MỸ – Việc lựa chọn và tích hợp các bộ chuyển đổi (đầu dò), bộ số hóa và phần mềm sẽ thúc đẩy kiểm soát chất lượng bằng kính hiển vi âm học quét đạt mức vượt trội.

Đối với các doanh nghiệp sản xuất trong lĩnh vực điện tử, hàng không vũ trụ và vật liệu tiên tiến như kim loại, hợp kim và vật liệu tổng hợp, kính hiển vi âm học quét (SAM – scanning acoustic microscopy) cung cấp một công cụ kiểm soát chất lượng mạnh mẽ, đảm bảo tính toàn vẹn, độ tin cậy và hiệu suất của cấu trúc mà không làm hỏng bất kỳ linh kiện nào. Kính hiển vi âm học quét sử dụng sóng siêu âm tần số cao để kiểm tra và xác định các đặc điểm bên trong của vật liệu, phát hiện các vết nứt, lỗ rỗng, tạp chất và sự tách lớp có thể làm giảm hiệu suất.

Kính hiển vi âm học quét (SAM) là một phương pháp mạnh mẽ, không xâm lấn và không phá hủy để kiểm tra cấu trúc bên trong của vật liệu không trong suốt. Thông tin độ sâu cụ thể có thể được trích xuất và áp dụng để tạo ra hình ảnh hai chiều và ba chiều mà không cần các quy trình chụp cắt lớp tốn thời gian hay các phương pháp chụp x-quang tốn chi phí hơn.

Ngày nay, thiết bị SAM có thể phát hiện ra những khiếm khuyết siêu nhỏ so với trước đây.

Ông Hari Polu, Tổng giám đốc Công ty OKOS, một doanh nghiệp sản xuất hệ thống kiểm tra không phá hủy bằng sóng siêu âm công nghiệp (SAM), có trụ sở tại bang Virginia (Mỹ), chia sẻ: “Các hệ thống SAM mảng pha (phased array SAM systems) (*) tiên tiến cho phép nâng cao khả năng phân tích lỗi nhờ vào mức độ phát hiện và độ chính xác cao. Trước đây, mục tiêu phát hiện lỗi là 500 micron, giờ đây đã được cải thiện xuống còn 50 micron. Với loại thử nghiệm này, chúng tôi có thể kiểm tra vật liệu và phát hiện ra những lỗi mà trước đây không thể phát hiện được”. Công ty tập trung phục vụ các ngành công nghiệp cốt lõi cần độ chính xác cao nhất như sản xuất điện tử, hàng không vũ trụ, và vật liệu tiên tiến (kim loại, hợp kim, vật liệu tổng hợp).
(*) Hệ thống SAM mảng pha: là phiên bản khác, tiên tiến và mạnh mẽ hơn của kính hiển vi âm học quét. Công nghệ này sử dụng một mảng (array) gồm nhiều đầu dò siêu âm nhỏ được điều khiển riêng biệt để tăng cường độ chính xác và khả năng quét.

Đối với các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử, SAM là công cụ không thể thiếu để kiểm tra vi mạch, tấm wafer (*) đã liên kết và lớp phủ bên dưới, những nơi mà lỗi không được phép xảy ra. Các công ty hàng không vũ trụ đã dựa vào công nghệ SAM để xác định các khuyết tật bên dưới bề mặt trong vật liệu tổng hợp siêu nhẹ hoặc hợp kim hiệu suất cao, đảm bảo an toàn trong các ứng dụng quan trọng đối với chuyến bay. Trong ngành kim loại và vật liệu tổng hợp, công nghệ SAM kiểm tra chất lượng độ bám dính và phát hiện sớm hiện tượng mỏi hoặc ăn mòn bên trong, giúp tiết kiệm chi phí và nhân lực.
(*) Tấm wafer (tấm bán dẫn silicon): là một lát mỏng, hình tròn của vật liệu bán dẫn, thường là silicon tinh thể đơn, đóng vai trò là nền tảng vật lý cốt lõi để sản xuất vi mạch tích hợp hay còn gọi là chip bán dẫn.

Tuy nhiên, để khai thác toàn bộ sức mạnh của công nghệ SAM, các doanh nghiệp sản xuất cần có hệ thống phù hợp. Để đạt được mục tiêu này, các hệ thống SAM hiệu quả nhất được xây dựng trên bộ ba thành phần hiệu suất cao: bộ chuyển đổi, bộ số hóa và phần mềm.

Tối ưu hóa hệ thống kính hiển vi âm học quét (SAM) với các thành phần quan trọng
Ông Polu giải thích cách thức bộ chuyển đổi, bộ số hóa và phần mềm hoạt động liền mạch cùng nhau trong kính hiển vi âm học quét để mang lại lợi ích cho các doanh nghiệp sản xuất.

Ông Polu đã nói rằng: “Các bộ chuyển đổi tạo ra và nhận tín hiệu siêu âm, hoạt động như ‘mắt’ của hệ thống. Bộ số hóa chuyển đổi tín hiệu âm thanh tần số cao thành dữ liệu số chính xác để phân tích. Phần mềm kết hợp tất cả lại với nhau, cho phép trực quan hóa theo thời gian thực, xác định lỗi và báo cáo. Khi ba yếu tố này hoạt động hài hòa, hệ thống SAM không chỉ là một bước kiểm soát chất lượng mà còn trở thành một lợi thế cạnh tranh”.

Kính hiển vi âm học quét hoạt động bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi năng lượng điện thành sóng siêu âm tần số cao. Các sóng này được chiếu đến một điểm chính xác trên vật thể mục tiêu, cho phép kiểm tra bên trong với độ chính xác đặc biệt. Hình dạng thấu kính của bộ chuyển đổi và tần số của sóng âm quyết định cả tiêu cự và độ phân giải của quá trình quét.

Khi sóng âm tương tác với các đặc điểm bên trong (các vết nứt, lỗ rỗng, tạp chất và sự tách lớp) của vật liệu, chúng phản xạ trở lại đầu dò, sau đó chuyển đổi tín hiệu âm thanh phản xạ thành điện áp. Tín hiệu tương tự phản xạ này sau đó được khuếch đại bởi bộ tạo xung/ bộ thu xung và số hóa để phân tích sâu hơn. Tất cả các hệ thống quét siêu âm đều dựa trên chức năng kép quan trọng này, tạo và phát hiện tín hiệu thông qua ít nhất một đầu dò, để thực hiện đánh giá chính xác, không phá hủy các cấu trúc bên trong.

Có nhiều kích cỡ đầu dò và hình dạng khác nhau cho các ứng dụng khác nhau. Một số yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với vật liệu để hoạt động, một số khác sử dụng khe hở không khí hoặc được nhúng trong chất lỏng, thường là nước, để truyền sóng âm qua vật liệu tốt hơn. Công ty OKOS cung cấp nhiều loại đầu dò có tần số lên đến 300 MHz cho các ứng dụng khác nhau và có thể thiết kế đầu dò cho các ứng dụng cụ thể theo yêu cầu của từng khách hàng.

Theo ông Polu, doanh nghiệp sản xuất thiết bị gốc (OEM – original equipment manufacturer) (*) cung cấp bốn loại đầu dò chung (epoxy, PVDF, delay line, phased array), mỗi loại đều có ưu điểm riêng cho các ứng dụng nhất định:
(*) OEM: là công ty hoặc tổ chức sản xuất sản phẩm hoặc thành phần và sau đó bán nó cho một công ty khác để được đặt nhãn và phân phối lại dưới tên thương hiệu của công ty đó.

Đầu dò đầu epoxy có tần số dưới 30 MHz và hữu ích cho việc chụp ảnh các mẫu dày hoặc mẫu có vật liệu suy giảm tín hiệu sóng siêu âm rất mạnh. Chúng thường có tiêu cự lớn nhất.

Đầu dò PVDF sử dụng một bộ phận tiếp xúc có đầu mạ vàng để chụp ảnh tần số cao, hoạt động trong khoảng tần số từ 35 MHz đến 75 MHz. Chúng lý tưởng cho các vật liệu mỏng, có khả năng làm suy giảm tín hiệu như chip silicon. Tiêu cự thường dao động từ 6,35 đến 38,1 mm, cho phép kiểm tra bên trong của vật liệu một cách chính xác.

Đầu dò delay line là đầu dò thấu kính thạch anh với các tinh thể bên trong được chế tạo với độ dày chính xác nhằm kiểm soát tần số. Các đầu dò này có dải tần từ 35 MHz đến 300 MHz, có độ sâu trường ảnh (*) tốt nhất và có thể tùy chỉnh tiêu cự.
(*) Độ sâu trường ảnh (depth of field): mô tả phạm vi chiều sâu mà tại đó đầu dò có thể tạo ra một hình ảnh sắc nét, rõ ràng và có độ phân giải cao bên trong vật liệu.

Đầu dò mảng pha sử dụng nhiều phần tử, không giống như thiết kế một phần tử của các loại tiêu chuẩn, và có thể uốn cong để cải thiện khả năng quét trên các bề mặt có đường viền. Nhiều phần tử cùng lúc quét mẫu, giúp cho quá trình quét nhanh hơn. Giao thoa tăng cường (constructive interference) (*) cho phép điều chỉnh tiêu cự theo thời gian thực để có hình ảnh tối ưu. Các đầu dò này thường hoạt động ở tần số 20 MHz hoặc thấp hơn.
(*) Giao thoa tăng cường: là nguyên lý vật lý cốt lõi. Bằng cách điều chỉnh pha (thời gian phát sóng) của từng phần tử, sóng siêu âm từ các phần tử khác nhau sẽ hợp lại (giao thoa tăng cường) để tạo ra một chùm sóng tập trung và mạnh mẽ tại một điểm mong muốn.

Nhiều đầu dò giúp tăng tốc độ quét
Không như các hệ thống kính hiển vi âm học quét thông thường sử dụng một đầu dò đơn, các hệ thống mảng pha sử dụng nhiều đầu dò kết hợp để quét cùng lúc trên mẫu.

Trong hệ thống mảng pha, nhiều phần tử được kích hoạt đồng thời hoặc tuần tự để tổng hợp chùm sóng âm hội tụ. Số lượng phần tử đầu dò tích hợp vào mảng thay đổi đáng kể tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể và thiết kế của hệ thống. Cấu hình phổ biến thông thường là các mảng với 16, 32, 64, 128 hoặc 256 phần tử.

Ông Polu nói tiếp: “Một cảm biến có tần số 5 MHz thông thường cần 45 phút để kiểm tra một hợp kim hình vuông hoặc hình đĩa với kích thước 20,30 – 25,4 cm. Tuy nhiên, ngày nay, một mảng pha tiên tiến với 64-128 cảm biến và phần mềm tiên tiến để hiển thị hình ảnh có thể giảm thời gian kiểm tra xuống còn năm phút, với khả năng phát hiện chi tiết hơn các tạp chất hoặc khuyết tật nhỏ”.

Hệ thống quét mảng pha bao gồm nhiều phần tử đầu dò siêu âm được sắp xếp thành một mảng. Mỗi phần tử trong mảng được điều khiển độc lập về thời gian (pha) và biên độ kích thích. Cấu hình này cho phép điều khiển và hội tụ chùm tia siêu âm bằng điện tử bằng cách điều chỉnh thời gian và biên độ áp dụng cho từng phần tử.

Hệ thống SAM mảng pha mang lại những ưu thế cho các ứng dụng yêu cầu kiểm tra thông lượng cao (high-throughput inspection) (*). Các hệ thống này đặc biệt phù hợp để đánh giá không phá hủy vật liệu tổng hợp, cấu trúc được liên kết và các bộ lắp ráp điện tử. Chúng cũng hỗ trợ chụp ảnh thời gian thực với độ sâu tiêu cự có thể điều chỉnh, giúp tăng cường hiệu quả trong việc đánh giá các đặc điểm bên trong vật liệu ở nhiều độ sâu khác nhau.
(*) Kiểm tra thông lượng cao: kiểm tra số lượng lớn các sản phẩm hoặc các chi tiết trong thời gian ngắn.

Ông Polu nói thêm: “Để tạo ra hình ảnh, các mẫu vật liệu được quét từng điểm và từng dòng một. Các chế độ quét đa dạng từ chế độ xem một lớp đến quét khay chứa mẫu và quét mặt cắt ngang. Quét nhiều lớp có thể bao gồm tối đa 50 lớp độc lập. Thông tin độ sâu cụ thể có thể được trích xuất và áp dụng để tạo ra hình ảnh hai chiều và ba chiều mà không cần các quy trình quét cắt lớp tốn thời gian hoặc thiết bị x-quang chi phí cao. Sau đó, các hình ảnh được phân tích để phát hiện và mô tả các khuyết tật như vết nứt, tạp chất và lỗ rỗng.”

Theo ông Polu, hệ thống SAM có thể được thiết kế riêng để tích hợp hoàn toàn vào các hệ thống sản xuất hàng loạt. Khi cần thông lượng cao để kiểm tra 100%, các hệ thống quét cổng đơn hoặc cổng kép siêu nhanh sẽ được sử dụng cùng với 128 đầu dò cho chức năng quét mảng pha.

Bộ số hóa
Trong kính hiển vi âm học quét, bộ số hóa tiếp nhận tín hiệu điện áp tương tự nhận được từ đầu dò (sau khi được khuếch đại bởi bộ tạo xung/ bộ thu), và chuyển đổi chúng sang thông tin định dạng số. Dữ liệu số này sau đó được sử dụng để tái tạo và phân tích hình ảnh, cho phép hình dung chính xác các đặc điểm bên trong của vật thể được kiểm tra. Bộ số hóa rất quan trọng trong việc chuyển đổi thông tin âm thanh thô thành hình ảnh có độ phân giải cao, và có thể sử dụng được.

Bộ số hóa chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số bằng cách lấy mẫu dạng sóng đầu vào theo các khoảng thời gian cụ thể, được gọi là tốc độ lấy mẫu. Tốc độ lấy mẫu cao hơn sẽ thu được nhiều điểm dữ liệu hơn trên mỗi giây, cho phép tái tạo tín hiệu gốc chính xác hơn. Theo ông Polu, để tránh bị nhiễu tín hiệu và bảo toàn tính toàn vẹn của tín hiệu, tốc độ lấy mẫu thường phải lớn hơn hoặc bằng gấp đôi tần số cao nhất hiện có trong tín hiệu.

Ông Polu chia sẻ: “Lượng dữ liệu được tạo ra sẽ tăng lên khi tốc độ lấy mẫu tăng, do đó tốc độ lấy mẫu thấp nhất có thể tái tạo chính xác tín hiệu gốc sẽ giúp cải thiện thông lượng”.

Phần mềm
Phần mềm điều phối tất cả các thành phần của hệ thống quét siêu âm như SAM. Nó tương tác với bộ số hóa, bộ điều khiển chuyển động và bộ tạo xung/ bộ thu xung kỹ thuật số để điều phối hoạt động của chúng. Phần mềm được sử dụng để điều chỉnh vị trí của mẫu hoặc đầu dò trong không gian ba chiều, kích hoạt đầu dò và xử lý dữ liệu sóng thu được thành hình ảnh 2D và 3D.

Cũng quan trọng như các yếu tố vật lý và cơ học khi thực hiện một lần quét, phần mềm là yếu tố then chốt để cải thiện độ phân giải và phân tích thông tin nhằm tạo ra các bản quét chi tiết.

Các tùy chọn quét đa trục cho phép thực hiện các chế độ quét A, B và C-scan (1), theo dõi đường viền, phân tích ngoại tuyến (off-line analysis) (2) và quét lại ảo (virtual rescanning) (3) cho nhiều loại vật liệu. Điều này mang lại khả năng kiểm tra khuyết tật bên trong và bên ngoài với độ chính xác cao để tìm kiếm lỗi và đo độ dày thông qua phần mềm kiểm tra.
(1) A-Scan: hiển thị dạng sóng (biên độ và thời gian) tại một điểm duy nhất, cung cấp thông tin về độ sâu và loại phản xạ tín hiệu.
B-Scan: hiển thị mặt cắt 2D dọc theo một đường thẳng, cho thấy sự phân bố khuyết tật theo chiều sâu.
C-Scan: hình ảnh phẳng 2D từ trên xuống của một lớp vật liệu cụ thể, hiển thị vị trí và kích thước của các khuyết tật (như lỗ hổng hoặc vết nứt) trên mặt phẳng đó.
(2) Phân tích ngoại tuyến: cho phép các kỹ thuật viên phân tích chuyên sâu dữ liệu quét đã thu thập trên một máy tính khác, không làm gián đoạn quá trình quét trực tiếp.
(3) Quét lại ảo: khả năng xử lý lại dữ liệu siêu âm thô đã lưu trữ để tạo ra hình ảnh mới, thay đổi độ sâu tiêu cự, hoặc áp dụng các thuật toán lọc khác mà không cần quét lại mẫu vật thật. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và tài nguyên rất lớn.

Các cấp độ phần mềm khác nhau có thể là đơn giản và thân thiện với khách hàng, cấp độ nâng cao để phân tích chi tiết hoặc tự động hóa để quét trong sản xuất. Chế độ phân tích ngoại tuyến cũng có sẵn cho việc quét ảo.

Ông Polu ước tính rằng mô hình dựa trên phần mềm của công ty OKOS cho phép họ giảm đáng kể chi phí thử nghiệm SAM mà vẫn đảm bảo chất lượng kết quả kiểm tra tương đương. Do đó, các phòng thử nghiệm quy mô nhỏ cũng có thể dễ dàng đầu tư loại thiết bị này.

Trong kính hiển vi âm học quét, hiệu suất không chỉ phụ thuộc vào chất lượng của từng thành phần mà còn phụ thuộc vào sự tích hợp hiệu quả của chúng.

Kính hiển vi âm học quét đạt hiệu quả tối đa khi bộ chuyển đổi, bộ số hóa và phần mềm hoạt động phối hợp liền mạch. Hiệu suất không chỉ phụ thuộc vào chất lượng của từng thành phần riêng lẻ mà còn phụ thuộc vào mức độ tích hợp của chúng như một hệ thống thống nhất.

Khi được phối hợp chính xác, các yếu tố này cho phép tốc độ quét cao hơn, phát hiện lỗi tốt hơn ở quy mô nhỏ hơn và cải thiện độ rõ nét của hình ảnh. Mức hiệu suất này cho phép các doanh nghiệp sản xuất xác định vấn đề sớm, nâng cao chất lượng sản phẩm và duy trì lợi thế cạnh tranh trong các ngành công nghiệp mà những lỗi nhỏ có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

Để xem các tin bài khác về “Kính hiển vi”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Metalworking World Magazine