言

超聲C掃描檢測技術（以下成為C超）是國外用于制造階段複合材料結構無損檢測的重要無損檢測技術，超聲C 掃描由于顯示直觀，檢測速度快，已成為複合材料普遍采用的技術。C掃描檢測技術能夠清晰地檢出複合材料中氣息、分層等缺陷，并可對缺陷精确定位、定量。如波音飛機，AIRBUS等世界上著名的飛機制造公司，均采用超聲C掃描檢測技術，對制造階段符合材料和膠結結構及其無損檢測用于标準試樣進行無損檢測。

目前C超從應用對象可以分為兩大類，一類主要是用于3mm以上的材料無損檢測，另一類主要是用于3mm以内材料的精細無損檢測。對應的C超掃描及其設備也是完全不相同的。由于超聲波的穿透性和頻率成反比，也就是說對比較厚的工件，為了增加穿透性，需要低頻探頭滿足對樣品的穿透能力。針對2-3mm以内的超薄材料的檢測，需要15-100MHZ中頻的超聲掃描，最高能達到對小于0.1mm的氣孔或者裂痕等缺陷進行判定

二、符合材料C掃檢測的基本原理

【圖1】

【圖2】

三、超聲C掃設備的分類和選擇

1. 相控陣，單個探頭頻率可以達到15Mhz，最高可達128個通道，一般應用于不規則但平滑的工件表面或平面掃描，掃描效率高，部分設備便于攜帶檢測大型工件更為方便；受到效率的限制，對于精度要求有限，部分國外品牌已經研發25Mhz的探頭，但數據量的增大減少了通道數量，犧牲了效率換來的少量的精度，就顯得捉襟見肘了。

2. SAT水浸超聲掃描顯微鏡（後面簡稱SAT），是改用了聚焦超聲探頭，步距就可以達到0.1mm以下甚至更小，C掃成圖放大效果明顯，并且缺陷輪廓清晰，國内首次突破技術封鎖，并且實現商業量産在2019年，現在已經可以實現175Mhz的檢測能力，SAT的優缺點也是非常明顯，以為是單顆探頭掃描，效率略微遜色與相控陣，因為是精密儀器，都是台式機，要求工件表面必須平整。

四、C超掃描檢測的參數實驗與制定

具複合材料膠結分層的特點，一般分一層或者多層，将回波信号劃分三個區域如圖3：表面信号區域、結合面信号區域和下表面信号區

【圖3】

如果我們對上表面波和下表面波之間的，我們就稱為結合面波，通常我們通過波形的反饋結合面的質量情況，與缺陷的存在有這直接的關系。我們也可以在表面波，每一個結合面和下表面分别設置閘門，針對多層料材實現一次性多層掃描出圖，大大提高了分層掃描效率。效果如圖：【圖4】

圖4

分層掃描中針對半導體材料的多層掃描效果，陶瓷基闆，銅钼銅等芯片散熱材料等整體材料厚度2mm以内，分多層後每層厚度0.2mm左右，掃描效果很明顯。（國内分層掃描最多可以開放50個閘門，也就是50個分層，這對99%的工件已經完全夠用，這還要參考表面聲阻系數對分層掃描的影響，綜合看如果不是掃描晶圓，某品牌300層的分層能力就有些浮誇了。）

五、可靠性驗證

針對可靠性分析設備的檢測效果的可靠性分析，是尤為重要的一個環節，這裡我建議對實驗樣品的選擇要有絕對性的對比，良品和不良品----掃描效果進行對比後，不光可以看出對産品掃描效果，也能夠确定不良品檢測的可靠性。

如圖5 圖6

【圖5】

【圖6】

人工缺陷點和良品對比，缺陷位置明顯，良品顔色均勻，壓合凹凸清晰可見，對成品結合面中的裂紋可以做出清晰判斷。

結論：

采用超聲C掃描檢測技術，可以較好底用于複合材料結構的無損檢測，特别是采用中頻探頭的SAT設備，可以應用于對超薄産品複合材料的批量生産後的無損檢測。

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