SAT 技術
超音波掃描檢測（SAT）技術指南
超音波掃描檢測（SAT，Scanning Acoustic Tomography）是利用超音波，以非破壞方式檢出半導體晶圓、封裝與基板內部空洞（Void）、脫層（Delamination）與裂縫（Crack）的檢測技術。在歐美，同類設備多稱為超音波掃描顯微鏡（SAM）或 C-SAM，物理原理相同。本頁是從半導體量產檢測的角度，整理 SAT 術語、原理、應用與設備型態的技術資料。
本页另有简体中文版。
1. 術語整理
| 語言 | 量產檢測術語 | 學術與歐美術語 |
|---|---|---|
| 繁體中文 | SAT 檢測、超音波掃描檢測（SAT）、SAT 設備 | 超音波掃描顯微鏡、超音波掃瞄顯微鏡、超音波顯微鏡（SAM、C-SAM；亦常標示為 SAT） |
| 韓文 | 초음파 검사(SAT), SAT 장비, 초음파 검사 장비 | 초음파 현미경, 주사 음향 현미경(SAM) |
| 英文 | scanning acoustic tomography (SAT) | scanning acoustic microscopy (SAM), C-SAM |
| 簡體中文 | 超声波扫描检测（SAT） | 超声波扫描显微镜（SAM） |
| 日文 | SAT、超音波映像装置 | 走査型超音波顕微鏡（SAM） |
SAM、超音波顯微鏡是範圍較廣的說法，也包含材料研究與故障分析用的實驗室儀器。本網站以 SAT 指稱在半導體產線上檢測晶圓與封裝的量產設備。C-SAM 原為特定製造商的產品名稱，後來成為通稱。SAT 一詞源自日系設備名稱，之後在韓國、日本、台灣等地的半導體業界廣為使用。
2. 原理
聚焦式超音波探頭（Probe，亦稱換能器）發出短脈波，再接收樣品內部各介面反射回來的回波（Echo）並形成影像，這種方式稱為脈波回波法（Pulse-Echo）。超音波遇到空氣時幾乎全部反射，無法傳到樣品。因此要在探頭與樣品之間充滿水，讓超音波進入樣品內部，這稱為耦合（Coupling）。
介面兩側材料的聲阻抗差異越大，回波的強度就越大。內部若有空洞或脫層，會形成固體與空氣的介面，產生強反射，且回波的相位會反轉。藉由這種相位反轉，可將缺陷與異物區分。回波返回的時間與深度成正比，因此可利用只擷取特定時間區間的閘門（Gate）設定，僅針對所需深度的介面成像。SAT 名稱中的「斷層成像（Tomography）」即由此而來。
- A-scan：單一位置上回波振幅隨時間變化的波形
- B-scan：樣品的垂直剖面影像
- C-scan：特定深度的平面影像，是量產檢測中最常使用的模式
- T-scan（穿透式掃描）：在樣品另一側接收穿透樣品的超音波，以陰影呈現缺陷的方式
3. 頻率選擇：解析度與穿透深度的取捨
頻率越高，解析度越好，但衰減也越大（大約與頻率的平方成正比），超音波不易深入。因此需依檢測對象選擇探頭。
| 頻率範圍 | 主要對象 | 備註 |
|---|---|---|
| 15 至 50 MHz | 厚封裝、功率模組的 DBC（DCB）與 AMB 基板接合面、封膠較厚的元件 | 穿透較深，適合較大的缺陷 |
| 50 至 120 MHz | 一般封裝（BGA、QFN 等）、基板（載板）、黏晶層（Die Attach） | 量產檢測的主要頻率範圍 |
| 120 至 250 MHz | 晶圓接合介面、高頻寬記憶體（HBM）等薄型堆疊、微凸塊（Micro Bump） | 淺層的微細缺陷 |
| 300 MHz 以上 | 近表面成像、實驗室故障分析 | 偏向分析用途，而非量產全檢 |
MIT Co., Ltd.（Mechatronics Inspection Technology，韓國）的 SFSAT 系列使用 25 至 250 MHz 的探頭。此頻率範圍適用於量產線上的穿透封裝檢測與堆疊結構檢測。
4. 可檢出的缺陷
| 缺陷 | 發生位置 | SAT 影像中的特徵 |
|---|---|---|
| 空洞（Void） | 黏晶層、銲料、底部填充膠（Underfill）、封膠材料（EMC）、晶圓接合介面 | 強反射並伴隨相位反轉，在 C-scan 中呈現亮點 |
| 脫層（Delamination） | 晶片與封膠的介面、導線架與封膠的介面、基板與黏著層的介面、堆疊介面 | 面狀的強反射並伴隨相位反轉 |
| 裂縫（Crack） | 晶片、封膠、基板、銲點 | 線狀反射，可用 B-scan 確認深度 |
| 潤濕不良（Non-wet） | 凸塊接合處、銲料接合處 | 接合介面的反射圖形異常 |
| 異物、氣孔 | 封膠、黏著層 | 有反射但無相位反轉（可與空洞區分） |
5. 在半導體產業中的應用
封裝可靠度評估以 IPC/JEDEC J-STD-035（非氣密塑膠封裝元件的超音波顯微鏡檢測程序）為標準。典型用途是在濕度敏感等級（MSL）試驗前後確認脫層。近年來，檢測對象由封裝擴展到晶圓階段。在晶圓堆疊與鍵合製程中，於整片 300 mm 晶圓上檢測接合介面空洞的需求日益增加。
| 應用領域 | 檢測對象 | 主要缺陷 |
|---|---|---|
| HBM 與堆疊式記憶體 | 堆疊接合介面、微凸塊 | 空洞、潤濕不良（Non-wet）、脫層 |
| 先進封裝 | FC-BGA、2.5D/3D、小晶片（Chiplet） | 底部填充膠空洞、凸塊裂縫、脫層 |
| 功率半導體模組 | DBC（DCB）與 AMB 基板、晶片、底板（Base Plate）之間的接合 | 銲料層與燒結層的空洞（直接影響熱阻與壽命） |
| 晶圓鍵合（晶圓接合） | 晶圓對晶圓（W2W）、晶粒對晶圓（D2W）的接合介面 | 接合空洞、異物 |
| 基板、積層陶瓷電容（MLCC）、Mini LED | 陶瓷基板、積層陶瓷、LED 封裝 | 內部裂縫、脫層 |
上述應用領域與業務領域的「超音波檢測（SAT）」頁面的解決方案分類相同。
6. 設備型態：實驗室型與全自動線上型（In-line）
| 項目 | 實驗室型（手動、半自動） | 全自動線上型（In-line） |
|---|---|---|
| 用途 | 故障分析、研究、樣品檢測 | 量產線的全檢與抽檢 |
| 上料方式 | 由專業人員放置樣品 | 由上料機（Loader）與搬送機構（Handler）將晶圓與料盤（Tray）自動上料 |
| 判定 | 由專業人員判讀影像 | 自動判定（深度學習等）、分類、SECS/GEM 資料連線 |
| 核心性能 | 解析度、影像品質 | 產能（Throughput，每小時檢測片數）、判定可靠度、產線整合 |
| 探頭配置 | 通常為 1 支 | 以多支探頭同時掃描（多探頭）確保產能 |
產能會隨掃描間距與配置（探頭數量、檢測區數量）而不同，因此比較設備時，應在相同間距、相同配置的條件下比較。
本公司的 SFSAT 系列是全自動線上型設備，每個檢測區由多支探頭同時掃描，檢測區可擴充至 2 個以上。設備具備以深度學習為基礎的自動判定、即時翹曲（Warpage）補償（±3 mm）、最高 1,200 mm/s 的掃描速度，以及自行開發的 SECS/GEM 軟體。
相關頁面：SFSAT 系列產品頁面
7. 耦合方式：水浸式與非水浸式
傳統上採用將樣品浸入水槽的方式（水浸式）。對水分敏感的先進製程，則採用不將樣品浸入水槽、只讓水流經檢測部位的方式，盡量減少與水的接觸。結合瀑布式（Waterfall）與氣泡捕集（Bubble Trap）的方式即為一例。本公司設備採用不將樣品浸入水槽的方式，盡量減少與水的接觸。
8. 與其他檢測方法的比較
| 項目 | SAT（超音波） | X 光（X-ray）與 CT | 紅外線（IR、SWIR） |
|---|---|---|---|
| 觀察對象 | 介面狀態、彈性特性 | 密度差異、形狀 | 穿透矽的光學影像 |
| 擅長 | 對薄的脫層與空氣層（次微米）靈敏度高；適合量產線的線上型（In-line）檢測 | 線路與凸塊形狀；CT 可呈現 3D 結構 | 非接觸；鍵合後即可高速檢測大型空洞 |
| 限制 | 需要以水耦合；上層缺陷會遮蔽下層 | 對薄脫層與空氣層較不敏感；CT 檢測時間較長 | 深層微細缺陷的解析度有限；不適用於不透光材料 |
在實際生產現場，各種檢測方法互補使用。
常見問題
- SAT 與 SAM（超音波掃描顯微鏡）是不同的技術嗎？
- 不是，SAT 與 SAM 是原理相同的技術。兩者都由聚焦式超音波探頭發出短脈波，再將內部介面反射回來的回波成像。差別在於名稱的來源與使用習慣：在日本、韓國與台灣的半導體業界多稱為 SAT，歐美則多稱為 SAM 或 C-SAM。本網站以 SAT 指稱半導體晶圓與封裝的量產檢測設備；SAM、超音波顯微鏡則是範圍較廣的說法，也包含實驗室與故障分析用的儀器。C-SAM 原為特定製造商的產品名稱，後來成為通稱。
- SAT 可以檢出哪些缺陷？
- SAT 可檢出空洞（Void）、脫層（Delamination）、裂縫（Crack）、潤濕不良（Non-wet）等內部介面缺陷。超音波在固體與空氣的介面幾乎全部反射，且回波的相位會反轉。因此，即使是非常薄的脫層或空氣層也能檢出，並可與異物區分。
- SAT 與 X 光（X-ray）檢測有什麼不同？
- X 光檢測觀察的是密度差異與形狀，SAT 則對介面狀態與彈性特性敏感。薄的脫層與空氣層較適合以 SAT 檢測，線路與凸塊（Bump）形狀則較適合以 X 光檢測。在生產現場，兩種檢測方法互補使用。
- SAT 檢測應選用多高的探頭頻率？
- 探頭頻率越高，解析度越好，但衰減大約隨頻率的平方增加，穿透深度也隨之變淺。一般而言，厚封裝與功率模組使用 15 至 50 MHz，一般封裝與基板使用 50 至 120 MHz，晶圓接合介面與薄型堆疊使用 120 至 250 MHz。SFSAT 系列支援 25 至 250 MHz 的探頭頻率。
- SAT 檢測一定需要用水嗎？
- 需要。空氣幾乎會將超音波全部反射，因此需要以水作為將超音波傳入樣品的介質。檢測方式分為將樣品浸入水槽的方式（水浸式），以及不將樣品浸入水槽的方式。後者如瀑布式（Waterfall）與氣泡捕集（Bubble Trap）方式，只讓水流經檢測部位，盡量減少與水的接觸，因此適合對水分敏感的先進製程。
- 實驗室型 SAT 與線上型（In-line）SAT 設備有什麼不同？
- 線上型設備可將晶圓或料盤（Tray）自動上料，從檢測、判定到分類都不需專業人員操作，並透過 SECS/GEM 與工廠系統連線。因此，產能（Throughput）與判定可靠度是核心指標。實驗室型設備由專業人員放置樣品並判讀，以影像品質為優先。產能的比較，只有在相同掃描間距、相同探頭配置的條件下才有意義。