SAT技术
超声波检测（SAT）技术指南
SAT（Scanning Acoustic Tomography，超声波扫描检测）是利用超声波非破坏地检出半导体晶圆、封装和基板内部空洞、分层、裂纹的检测技术。在欧美通常称为SAM（超声波扫描显微镜）或C-SAM，物理原理相同。本页从半导体量产检测的角度整理SAT的术语、原理、应用与设备形态。
本頁另有繁體中文版。
1. 术语对照
| 语言 | 量产检测用语 | 学术·欧美用语 |
|---|---|---|
| 中文（简体） | 超声波扫描检测（SAT）、SAT设备 | 超声波扫描显微镜（SAM）、C-SAM |
| 中文（繁體） | SAT 檢測、超音波掃描檢測（SAT） | 超音波掃描顯微鏡、超音波掃瞄顯微鏡（SAM、C-SAM；亦常標示為 SAT） |
| English | scanning acoustic tomography (SAT) | scanning acoustic microscopy (SAM), C-SAM |
| 한국어 | 초음파 검사(SAT), SAT 장비 | 초음파 현미경, 주사 음향 현미경(SAM) |
| 日本語 | SAT、超音波映像装置 | 走査型超音波顕微鏡（SAM） |
SAM、超声波显微镜是包含材料研究和失效分析用实验室仪器在内的宽泛说法；SAT主要指在半导体生产线上检测晶圆和封装的量产设备。C-SAM由某厂商的产品名演变为通用名称，SAT则从日系设备名称推广到韩国和日本的半导体业界。
术语对照（简体／繁體／English）
| 简体中文 | 繁體中文 | English |
|---|---|---|
| 超声波 | 超音波（亦作超聲波） | ultrasonic |
| 超声波扫描检测（SAT） | 超音波掃描檢測（SAT 檢測；亦寫作超音波掃瞄） | scanning acoustic tomography (SAT) |
| 超声波扫描显微镜（SAM） | 超音波掃描顯微鏡、超音波掃瞄顯微鏡 | scanning acoustic microscope (SAM) |
| 无损检测 | 非破壞檢測 | non-destructive testing |
| 分层 | 脫層 | delamination |
| 空洞 | 空洞（孔洞） | void |
| 裂纹 | 裂縫（裂痕） | crack |
| 未润湿 | 潤濕不良（Non-wet） | non-wet |
| 晶圆键合 | 晶圓鍵合（晶圓接合） | wafer bonding |
| 混合键合 | 混合鍵合（混合接合） | hybrid bonding |
| 微凸点 | 微凸塊 | micro bump |
| 底部填充 | 底部填充膠 | underfill |
| 先进封装 | 先進封裝 | advanced packaging |
| 芯粒、小芯片 | 小晶片 | chiplet |
| 中介层 | 中介層 | interposer |
| 存储器 | 記憶體 | memory |
| 高带宽存储器（HBM） | 高頻寬記憶體（HBM） | high bandwidth memory |
| 芯片 | 晶片、晶粒 | chip, die |
| 功率模块 | 功率模組 | power module |
| DCB/AMB基板 | DBC（DCB）/AMB 基板 | DBC (DCB) / AMB substrate |
| 烧结 | 燒結 | sintering |
| 焊料 | 銲料（焊料） | solder |
| 塑封料 | 封膠材料、模封材料（EMC） | epoxy molding compound (EMC) |
| 多层陶瓷电容（MLCC） | 積層陶瓷電容（MLCC） | multilayer ceramic capacitor |
| 探头 | 探頭 | probe, transducer |
| 分辨率 | 解析度 | resolution |
| 翘曲补偿 | 翹曲補償 | warpage compensation |
| 浸水式／非浸水式 | 水浸式／非水浸式 | immersion / non-immersion |
| 全自动在线型 | 全自動線上型（In-line） | fully automated in-line |
| 工艺、工序 | 製程 | process |
| 前道／后道工序 | 前段／後段製程 | front-end / back-end |
| 全检 | 全檢 | 100% inspection |
| 可靠性 | 可靠度 | reliability |
| 失效分析 | 故障分析（失效分析） | failure analysis |
| X射线 | X 光（X-ray） | X-ray |
| 红外 | 紅外線 | infrared |
| 硅 | 矽 | silicon |
| 图像 | 影像 | image |
| 算法 | 演算法 | algorithm |
| 软件 | 軟體 | software |
注：各栏所列为该书写体系技术文献中较常见的写法，实际用语因企业与使用习惯而异。
註：各欄所列為該書寫系統技術文獻中較常見的寫法，實際用語因企業與使用習慣而異。
2. 原理
聚焦超声波探头发射短脉冲，接收样品内部各界面反射回来的回波并形成图像（脉冲回波法）。超声波遇到空气几乎全部反射，无法传到样品。因此在探头与样品之间充满水，让超声波进入样品内部，这称为耦合。
回波强度随界面两侧材料声阻抗差的增大而增大。内部若有空洞或分层，会形成固体—空气界面，产生强反射且回波相位反转，据此可将缺陷与异物区分。回波返回时间与深度成正比，通过时间门控只选取所需深度的界面成像。“层析”一词由此而来。
- A扫描：某一点上回波幅值随时间的波形
- B扫描：样品的垂直剖面图像
- C扫描：指定深度的平面图像，量产检测中使用最多
- T扫描（透射扫描）：在样品另一侧接收穿透的超声波，缺陷以阴影形式显示
3. 频率选择——分辨率与穿透深度的取舍
频率越高分辨率越好，但衰减（大约与频率的平方成正比）越大，穿透深度越浅，需根据检测对象选择探头。
| 频率范围 | 典型对象 | 说明 |
|---|---|---|
| 15–50 MHz | 厚封装、功率模块（DCB/AMB基板接合部）、塑封较厚的元件 | 穿透深，适合较大缺陷 |
| 50–120 MHz | 普通封装（BGA、QFN等）、基板、芯片贴装 | 量产检测的主力频段 |
| 120–250 MHz | 晶圆键合界面、HBM等薄型堆叠、微凸点 | 浅层微小缺陷 |
| 300 MHz以上 | 近表面成像、实验室失效分析 | 偏向分析而非量产全检 |
MIT的SFSAT系列使用25–250 MHz探头，该频段面向生产线上的穿透封装检测与堆叠检测。
4. 可检出的缺陷
| 缺陷 | 发生位置 | SAT中的特征 |
|---|---|---|
| 空洞（void） | 芯片贴装、焊料、底部填充、塑封料、晶圆键合面 | 强反射并相位反转，C扫描中呈亮点 |
| 分层（delamination） | 芯片—塑封、引线框—塑封、基板—粘接层、堆叠界面 | 面状强反射并相位反转 |
| 裂纹 | 芯片、塑封、基板、焊点 | 线状反射，用B扫描确认深度 |
| 未润湿（non-wet） | 凸点、焊接接合 | 接合面反射图形异常 |
| 异物·气孔 | 塑封、粘接层 | 有反射但无相位反转（与空洞区分） |
5. 在半导体产业中的应用
封装可靠性评估以IPC/JEDEC J-STD-035（非气密塑封电子元件的超声波显微检测程序）为标准，典型用途是湿敏等级试验前后确认分层。近年检测对象从封装扩展到晶圆级：随着晶圆堆叠与键合工艺普及，在300 mm整片晶圆上检测键合界面微小空洞的需求日益增长。
| 应用领域 | 检测对象 | 主要缺陷 |
|---|---|---|
| HBM·堆叠存储器 | 堆叠键合界面、微凸点 | 空洞、未润湿、分层 |
| 先进封装 | FC-BGA、2.5D/3D、小芯片（Chiplet） | 底部填充空洞、凸点裂纹、分层 |
| 功率半导体模块 | DCB/AMB基板—芯片—底板接合 | 焊接/烧结接合空洞（直接影响热阻与寿命） |
| 晶圆键合 | 晶圆—晶圆、芯片—晶圆键合面 | 键合空洞、异物 |
| 基板·MLCC·mini LED | 陶瓷基板、多层陶瓷、LED封装 | 内部裂纹、分层 |
以上应用领域与超声波检测设备业务页面的解决方案分类一致。
6. 设备形态——实验室型与全自动在线型
| 项目 | 实验室型（手动·半自动） | 全自动在线型 |
|---|---|---|
| 用途 | 失效分析、研究、抽样检测 | 生产线全检或抽检 |
| 上料 | 由人员放置 | 上下料机与搬运机自动供给晶圆或料盘 |
| 判定 | 人员判读图像 | 自动判定（含深度学习）、分类、通过SECS/GEM联动数据 |
| 核心性能 | 分辨率、图像质量 | 产能（每小时检测片数）、判定可靠性、产线联动 |
| 探头配置 | 通常1个 | 多探头并行扫描（multi-probe）以确保产能 |
产能取决于扫描间距和配置（探头数量、检测区数量），比较设备时必须在相同间距、相同配置条件下进行。
MIT的SFSAT系列是每个检测区内多个探头并行扫描、检测区可配置2个以上的全自动在线设备，配备基于深度学习的自动判定、实时翘曲补偿（±3 mm）、最高1,200 mm/s的扫描速度以及自主开发的SECS/GEM软件。
相关页面：SFSAT系列产品页面
7. 耦合方式——浸水式与非浸水式
传统的浸水式将样品浸入水中检测。对水分敏感的先进工艺采用非浸水式（瀑布式与气泡捕集结合等），只在检测部位局部流水，不浸没样品，并尽量减少与水的接触。MIT设备采用非浸水方式。
8. 与其他检测方法的比较
| 项目 | SAT（超声波） | X射线 / CT | 红外（IR / SWIR） |
|---|---|---|---|
| 观察对象 | 界面状态、弹性特性 | 密度差、形状 | 透过硅的光学图像 |
| 优势 | 对薄分层和空气层（亚微米）极为敏感，适合在线量产 | 布线与凸点形状、CT可得3D结构 | 非接触，键合后可高速筛查大尺寸空洞 |
| 局限 | 需要水耦合，上层缺陷会遮挡下层 | 容易漏检薄分层和空气层，CT速度慢 | 深层微小缺陷分辨率有限，不透明材料不可用 |
在实际生产中，各种方法互为补充。
常见问题
- SAT与SAM（超声波显微镜）是不同的技术吗？
- 不是。两者物理原理相同：聚焦超声波探头发射短脉冲，接收内部界面反射的回波并成像。区别在于术语的来源与用途。SAT通常指用于半导体晶圆和封装量产检测的设备，而SAM或超声波显微镜是更宽泛的说法，也包括实验室和失效分析用仪器。C-SAM原是某厂商的产品名，后来成为通用名称。
- SAT能检出哪些缺陷？
- 空洞、分层、裂纹、未润湿等内部界面缺陷。超声波在固体与空气的界面几乎全部反射且回波相位反转，因此即使很薄的分层和空气层也能被检出，并与异物区分。
- SAT与X射线检测有何不同？
- X射线看的是密度差和形状，SAT对界面状态和弹性特性敏感。薄的分层和空气层用SAT更容易发现，布线和凸点形状用X射线更清楚。在生产现场两者互为补充。
- 应该选择多高的探头频率？
- 频率越高分辨率越好，但衰减大约随频率的平方增加，穿透深度变浅。一般而言，厚封装和功率模块用15至50 MHz，普通封装和基板用50至120 MHz，晶圆键合界面和薄型堆叠用120至250 MHz。SFSAT系列覆盖25至250 MHz。
- SAT检测一定需要水吗？
- 需要。水是把超声波导入样品的耦合介质，因为空气会反射几乎全部能量。浸水式设备把样品浸入水中；非浸水式（如瀑布式与气泡捕集耦合）只在检测部位局部流水，尽量减少与水的接触，这对水分敏感的先进工艺很重要。
- 实验室型SAT与在线型SAT设备有什么区别？
- 在线型设备自动上下料、检测、判定和分类，无需操作人员，并通过SECS/GEM与工厂系统连接，因此产能和判定可靠性是核心指标。实验室型由人员上料和判读，以图像质量为优先。产能比较只有在相同扫描间距和相同探头配置下才有意义。