LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

Головна Електроніка. Обчислювальна техніка → Фотоакустична мікроскопія з оптимізованою п'єзоелектричною реєстрацією сигналів

для вільного і сигнал/шум = 29 дБ для навантаженого).

Перевага вигинних п'єзоперетворювачів біморфного типу є у тім, що біморфне включення п'єзоелементів із об'єднаними електродами із протилежним зарядом (мал.5) забезпечує взаємну компенсацію електричного шуму в п'єзоелектричних пластинах, обумовленого міграційними процесами в об'ємі п'єзокераміки та зовнішніми впливами. Тому застосування біморфного п'єзопертворювача в ФАМ є більш ефективним у порівнянні з п'єзокерамічним перетворювачем зі збудженням подовжньої та зсувної мод коливань, тому що забезпечує більше значення сигнал/шум на виході п'єзодатчика.

Виходячи з оцінки абсолютної чутливості (мал.6) і діапазону робочих частот різних конструкцій біморфів, як оптимальну конструкцію датчика для ФАМ був обраний п'єзоперетворювач біморфного типу із консольним кріпленням, чутливість якого перевищила в 2 – 2,5 рази чутливість інших конструкцій, а резонансна частота була в 2,27 рази менше, ніж при вільному опиранні країв (при однакових розмірах п'єзоелементів).

Аналіз залежності розмірів п'єзоелементів від частоти резонансу показав, що неефективно використовувати роботу датчика в резонансному режимі. Діапазон робочих частот ФАМ лежить в області частот (від 20 Гц до 3 кГц) набагато менших, ніж частота першого резонансу п'єзодатчиків біморфного типу ЦТС-19. Для таких низьких частот резонансу п'єзоелемент повинен мати дуже велику довжину при малій товщині (=10 кГц для довжини 100 мм і товщини 0,3 мм). Низька міцність такої конструкції не дозволяє застосовувати її в ФАМ. Враховуючи висновки проведеного аналізу п'єзоперетворювачів різного типу та умови їх роботи, була запропонована конструкція та технологія виготовлення п'єзодатчика біморфного типу для застосування у ФАМ як детектора акустичних коливань в об'ємі твердого тіла (мал.7).

Запропонований датчик має наступні переваги: високу ефективність, швидке перетворення механічної енергії в електричну, високу чутливість, гарну тимчасову і температурну стабільність, а також невеликі розміри, механічну міцність, простоту виготовлення, низьку вартість, можливість масового виробництва.

Фотоакустичні зображення, отримані за допомогою ФАМ, що використовує виготовлений по запропонованій конструкції п'єзодатчик, мали кращу якість зображення і більш високий максимальний контраст (80% замість 60%) у порівнянні з зображеннями тих же структур, отримані ФАМ із традиційним датчиком подовжнього типу.

У четвертому розділі описана автоматизована система фотоакустичного контролю, що була реалізована на падприємстві "Техноторг" (м. Київ). Використання запропонованої автором конструкції датчика дозволило зменшити порог чутливості мікроскопа до 2 мкм, зберігши всі інші структурні елементи мікроскопа, розміри установки (2000х1500х1000мм), діапазон робочих частот (0,2-2 кГц) і час одержання зображення (5-30 с).

На основі аналізу джерел погрішностей у ФАМ запропоновані рекомендації зі зменшення і компенсації інструментальних, методичних і статистичних погрішностей, що були використані при виборі оптимальних режимів роботи ФАМ.

Закономірності, що були получені внаслідок моделювання фотоакустичної мікроскопії з п'єзоелектричною реєстрацією, та використання оптимізованої конструкції п'єзодатчика дозволили провести дослідження різних елементів інтегральних схем, в тому числі мікрозварних з'єднань та оцінити їх якість по контрасту отриманих фотоакустичних зображень.

В основі методики контролю якості адгезії шарів було покладено припущення, що неякісні з'єднання характеризуються відшаруванням поверхонь, що з'єднуються, чи нещільним притисканням одного елемента з'єднання до іншого. Таким чином, з'єднання може характеризуватися неоднорідністю адгезії, тобто чергуванням площ з гарною адгезією і її відсутністю. У цьому випадку амплітуда і фаза ФАС у місці відшарування будуть мати значення, відмінні від амплітуди і фази ФАС у місці з'єднання із гарною адгезією. Це зв'язано із тим, що регіон взаємної дифузії матеріалів, що з'єднуються, мало впливає на теплопровідність усієї структури в порівнянні з впливом відшарування. Отже, якість адгезії можна оцінити рівнем амплітуди чи фази ФАС щодо рівня, який відповідає гарної адгезії, тобто по контрасту фотоакустичного зображення.

Контраст амплітудного фотоакустичного зображення визначається як відносна зміна амплітуди ФАС, обумовлена відшаруванням:

,

де — амплітуда ФАС у точці відшарування шарів;

— амплітуда ФАС у точці адгезії шарів;

— товщина щілини між шарами; — частота модуляції.

Машинні методи аналізу фотоакустичного зображення дозволяють дати інтегральну оцінку якості мікроз'єднання, що використовує відношення площі ділянок із якісною адгезією S до загальної площі зварної ділянки S0. При перевірці якості зварювання зразків традиційним методом контролю — вимірюванні сили відриву, було доведено, що при S/S0 60% якість зварювання можна вважати відмінною. Сила відриву при цьому складає більш 0,15 Н при нормі ОСТа 0,05 Н. При 45% S/S0 60% якість зварювання може ще вважатися задовільною, але при S/S0 45% якість з'єднання не задовольняє нормі по вимогах ОСТа. Сила відриву в цьому випадку складає меньш 0,05 Н.

Результати досліджень показали можливість фотоакустичної реєстрації і візуалізації відшарувань верхніх шарів напівпровідникових приладів на частотах до 10 кГц, для яких верхній шар є термічно тонким. Проведені експерименти доводять, що ФАМ є швидким, дешевим, а головне, неруйнівним методом, що дозволяє оцінити якість адгезії з'єднаннь на стадії процесу збирання напівпровідникових приладів.

ФАМ дозволяє отримувати пошарову інформацію підповерхневої структури мікросхем. Глибина візуалізації залежить від частоти модуляції. Тому, змінюючи частоту можна одержувати зображення різних шарів. На мал.10 наведені два зображення однієї мікросхеми, але перше зображення отримане для частоти модуляції 1 кГц, а друге — для частоти 500 Гц. На другому зображенні можна спостерігати дефекти "А" і "Б", що відсутні на першому. Це обумовлено тим, що в зв'язку з різною частотою модуляції відрізняється і глибина візуалізації, тобто два зображення несуть інформацію про різний підповерхневі шари взірця.

Проведені дослідження різних елементів інтегральних схем підтверджують, что фотоакустичний метод неруйнівного контролю дає можливість візуалізації підповерхневої структури виробів незалежно від типу напівпровідникового приладу, матеріалів, з якого він виготовлений, і технології виготовлення.


ОСНОВНІ ВИСНОВКИ


В дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в поліпшенні якісних параметрів фотоакустичного мікроскопу за рахунок оптимізаціїї п'єзлелектричної реєстрації сигналів. Реалізація визначеної мети грунтувалася на розв'язанні наступних завданнь:

1. Створення математичної моделі фотоакустичної мікроскопії твердого тіла з внутрішніми неоднорідностями з п'єзоелектричною реєстрацією, що враховує теплофізичні властивості об'єкта та умови експерименту.

2. Розробка методики аналізу фотоакустичного сигналу з метою одержання найбільш повної інформації про об'єкт дослідження.

3. Розрахунок контрасту фотоакустичних зображень на основі розробленої моделі.

4. Розробка оптимальної конструкції п'єзоперетворювача для поліпшення основних технічних характеристик ФАМ.

5. Упровадження результатів проведених