摘要：半导体无损检测技术是在不破坏样品的前提下，对芯片内部结构进行可视化分析和缺陷检测的关键手段。随着集成电路工艺节点持续缩小（

原创赵俊红半导体工程师 2025年09月30日 09:04 北京

1半导体无损检测技术概述

半导体无损检测技术是在不破坏样品的前提下，对芯片内部结构进行可视化分析和缺陷检测的关键手段。随着集成电路工艺节点持续缩小（精准定位和非破坏性检测的要求日益提高。在众多无损检测技术中，X-Ray检测和超声扫描显微镜（SAT） 因其各自独特的技术优势，成为半导体制造与失效分析中应用最广泛的两种方法。

1.1 X-Ray检测技术

X-Ray检测技术利用X射线穿透物质的能力，通过检测样品内部不同结构对X射线的吸收差异来生成影像。其物理基础是原子对X射线的光电吸收效应，该效应与材料的原子序数、密度和厚度密切相关。当X射线穿透样品时，密度较高的区域（如金属互联）吸收更多射线，在探测器上形成较暗的阴影；而密度较低的区域（如空隙、裂纹）则允许更多射线通过，形成较亮的区域。

现代工业X-Ray检测设备已从简单的二维投影技术发展到三维计算断层扫描（CT），通过采集样品在不同角度的X射线投影图像，利用计算机重构出样品内部的三维结构。这种技术的进步使得检测精度从微米级提升至亚微米级，足以识别先进封装中微小的焊接缺陷和内部裂纹。

在半导体领域，X-Ray检测主要应用于：

封装工艺分析：检测芯片封装中的层剥离、开裂、空洞和打线工艺缺陷

焊接质量评估：特别适用于隐藏焊点的检测，如BGA封装中的气孔、浸润缺陷、焊桥等

内部结构验证：确认复杂三维集成芯片的内部互连完整性

失效分析：定位导致器件失效的内部短路、开路等缺陷

X-Ray检测的优势在于其卓越的穿透能力，能够可视化封装内部的金属结构和连接，且对样品准备要求较低。然而，其局限性在于对特定类型的缺陷（如细微的分层、裂纹）检测灵敏度有限，且设备成本相对较高，操作人员需具备辐射防护知识。

1.2 SAT（超声扫描显微镜）技术

超声扫描显微镜（SAT），也称为声扫描显微镜，是一种基于超声波脉冲回波原理的无损检测设备。其工作原理是利用压电换能器发射高频超声波（通常为1-110MHz）通过耦合液（通常是水）传递到被测样品，当超声波遇到材料内部不同阻抗的界面时，会发生反射、散射和模式转换，接收器捕捉这些回波信号，通过分析回波的幅度、相位和时间差来生成样品内部结构的二维或三维图像。

SAT技术的核心在于不同材料之间的声阻抗匹配，当超声波穿过两种不同材料的界面时，声阻抗差异越大，反射回波的强度就越高。这使得SAT特别适合检测材料之间的分层、裂缝和空洞等缺陷。

SAT的工作模式主要分为：

反射模式：通过分析从样品内部界面反射回来的超声波来检测缺陷

透射模式：通过检测穿透样品的超声波来评估材料的均匀性

多种扫描方式：包括C扫（平面视图）、B扫（截面视图）等，提供不同维度的检测视角

在半导体领域，SAT技术主要应用于：

分层缺陷检测：识别塑封器件、芯片粘接中的分层、裂纹等界面缺陷

晶圆键合质量：评估晶圆与基板之间的键合完整性和均匀性

复合材料分析：检测金刚石复合材料、陶瓷基板等内部结构完整性

假冒元器件识别：通过标识层多层扫描发现二次打标痕迹

SAT的优势在于对界面缺陷极其敏感，能检测出微米级的分层和裂纹，且不受金属层遮挡的影响。但其局限性在于需要耦合介质（通常是水），可能不适用于某些敏感器件，且对粗糙表面或复杂几何形状的样品检测效果会受到影响。

1.3 技术对比总结

表：X-Ray与SAT无损检测技术核心参数对比

在实际半导体制造与失效分析工作中，X-Ray和SAT技术常互为补充而非简单替代。X-Ray更适合检测金属互联、焊接点和内部结构的三维可视化，而SAT则在检测材料界面缺陷（如分层、裂纹）方面表现卓越。许多先进的失效分析实验室会同时配备这两种设备，根据具体检测需求选择最合适的技术方案。

2 主流设备品牌与市场格局分析

半导体无损检测设备市场由国际知名品牌主导，这些企业凭借多年的技术积累和持续的研发投入，在高端市场占据领先地位。然而，近年来国产品牌也在持续技术突破，凭借性价比和本地化服务优势，逐步扩大市场份额。以下将综合分析当前市场上X-Ray和SAT设备的主流品牌、型号及其市场定位。

2.1 国际主流品牌与型号

Comet Yxlon：作为工业X射线检测领域的全球领导者，Comet Yxlon（源自飞利浦工业X射线部门）提供从研发实验室到生产环境的全方位无损检测解决方案。其设备采用封闭式射线管设计和智能成像系统，在保证稳定性的同时将辐射泄漏控制在远低于国际标准的水平。Comet Yxlon在半导体封装检测、电子制造和航空航天领域具有显著优势，其高端型号支持纳米级焦点X射线源，可实现亚微米级的分辨率，满足最先进的半导体封装检测需求。

ZEISS（蔡司）：作为光学和光电领域的全球知名品牌，蔡司的X射线检测设备以其卓越的图像质量和精密的测量能力著称。蔡司工业CT系统结合了高精度机械平台和先进的重建算法，能在不破坏样品的情况下对芯片内部进行三维计量和分析。蔡司于1957年进入中国市场，在大中华区覆盖半导体制造技术、工业质量解决方案等领域，为高端半导体制造和科研机构提供全面的检测解决方案。

Waygate Technologies：作为贝克休斯公司旗下的工业检测解决方案品牌，Waygate Technologies专注于无损检测领域，在工业射线检测和计算机断层扫描方面提供广泛的解决方案组合。其设备采用相控阵技术和先进的图像处理算法，可实现缺陷的精确定位和分类。该品牌的产品广泛应用于汽车、航空、能源、电子等行业，特别是在高可靠性要求的半导体应用领域表现卓越。

Nikon（尼康）：尼康不仅是摄影领域的知名品牌，也是微焦点X射线CT系统的先驱者。早在1986年就开始制造微焦点X射线CT系统，并研发了世界上首台450kV微焦点X射线管，打破了高能量与高分辨率不可兼得的技术壁垒。尼康的X射线/CT系统产品被广泛应用于汽车和航空航天等各领域，特别在半导体封装的三维检测和故障分析中发挥着重要作用。

Nordson（诺信）：通过收购知名X射线检测系统供应商Dage和Yestec，Nordson TEST&INSPECTION已成为半导体检测领域的重要参与者。其产品线涵盖声学、光学和离线X光检测、全自动X光检测、X射线元件计数等多种技术，为半导体封装和电子组装提供全面的质量检测方案。

2.2 国产品牌与型号

日联科技（UNICOMP）：日联科技成立于2009年，2023年上市（股票代码：688531），是中国X射线智能检测装备领域的领军企业。其重要技术突破是研制出了中国首款封闭式热阴极微焦点X射线源，打破了国外厂商在核心部件方面的垄断。日联科技为半导体集成电路、电子制造、新能源电池等领域的客户提供X射线智能检测装备，其设备在性价比和本地化服务方面具有明显优势。

广东三本工业测量仪器有限公司：三本工业测量仪器采用封闭式射线管技术与智能成像系统相结合的技术路线，设备在长期连续工作状态下表现出优异的稳定性。公司开发的多模态图像优化系统能够根据不同材质的衰减特性，自动匹配最佳成像参数组合，并引入深度学习去噪算法，在降低X射线剂量的同时保持图像信噪比。这种技术特别适合精密电子元件的长期重复检测，既保护了敏感元器件不受辐射损伤，又延长了设备核心部件的使用寿命。

美亚光电（MEYER）：美亚光电始创于1993年，是一家专注于智能识别核心技术与产品研发的高新技术企业，主要生产人工智能色选机、X射线检测设备和高端医疗设备等产品。其在X射线检测设备领域拥有多年技术积累，产品广泛应用于工业检测及医疗卫生等领域，服务网络覆盖全国省市和地区，并在全球近百个国家提供高品质的产品和服务。

2.3 超声扫描显微镜（SAT）主要厂商

在SAT领域，虽然国际市场主要由德国PVA、美国Sonoscan等品牌主导，但国产品牌也在持续发展。值得一提的是，华测检测（CTI） 等专业检测服务机构已提供SAT检测服务，配备低频（15MHz、25MHz、30MHz）、中频（50MHz、75MHz）和高频（100MHz、120MHz、230MHz）等多种探头，可满足不同样品的非破坏检测需求。

2.4 设备品牌综合对比

表：主流无损检测设备品牌与市场定位对比

3 国内市场需求与典型用户分析

随着中国半导体产业快速发展，尤其是在新能源汽车、5G通信和人工智能等领域对高可靠性芯片的需求激增，无损检测设备市场呈现持续增长态势。根据QYResearch报告显示，全球工业级无损检测3D扫描仪市场在2025年将达到可观规模，其中亚太地区（尤其是中国）是增长最快的市场之一。国内用户在不同应用场景下对设备品牌的选择呈现明显差异，体现出多层次、多元化的市场需求特点。

3.1 不同领域用户需求分析

大型晶圆制造与封装厂（如中芯国际、长电科技、通富微电）：这些企业主要采购Comet Yxlon、ZEISS等国际高端品牌设备，用于先进工艺研发和高端产品检测。它们关注设备的检测精度、稳定性和重现性，追求技术领先性和分析精度，以满足7nm以下先进制程和2.5D/3D先进封装的苛刻检测要求。这类用户通常配备完整的无损检测实验室，涵盖X-Ray、SAT等多种检测手段。

汽车电子企业（如华为车BU、比亚迪半导体、德赛西威）：随着汽车电子可靠性要求不断提高，这些企业倾向采用Waygate Technologies和Nikon等品牌的设备，满足车规级芯片的高低温循环测试、电磁兼容性测试等严苛要求，确保产品符合AEC-Q100标准。它们特别关注设备对焊接缺陷（如虚焊、冷焊）的检测能力，以及统计过程分析（SPC）功能，以实现全面质量管控。

军工与航空航天企业：这类用户对设备的可靠性和检测精度要求极高，通常会选择Nikon和Waygate Technologies等具有军工背景或经验的品牌。它们关注设备在特殊环境下的稳定性，以及应对各种复杂复合材料检测的能力。部分涉及国家安全的单位还会特别要求设备具备本地化数据存储和断网操作功能，以确保检测数据安全。

高校与科研机构（如清华大学微电子所、中国科学院微电子研究所）：根据预算和科研需求，既有选择ZEISS、Nikon等国际品牌，也有采用日联科技、广东三本等国产高性价比设备。高校实验室关注设备的多功能性和教学友好性，平衡性能与预算，同时重视设备是否支持二次开发和算法研究。

中小检测实验室与初创企业：受预算和场地限制，多选择日联科技、美亚光电等国产设备，满足基础检测和常规失效分析需求。它们特别关注设备的性价比、操作简便性和维护成本，且往往需要设备能够应对多种不同类型样品的检测需求。

3.2 典型应用案例分析

半导体封装分层分析：某半导体封装企业采用SAT设备对塑封器件进行分层检测，通过高频探头（100MHz）成功识别出芯片粘接层中的微米级分层缺陷，该缺陷在温度循环测试后加剧，导致器件早期失效。SAT技术的界面敏感特性使其成为此类检测的首选方法。

BGA焊接质量评估：某汽车电子制造商引入X-Ray CT系统，对BGA封装的隐藏焊点进行三维检测，成功检测出焊料球中的空洞、桥接和冷焊等缺陷，通过优化回流焊工艺参数，将焊接不良率从2.3%降低至0.1%以下。

晶圆键合质量验证：某MEMS传感器制造商使用SAT的透射模式对硅-玻璃键合晶圆进行全检，快速识别出键合界面中的未键合区域，通过优化键合工艺参数，将键合良率从75%提升至95%以上。

假冒芯片识别：某元器件分销商通过SAT的多层扫描功能，发现一批芯片表面标识下方存在原始标识痕迹，确认为二次打标的假冒产品，避免了潜在的质量风险和经济损失。

3.3 国产化替代现状与机遇

目前，国际品牌仍占据中国半导体无损检测设备市场的主要份额，尤其在高端应用和先进制程领域。Comet Yxlon、ZEISS、Nikon等在各自细分领域保持技术领先。但国产品牌正在逐步突破，市场份额持续提升，主要体现在：

技术差距缩小：国产设备如日联科技的X射线检测设备在检测精度、稳定性和自动化程度等方面已接近国际水平，支持半导体集成电路、新能源电池等领域的检测需求。

核心部件突破：日联科技成功研制出中国首款封闭式热阴极微焦点X射线源，打破了国外厂商在核心部件方面的垄断，为国产设备的自主可控奠定了坚实基础。

性价比优势明显：国产设备价格通常为国际品牌的60%-80%，且提供更灵活的付款方式（如分期采购），降低中小企业采购门槛。

服务响应速度快：国内厂商如日联科技（全国多地分支机构）、广东三本（华南地区）提供快速的售后响应服务，而国际品牌通常需要通过代理商，响应周期较长。

4 市场趋势与采购决策建议

4.1 技术发展趋势

半导体无损检测设备技术正朝着更高精度、更智能分析和更全面功能方向发展，主要趋势包括：

技术融合与多模态成像：将X-Ray、SAT等多种检测技术集成在同一平台，或通过数据融合技术综合不同技术的检测结果，实现互补优势，提高失效分析成功率。如现代失效分析实验室已普遍同时配置X-Ray和SAT设备，分别用于检测金属互联和界面分层问题。

AI与智能化分析：引入人工智能和机器学习技术，自动识别缺陷并分类，减少对操作人员的依赖，提高检测效率和一致性。如广东三本工业测量仪器已引入深度学习去噪算法，在降低X射线剂量的同时保持图像信噪比。

三维CT成为标准配置：工业CT从可选配置逐渐成为高端X-Ray设备的标准功能，提供更直观的三维结构和更精确的缺陷定位能力。X射线检测技术也朝着高精度、智能化方向发展，紧跟半导体封测的新趋势新要求。

在线与自动化检测：随着制造业对全检需求的增加，无损检测设备从离线抽检向在线全检发展，集成到生产线实现实时质量监控和反馈控制。如厦门半导体检测设备有限公司开发的在线式检测系统能够实现0.1mm²芯片区域的自动缺陷分类，检测速度达到每秒5个单元。

更高分辨率与灵敏度：随着半导体特征尺寸不断缩小，无损检测设备需要不断提升空间分辨率和缺陷检测灵敏度。SAT设备的探头频率已高达230MHz，X-Ray设备的焦点尺寸也降至亚微米级，以满足先进制程的检测需求。

4.2 采购决策建议

基于对半导体无损检测设备市场的综合分析，为半导体企事业单位提供以下采购建议：

按应用场景选择：

高端半导体制造与研发：优先选择Comet Yxlon、ZEISS或Nikon的高端CT系统，支持亚微米级分辨率和三维分析能力。

汽车电子检测：选择Waygate Technologies或Nikon的X-Ray设备，满足车规级可靠性要求和焊接质量检测需求。

分层与界面缺陷分析：首选SAT设备，如德国PVA或美国Sonoscan品牌，专注于材料界面质量问题。

高校/研发实验室：考虑日联科技或广东三本的X-Ray设备，平衡性能与预算，支持科研和教学工作。

量产在线检测：选择日联科技或厦门半导体检测的在线式系统，实现高效率的自动化检测。

按预算选择：

300万元以下：国产X-Ray设备（如日联科技、美亚光电基础型）或SAT基础配置，满足基本检测需求。

300万-800万元：国产高端X-Ray CT系统（如广东三本高配）或国际品牌中端配置（如Waygate Technologies中端机型），平衡性能与预算。

800万元以上：国际品牌高端CT系统（如Comet Yxlon、ZEISS、Nikon高端型），追求顶级性能和技术支持。

供应商评估要素：

技术参数验证：不仅关注实验室指标，更要通过实际样品测试验证设备在具体应用场景下的表现。

核心部件来源：了解X射线源、探测器等核心部件的品牌和技术水平，这直接影响设备性能和可靠性。

软件功能与易用性：评估图像处理算法、数据分析工具和用户界面设计，好的软件能极大提升检测效率。

服务网络与响应：优先选择本地化服务完善的供应商，如日联科技（上市企业）、广东三本（技术支持团队）提供快速响应服务。

合规性与认证：选择符合SEMI S2安全标准、ISO 9001认证的设备，确保长期稳定运行和检测结果的可信度。

升级与扩展能力：预留射频接口、温度控制模块等升级空间，适应未来需求变化。

战略考量：

国产化替代机会：在非关键制程或中低端产品检测中尝试国产设备，逐步验证其性能，为全面国产化替代积累经验。

数据互联互通：考虑设备是否能与工厂MES、QMS系统集成，实现检测数据的全面管理和分析。

技术培训与支持：评估供应商的技术培训能力，确保操作人员能充分发挥设备性能。

5 结论

半导体无损检测设备（X-Ray与SAT）作为确保芯片可靠性和良率的关键工具，在半导体制造与失效分析中发挥着不可替代的作用。当前市场由国际品牌主导，但国产品牌正凭借不断提升的技术、明显的性价比优势和本地化服务能力加速国产替代进程。

对于半导体企事业单位，设备选型需综合考虑技术需求、预算限制和长期发展策略。在汽车电子、先进封装等高可靠性领域，建议优先选择国际高端品牌；在常规检测、教学科研和中低端制造领域，可考虑性价比更高的国产设备。随着中国半导体产业自主可控需求增强，选择支持具备核心技术的国产设备厂商，不仅有助于降低成本，更能促进产业链协同发展。

未来，无损检测设备将朝着多技术融合、AI智能化和专项检测能力方向发展，半导体企业应密切关注技术趋势，适时更新设备能力，以应对日益复杂的芯片质量检测挑战。同时，随着日联科技等国内企业实现核心部件突破，国产设备在中高端市场的竞争力将不断增强，为中国半导体产业自主可控提供有力支撑。