주사 음향 현미경(Scanning Acoustic Microscope, SAM)
주사 음향 현미경(SAM)은 집중된 소리(주로 초음파)를 사용하여 물체를 조사, 측정 또는 이미지화하는 장치이며, 고장 분석 및 비파괴 분석, 생물학 및 의학 연구 등에 사용된다. 또한, 반도체, 전자 산업에서 마이크로 전자 패키지 내의 공극, 균열 및 박리를 감지하는 데 많이 사용된다.
최초 개발 및 발전 과정
50MHz 초음파 렌즈가 장착된 최초의 주사 음향 현미경(SAM)은 1974년 스탠포드 대학의 마이크로파 연구소에서 RA Lemons와 C. F. Quate에 의해 개발되었다. 1980년에 러시아 과학 아카데미의 생물물리학 입문 검사실에서 R.Gr. Maev와 그의 학생들이 최초의 고해상도(최대 500MHz의 주파수) 투과 전송 SAM을 만들었다. 100MHz에서 최대 1.8GHz까지의 넓은 주파수 범위를 가진 최초의 상용 SAM ELSAM은 Martin Hoppe와 그의 컨설턴트 Abdullah Atalar(Stanford University), Roman Maev(Russian Academy of Sciences) 및 Andrew Briggs(Oxford University)가 이끄는 그룹에 의해 Ernst Leitz GmbH에서 구축되었다.
그 이후로 해상도와 정확도를 향상시키기 위해 SAM은 많은 개선이 있었다.
그림. SAM 원리(출처 : wpo-altertechnology.com)
원리
SAM의 원리는 음파(초음파)의 높은 침투 깊이를 활용하여 시료의 내부 구조를 이미지화하는 것이다. 따라서 SAM은 반사되거나 투과된 음파를 처리하여 내부 특징을 분석하게 된다. Transducer에서 발생한 (초)음파가 시료 내부에 전파되면서, 내부의 상태에 따라 산란, 흡수, 반사가 발생할 수 있다. 이와 같은 현상들은 음향 임피던스(Z)의 차이를 생성하고 이 때 발생한 에코(펄스)의 시간차 등으로 변형된 (초)음파를 Transducer가 다시 탐지한 뒤 각종 특성을 이용하여 분석한 뒤 시료 내부의 상태를 분석할 수 있다. 이 때, 특정 변환기를 이용하여 시료 내부를 이미지 할 수 있으며, 이미지의 해상도는 물리적 스캐닝 해상도 또는 사운드 빔의 너비(소리의 주파수에 따라 결정됨)에 의해 제한될 수 있다. 또한, 물질의 종류에 따라 초음파의 특성, 속도 등이 변하는데 이에 따라 해상도가 변경될 수 있다.
SAM과 다른 분석 방법의 차이
Laser Decapsulation, Wet Etch Decapsulation, 광학 현미경, SEM, X-ray 등 마이크로 전자 패키지의 분석을 위한 많은 방법이 있는데, 이러한 방법들의 상당수는 파괴검사이거나, 시료를 상당히 손상시킨다. 또한 이러한 파괴 검색을 택하면 대부분은 시간이 많이 걸리고 복잡한 샘플 준비가 필요할 수 밖에 없다. SAM이 비파괴검사라는 점에서 다른 분석방법 대비 강점이 있다. X-Ray 역시 SAM과 비슷한 비파괴 검사인대 SAM은 X-ray대비 재료의 탄성 특성에 매우 민감하다. 예를 들어, SAM은 마이크로미터 미만 두께에서 박리 및 에어 갭의 존재에 매우 민감하므로 작고 복잡한 시료를 검사하는 데 특히 유용하다.
스캔 모드
고화질 SAM은 세 가지 주요 모드가 있는데, A-스캔, B-스캔 및 C-스캔이 그것이다.
A-스캔은 ToF(Time of Flight)에 대한 에코 신호의 진폭이며, 변환기는 SAM의 z축에 장착된다. 기계적으로 고정된 테스트 중인 샘플에 대한 z 위치를 변경하여 접근하기 어려운 영역에 위치한 특정 대상 레이어에 초점을 맞출 수 있다. B-스캔은 깊이 정보의 시각화와 함께 샘플의 수직 단면을 제공하며, 단면의 손상 감지와 관련하여 매우 좋은 기능이다. C-스캔은 일반적으로 사용되는 스캐닝 모드로, 샘플의 특정 깊이에서 대상 층의 2D 이미지(슬라이스)를 제공한다. 여러 개의 등거리 레이어는 X-스캔 모드를 통해 실현 가능하다.
내부 구조의 2D 또는 3D 차원 이미지는 펄스 반사 방법을 통해 사용할 수 있으며, 두 재료 간의 임피던스 불일치로 인해 초음파 빔이 반사된다. 반사된 신호의 위상 반전은 개재물 및 입자로부터 박리(음향 임피던스가 거의 0에 가까운)를 구별할 수 있지만 박리와 동일한 임피던스 거동을 보이는 기포되지 않을 수도 있다.
인터페이스에서 임피던스 불일치가 높을수록 반사된 신호의 강도(2D 이미지에서 더 많은 밝기)가 높아지며, 이는 에코 진폭으로 측정된다. 공기와의 계면 (Z = 0)의 경우 초음파의 전체 반사가 발생하며, SAM은 테스트 중인 샘플 내부 기공 등에 갇힌 공기에 매우 민감할 수 있다.
SAM의 응용
생산 관리 비파괴 검사 등에 사용될 수 있다. 솔더 패드, 플립 칩, 언더필, 다이 부착, 씰링 조인트, 납땜 및 용접 조인트, 이질성, 다공성, 균열 등의 판별이 가능하다.
의학 및 생물학 등에 이용될 수 있다. 세포와 조직성에 대한 데이터를 제공할 수 있으며, 이는 특정 모양의 구조를 유지하는 물리적 힘과 세포골격과 같은 구조의 역학에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다.
그림. SAM 이미지 예(출처 : Scientific Reports volume 3, Article number: 1255 (2013)
,Sensing and Imaging Volume 20, article number 33, (2019))