LibRar.Org.Ua — Бібліотека українських авторефератів

Загрузка...

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

по контрасту отриманих фотоакустичних зображень.

Ключові слова: фотоакустична мікроскопія, неруйнівний контроль, моделювання процесів, дефекти, п'єзодатчики.


Верцанова Е.В. Фотоакустичская макроскопия с оптимизированной пьезоэлектрической регистрацией сигналов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 – Твердотельная электроника. – Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2000.

Диссертационная работа посвящена исследованию фотоакустического метода неразрушающего контроля качества материалов и изделий электронной техники и улучшения его качественных характеристик за счет оптимизации пьезоэлектрической регистрации сигналов.

Показана эффективность фотоакустической микроскопии (ФАМ) для регистрации и оценки различных структурных дефектов и неоднородностей в объеме твердых тел. Построена одномерная математическая модель пьезоэлектрической регистрации фотоакустического эффекта (ФАЭ) в оптически непрозрачных термически толстых твердых телах с внутренними неоднородностями, учитывающая влияние неоднородностей и условий работы системы "объект — пьезопреобразователь" на фотоакустический сигнал (ФАС).

Получено точное решение этой модели, что позволяет рассчитать амплитуду и фазу ФАС для образцов с заранее известной подповерхностной структурой, а также решить обратную задачу — по экспериментально полученным амплитудным и фазовым характеристикам восстановить необходимую информацию о физических свойствах исследуемого объекта.

Предложенный принцип построения модели, основанный на решении системы уравнений термоупругости для каждого слоя, моделирующего объект с дефектом, и методика ее решения, основанная на математической теории дифференциальных вычислений, являются перспективными для моделирования ФАЭ в многослойных структурах.

Разработано программное обеспечение для проведения вычислений и построения двухмерных и трехмерных графиков, что позволяет проводить анализ ФАС и применять предложенную модель для практических исследований.

Рассчитаны теоретические зависимости амплитуды и фазы ФАС от частоты модуляции, толщины и глубины залегания дефекта позволяют оценить теоретический порог чувствительности ФАМ и максимальную глубину визуализации дефекта. Для модельного образца для частоты модуляции 1 кГц минимальный размер дефекта, который может быть обнаружен ФАМ, составил 0,2 мкм, а максимально возможная для обнаружения глубина залегания дефекта – 0,45 мм, что равняется трем длинам тепловой диффузии.

Рассчитаны контраст амплитудного и фазового фотоакустических изображений и его зависимость от частоты модуляции, толщины и глубины залегания дефекта. Установлено, что фазовые изображения являются более чувствительными при обнаружении дефектов достаточно малых размеров (менее 1 мкм).

Впервые проведено исследование различных конструкций пьезопреобразователей для ФАМ. В результате анализа датчиков по таким критериям, как чувствительность, диапазон рабочих частот, материал и размеры пьезоэлемента, прочность и дешевизна, разработан пьезопреобразователь биморфного типа, выполненный из пьезокерамики ЦТС-19. Преимущество изгибных пьезодатчиков биморфного типа объясняется тем, что биморфное включение пьезоэлементов с объединенными электродами с противоположным зарядом обеспечивает взаимную компенсацию электрического шума в пьезоэлектрических пластинах, обусловленного миграционными процессами в объеме пьезокерамики и внешними воздействиями, и который является причиной ограничения качественных параметров ФАМ. Использование предложенной конструкции в ФАМ позволило понизить порог чувствительности микроскопа до 2 мкм.

Теоретические и практические результаты исследований были использованы при проектировании и реализации ФАМ и диагностике реальных объектов. Возросшие в результате оптимизации пьезоэлектрической регистрации чувствительность ФАМ и контрастность полученных фотоакустических изображений позволили увеличить достоверность результатов контроля.

На основании анализа источников погрешностей в ФАМ предложены рекомендации по уменьшению и компенсации инструментальных, методических и статистических погрешностей, которые были использованы при выборе оптимальных режимов работы ФАМ.

Проведены исследования различных элементов интегральных схем, в том числе микросварных соединений, и определены кретерии оценки их качества по контрасту полученных изображений. В основе методики контроля качества микросоединений было положено предположение, что контраст фотоакустического изображения в месте соединения с плохой адгезией будет отличаться от контраста участка с хорошей адгезией. Это связано с тем, что регион взаимной диффузии соединяемых материалов мало влияет на теплопроводность всей структуры по сравнению с влиянием отслоения. Следовательно, качество адгезии можно оценить по изменению контраста фотоакустического изображения.

Машинные методы анализа фотоакустического изображения позволяют дать интегральную оценку качества микросоединения, использующую отношение площади участков с качественной адгезией S к общей площади свариваемого участка S0 и провести отбраковку изделий по принципу "годен"-"не годен".

Результаты исследований показали возможность фотоакустической регистрации и визуализации отслоений верхних слоев полупроводниковых приборов на частотах до 10 кГц, для которых верхний слой является термически тонким.

Ключевые слова: фотоакустическая микроскопия, неразрушающий контроль, моделирование процессов, дефекты, пьезодатчики.


Vertsanova O.V. Photoacoustic microscopy with optimized piezoelectric registration of signals. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of the candidate of technical sciences on the speciality 05.27.01 - Solid-state electronics. - National technical university of Ukraine "Kiev polytechnic institute ", Kiev, 2000.

Thesis is devoted to research of a photoacoustic method of nondestructive quality control of materials and devices of electronic engineering and improvement it's qualitative characteristics at the expense of optimization of piezoelectric registration of signals.

As a result of the theoretical and practical researche of a various types of piezotransducers and the conditions of their operation, the design of bimorph piezoelectric sensor for photoacoustic microscope was offered. The appliction of this sensor in photoacoustic microscope has allowed to reduce a threshold of sensitivity of microscope up to 2 microns. Legitimacies, which were obtained as a result of mathematical simulation of a photoacoustic microscopy with piezoelectric registration, and use of an optimized construction of piezosensor have allowed to investigate production of electronic industry, including integrated circuits, microwelded connections, thin-film covers, multilayer structures, with greater efficiency and to evaluate their quality on contrast of the obtained photoacoustic images.

Keywords: photoacoustic microscopy, nondestructive evaluation, modelling of processes, defects, piezosensors.