Trong lĩnh vực đo lường và kiểm tra không phá hủy (NDT), công nghệ Scanning Acoustic Microscopy (CSAM) ngày càng được ứng dụng rộng rãi để đánh giá nội cấu trúc của các linh kiện vi điện tử, gốm kỹ thuật, vật liệu composite và nhiều loại sản phẩm đòi hỏi độ tin cậy cao.

Vậy CSAM là gì, hoạt động ra sao và vì sao lại trở thành một trong những công cụ phân tích quan trọng trong QA/QC và nghiên cứu R&D? Hãy cùng tìm hiểu trong bài viết sau.

CSAM là gì?

Scanning Acoustic Microscopy (CSAM) – hay còn gọi là SAT (Scanning Acoustic Tomography) hoặc AMI (Acoustic Micro Imaging) – là một phương pháp kiểm tra không phá hủy sử dụnsóng siêu âm tần số cao (thường từ 10–200 MHz) hội tụ để tạo hình ảnh bên trong vật liệu. Khác với X-ray, CSAM đặc biệt nhạy với các khuyết tật cơ học như bong lớp (delamination), rỗ khí (voids) và nứt gãy bên trong các lớp vật liệu.

CSAM cho phép người vận hành "nhìn xuyên" vào trong cấu trúc mẫu vật và thu được ảnh chi tiết từng lớp một cách an toàn, nhanh chóng và không phá hủy.

Nguyên lý hoạt động của CSAM: Sóng siêu âm – phản xạ – tạo ảnh

1. Phát sóng siêu âm hội tụ

 CSAM sử dụng một đầu dò (transducer) phát sóng siêu âm tần số cao (thường từ 10 MHz đến hơn 300 MHz). Sóng siêu âm này được hội tụ bởi một ống kính âm học (acoustic lens), tạo ra chùm tia siêu âm chính xác tập trung vào điểm cần khảo sát trong vật thể.

 Vật thể thường được ngâm trong môi trường trung gian (như nước tinh khiết) để dẫn truyền sóng siêu âm hiệu quả.

2. Phản xạ tại ranh giới vật liệu – Vai trò của trở kháng âm học

Khi sóng siêu âm đi qua vật liệu và gặp các ranh giới giữa hai lớp có trở kháng âm học khác nhau (ví dụ như giữa lớp keo và không khí, hoặc giữa silicon và epoxy), một phần sóng sẽ bị phản xạ trở lại, phần còn lại truyền qua.

Trở kháng âm học (Z) = mật độ vật liệu (ρ) × tốc độ âm thanh (c)
→ Càng có sự chênh lệch lớn về trở kháng, tín hiệu phản xạ càng mạnh.

Ví dụ: Bong tách hoặc lỗ khí trong vật liệu sẽ tạo ra tín hiệu phản xạ rất rõ do không khí có trở kháng cực thấp so với vật liệu rắn xung quanh.

3. Thu tín hiệu và xử lý

Tín hiệu phản xạ sẽ được thu lại bởi chính đầu dò hoặc một đầu thu riêng biệt. Hệ thống xử lý tín hiệu sẽ phân tích:

• Thời gian phản hồi (Time-of-Flight) để xác định độ sâu,

• Biên độ của sóng để xác định cường độ phản xạ,

• Pha (Phase) để phân biệt kiểu phản xạ (dương – âm, phản ngược).

Từ đó, hệ thống tạo ra hình ảnh trực quan mô tả cấu trúc bên trong của mẫu theo nhiều chế độ hiển thị.

Các chế độ quét hình ảnh trong cơ bản CSAM

A-scan: Dạng xung phản xạ theo thời gian

• Là tín hiệu sóng âm phản xạ dạng 1 chiều (trục thời gian).

• Cho biết vị trí các lớp phản xạ dựa vào độ trễ thời gian.

• Ứng dụng chính: làm cơ sở cho B-scan và C-scan, kiểm tra nhanh tại một điểm.

B-scan: Hình ảnh mặt cắt dọc

• Là tập hợp của nhiều A-scan dọc theo một trục quét (X hoặc Y).

• Cho ra hình ảnh như một lát cắt đứng xuyên qua vật thể.

• Giúp xác định chiều sâu lỗi (delamination, disbond, crack...) và độ dày lớp.

C-scan: Ảnh lát cắt ngang tại độ sâu cố định

• Phổ biến nhất, trực quan nhất.

• Tạo ảnh "lát cắt" ngang tại một độ sâu cụ thể trong vật thể.

• Màu sắc biểu thị biên độ hoặc pha phản xạ

  → rất nhạy với khuyết tật nằm ngang như delamination hoặc voids.

Ưu điểm của CSAM trong kiểm tra

✅ Không phá hủy: có thể kiểm tra sản phẩm sau đóng gói.

✅ Phát hiện được lỗi siêu nhỏ ở lớp trong mà không cần cắt mẫu.

✅ Đa chế độ quét cho phép phân tích lỗi theo cả chiều sâu và mặt phẳng.

✅ Chính xác cao, phân giải tới vài micromet tùy theo tần số đầu dò.

References on CSAM

• Alter Technology: Scanning Acoustic Microscopy Overview

• Fraunhofer, IEEE, Semitracks...

Hình ảnh 5: C-Scan Image Mode

Hình ảnh 4: B-Scan Image Mode

Hình ảnh 3: B-Scan Image Mode

Hình ảnh 1: Nguyên lý hoạt động CSAM

Hình ảnh 2: Sơ đồ khối CSAM