平面波型激光超声检测多层分层缺陷的光束扩展激励与迁移重建方法

《Ultrasonics》：Plane-wave-like laser ultrasonic inspection of multilayer delaminations using beam-expanded excitation and migration-based reconstruction

　　

摘要翻译
多层结构因其高结构效率和功能集成性，广泛应用于能源、航空航天及微电子封装领域。然而，平面界面缺陷如分层裂纹常严重影响其可靠性。在全光条件下对这些缺陷进行可靠无损检测仍具挑战性，因为传统激光超声检测通常依赖点状热弹性（thermoelastic）激励，产生高度发散的体波并以斜入射传播，导致界面反射弱且回波解释复杂。本研究提出一种平面波型激光超声检测策略，结合光束扩展激励和迁移重建（migration-based reconstruction）。为克服光束扩展所致的光能密度下降，引入反射型光声（photoacoustic）换能器以显著提升光声转换效率，同时保持热弹性操作。由此生成的近平面纵波（longitudinal wave）照射确保界面反射稳定且高对比。随后，采用相位移迁移（phase-shift migration, PSM）重建超声波场，以补偿空间扩展激励源造成的横向分辨率下降。在含有圆形及方形分层缺陷的多层Cu–TIM–Si芯片样品上进行实验验证，反射模式缺陷检测可靠。PSM重建后，实现对比噪声比（CNR）超过12?dB，尺寸测量误差小于0.2?mm。本研究通过物理波前控制与重建信号处理相结合，为分层结构的反射模式全光检测提供了稳健方案。

论文解读

多层结构在能源、航空航天及半导体制造和封装中应用广泛，因其具备高强度重量比、设计灵活性及抗疲劳性能。然而，制造过程或使用过程中产生的缺陷，尤其是平面缺陷如分层裂纹、界面剥离和脱粘，仍然严重威胁结构完整性。因此，早期可靠检测对于确保长期性能和运行安全至关重要。现有多种无损检测方法已被开发应用，其中激光超声（laser ultrasonics, LU）提供了非接触式解决方案，因其宽带激励能力、可选择波模式以及适用于复杂几何和恶劣或不可及环境而备受关注。激光小光斑还可实现高空间分辨率和最小检测盲区，使其在薄部件和微尺度缺陷检测中具有优势。尽管已有多种激光超声脉冲回波（pulse–echo）方法用于多层结构缺陷检测，但大多数研究仍面临一个核心问题：为确保热弹性激励的能量密度，激光束通常聚焦为小光斑，相当于点源。这会产生强方向性的体波并以斜入射传播，降低界面反射强度，尤其在多层结构中信号衰减明显，使得传统点源激光超声在反射模式下检测灵敏度不足。

针对上述问题，本研究提出了一种光束扩展激励结合反射型光声换能器的平面波型激光超声检测策略。该策略通过扩展光束形成近平面纵波，实现对界面近法线入射，提高反射信号强度。同时，引入光声换能器提升光-声转换效率，即使在降低激光能量密度条件下仍可产生高幅值超声。为了弥补扩展光束导致的横向分辨率下降，研究人员采用相位移迁移（PSM）对超声波场进行重建，分离激励可检测性与重建分辨率增强，从而克服传统点源激光超声及接触式压电方法的局限。

在技术方法方面，本研究采用以下关键技术：光束扩展（beam expansion）生成近平面超声波前、反射型光声换能器增强激光-超声转换效率、相位移迁移（PSM）重建超声波场，以及多层Cu–TIM–Si芯片样品作为实验验证对象。

研究结果显示：
**光束扩展实现平面波型激光超声生成** — 在热弹性工作模式下，体波场的角度分布由激光激励的空间分布决定。扩展光束有效减小波前发散，实现近平面纵波照射。
**反射型光声换能器实现高幅值超声激励** — 对比裸铜样品，光声换能器显著增强激光-超声转换效率，使在低激光能量密度下也能产生可检测体波信号。
**PSM重建提高横向分辨率** — 对扩展光束造成的分辨率下降进行补偿，保证重建后C扫描图像的高对比和尺寸精度。
**多层分层缺陷检测验证** — 在含圆形和方形分层缺陷的多层Cu–TIM–Si芯片样品上实验，PSM重建后实现CNR超过12?dB，缺陷尺寸误差小于0.2?mm，反射模式缺陷可可靠检测。

讨论部分指出，本研究策略通过物理波前控制与重建信号处理相结合，解决了传统点源激光超声在反射模式下灵敏度不足的问题，并可在全光条件下实现对微电子封装及多层结构的高可靠检测。研究结论表明，光束扩展激励与反射型光声换能器能够产生近平面纵波，配合PSM重建，实现对多层分层缺陷的高对比、高精度反射模式检测，为未来全光无损检测技术的发展提供了可行方案。该研究发表在《Ultrasonics》。