你的电车能不能稳定跑，这块芯片很关键

韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）电气电子计算机科学系金昌浩教授团队，近日研发出一种螺旋透镜聚焦型超声换能器：研究人员在透镜侧壁刻制螺纹结构，大幅降低影响超声成像质量的内部噪声。借助该换能器，半导体芯片内部的极微小缺陷得以清晰检出，有望推动电动汽车、航空航天等高可靠性应用场景下半导体质检技术的发展。

近年来，电动汽车与航空航天产业快速增长，功率半导体需要在高压、高温环境下稳定工作，其可靠性要求随之愈发严苛。碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体在电驱、充电基础设施等场景加速应用，芯片内部任何细微的空洞或裂纹都可能引发局部过热、电流密度不均乃至器件失效，使得无损检测环节的重要性持续上升。与X光检测、光学检测相比，超声检测穿透能力强，可在不损伤器件的前提下检出芯片内部的微裂纹、空洞等缺陷，因此成为功率器件与半导体封装可靠性检测的关键手段。以功率模块为例，空洞缺陷会直接影响焊料层的热传导路径，长期运行下易诱发可靠性失效，业内对检测精度的要求也正从宏观裂纹筛查，逐步细化到对微米级缺陷的定量表征。

目前工业现场的半导体检测设备大多采用水柱透射超声方案（即“水浸法”）。受安装空间限制，传感器尺寸难以继续增大，由此长期存在一个痛点：超声波在小型透镜内部发生反射、相互干涉，形成杂乱的“边缘噪声”，严重降低成像清晰度。

消声室（吸音室）内壁带有楔形吸声结构，可有效抑制声波反射。受此启发，金昌浩团队提出了一项创新设计：在超声透镜原本光滑的侧壁上，密集加工倾斜的螺纹状凹槽。超声波射向透镜侧壁时，遇到螺纹斜面会向多个方向散射，从物理根源上消除了反射波汇聚形成噪声的问题。

通过计算机仿真，研究团队确定了兼顾降噪效果与加工可行性的最优螺纹参数（高度500微米、倾角30°），为透镜设计提供了新的规范参考。由于该技术只需对透镜外表面进行加工，不改变传感器整体尺寸，也不触及内部核心器件，因此可直接适配现有小型工业检测设备。对设备厂商而言，这意味着能够以较低的改动成本换取成像性能的显著提升，具备较好的产业化落地条件。

研究团队使用这款换能器对车用功率模块芯片进行检测：芯片内部的微结构与缺陷——例如仅有人的发丝四分之一粗细的金属引线、微型气泡——在传统传感器检测时会被噪声完全掩盖，如今得以清晰显现，成像清晰度媲美传统CT扫描，而检测全程无需破坏芯片，体现了超声无损检测兼顾精度与效率的工程优势。

金昌浩教授表示：“这项研究的意义在于，仅通过优化透镜外形，就解决了工业检测专用超声传感器设计中最大的难题——透镜内部噪声问题，为100MHz及以上超高频超声换能器的量产打下坚实基础。后续我们将与半导体厂商开展联合研究，针对各类实际工艺缺陷开展测试，加快开发适配产线需求的下一代无损检测系统。”

从产业格局来看，超声检测的分辨率与换能器工作频率直接相关：频率越高，可分辨的缺陷尺度越小，但内部噪声等工程难题也越突出。随着先进封装（如2.5D/3D堆叠、细间距互连）成为芯片性能提升的重要路径，芯片内部结构日益复杂，对高分辨率、高效率无损检测设备的需求正持续扩大。此次研究把噪声抑制方案与透镜加工工艺相结合，为超高频超声换能器提供了一条可量产的技术路径，也为相关设备在功率半导体、先进封装、动力电池及航空航天复合材料等领域的检测应用打开了空间。与此同时，电动汽车、储能等终端市场对功率器件良率与寿命的要求持续提高，也在倒逼检测设备向更高频率、更高分辨率方向演进。需要注意的是，该成果目前仍处于实验室验证阶段，距离产线大规模部署还需通过工艺稳定性、检测速度与成本控制等多项考验。