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Sachgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung
und auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Bindungsintegrität (Adhäsionszustand)
von verbundenen Materialien auf einem Mikro-Niveau.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist ein bereits lang andauerndes Erfordernis nach nicht zerstörenden Untersuchungsverfahren vorhanden,
die dazu verwendet werden können,
die Integrität
einer Bindung zwischen zwei Teilen zu bestimmen. Dieses Erfordernis
ist insbesondere in dem Fall von Bindungen vorhanden, die auf einem
Mikro-Niveau gebildet sind. Das Mikro-Niveau kann dahingehend definiert
wer, dass mindestens ein Material mit einer Dimension in der Größenordnung
von 0,127 Millimetern (0,005 Inch), oder geringer, einbezogen wird.
Solche Begutachtungsverfahren könnten beim
Testen von Kugel- und Keilbindungen, dünnen Beschichtungen, Schaltungsbahnen,
Bandverbindungen, Lötmittelkugeln,
Oberflächen-Bauteil-Befestigungen,
PIN-Grid-Arrays und MIMMs, üblicherweise
verwendet in Zwischenverbindungen von Mikroelektroniken, angewandt
werden. Die Materialien, die bei diesen Anwendungen verbunden werden,
umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, Silizium, Siliziumkarbid,
Aluminium, Gold, Galliumarsenid, und dergleichen.
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Zum
Beispiel werden Kugelbindungen, verwendet beim Verbinden von Siliziumwafern
mit externen Schaltungen über
sehr feine Drähte,
typischerweise, wenn überhaupt,
entsprechend militärischen Spezifikationen
getestet, die einen Zugtest für
jede Bindung erfordern. Dieser Test wird unter Verwendung einer
Maschine durchgeführt,
die aufeinanderfolgend jeden Draht einhakt und eine vorgegebene Zugkraft
aufbringt, um zu bestimmen, ob die zugeordnete Bindung halten wird.
Diese Technik besitzt wesentliche Grenzen. Insbesondere hat der
Erfinder entdeckt, dass sich dann, wenn dieser Test wiederholt an
den Drähten
derselben Vorrichtung durchgeführt
wird, eine erhöhte
Anzahl von Drähten
typischerweise mit jedem darauf folgenden Test lose ziehen wird.
Dieses Ergebnis vermittelt, dass sich der Test nicht wirklich als
nicht zerstörend
qualifiziert. Das bedeutet, dass jede Aufbringung einer Zugkraft auf
einen Draht dessen Bindung schwächt
und ein wiederholtes Testen tatsächlich
die Bindungen brechen wird. Es ist möglich, dass eine Bindung einen einzelnen
Zugtest dieses Typs durchlaufen könnte, dass allerdings der Test
die Bindung unsicher verbunden und bestimmt für einen Fehler belassen würde, wenn
sie einer Umgebungsvibration, einem Stoß oder Temperaturvariationen
unterworfen wird.
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In
dem Fall von Bindungen, die größere Dimensionen
haben, wie beispielsweise Rohrnähte, Schweißungen,
die bei der Fahrzeug- und Bootsherstellung verwendet werden, usw.,
sind verschiedene Röntgenstrahlen-
und akustische Techniken angewandt worden, um den Zustand einer
Zwischenfläche
zwischen zwei Teilen zu analysieren. Laserultraschalltechniken sind
auch vorgeschlagen worden. Zum Beispiel offenbaren die US-Patente
4,659,224 und 4,966,459 für
Monchalin, 5,081,491 für
Monchalin et al., und 5,137,361 für Heon et al. die Ergebnisse von
früheren
Untersuchungen auf diesem Gebiet. Das US-Patent 5,103,676 für Garcia
et al. zeigt ein weiteres Verfahren einer Laserultraschall-Prozessüberwachung.
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Lasertechniken
sind auch zur Verwendung bei kleineren Bindungen, wie beispielsweise
solche, die in Halbleiterschaltungen vorgefunden werden, betrachtet
worden. Das US-Patent 5,201,841 für Lebeau et al. schlägt eine
thermische Gradiententechnik vor, und die Japanische Patentveröffentlichung 62-7198
(1/14/87) von Hitachi Research Corp. scheint eine Lasertechnik vorzuschlagen.
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Die
früheren
US-Patente 5,420,689, 5,424,838 und 5,302,836 des Erfinders offenbaren Beleuchtungsverfahren
und Vorrichtungen, die bei einer Ultraschallmessung mit klein dimensioniertem Laser
nützlich
sind. Das US-Patent 5,535,006 für
Siu et al. stellt die frühere
Arbeit des Erfinders dar und offenbart ein Verfahren zum Bewerten
einer Integrität eines
Anhaftens einer Halbleiterbindung an einem Substrat.
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Allerdings
hat, soweit sich der Erfinder bewusst ist, keines dieser Systeme
nach dem Stand der Technik eine effektive Alternative zu einem Zugtesten von
Drahtbindungen oder eines effektiven Verfahrens zum Analysieren
einer Dünnfilmbeschichtungsintegrität auf einem
Mikro-Niveau geliefert. Die Ergebnisse, die durch die Systeme erhalten
werden, die durch die eigenen, früheren Patente des Erfinders offenbart
sind, waren nicht, während
sie ermutigend waren, ausreichend genug für eine industrielle Anwendung.
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Demzufolge
ist ein Erfordernis in der Industrie nach verbesserten Verfahren
und Systemen des Typs vorhanden, der eine wiederholbare, genaue und
wirklich nicht zerstörende
Test-Fähigkeit
besitzt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Deshalb
ist es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System
und ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands einer Bindungsintegrität (Adhäsion) von
verbundenen Materialien, unter Verwendung von Laserultraschalltechniken,
zu schaffen.
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Es
ist eine andere, allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes
System und ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands einer Bindungsintegrität (Adhäsion) von
verbundenen Materialien unter Verwendung eines Impulslasers zu schaffen,
der Wärme
auf die Oberfläche,
die von Interesse ist, aufbringt, was zu der Erzeugung einer thermoelastischen
Propagation (Oberflächen-,
Bulk- und Luftwellen, oder eine Kombination davon) in allen Richtungen
von dem Impulspunkt aus führt,
die unter Verwendung eines stabilisierten, Lasers mit kontinuierlicher
Welle unter Verwendung der interferometrischen Techniken erfasst
werden kann.
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Eine
andere, breite Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes System
und ein Verfahren zu schaffen, die insbesondere bei einem nicht
zerstörenden
Testen und Bewerten der Dicke und/oder der Gleichförmigkeit
und der Adhäsions-Charakteristika einer
dünnen
Beschichtung von Material, aufgebracht auf ein Substrat, angepasst
ist.
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Eine
andere, allgemeine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes
System und ein Verfahren zu schaffen, die insbesondere an ein nicht
zerstörendes
Bestimmen der Bindungsintegrität
von Verbindungsmaterialien auf dem Mikro-Niveau, wie beispielsweise
mikroelektronische Zwischenverbindungen, Kugelbindungen, Keilbindungen,
Schaltungsbahnen, Oberflächen
montierte Komponenten, und MIMMs, angepasst sind.
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Es
ist auch eine wichtige Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System
und ein Verfahren zum Analysieren thermoelastischer Propagations-Signaturen,
einzeln, oder in Kombination, zu schaffen, um eine Bindungsintegrität (Adhäsion) von
verbundenen Materialien zu interpretieren und zu bestimmen, ob sie
vollständig
verbunden, teilweise verbunden sind und einen noch nicht verbundenen
Zustand berühren.
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Eine
andere nützliche
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vollständig automatisiertes System
zum Bestimmen einer Bindungsintegrität mit besonderen Anwendungen
bei der Begutachtung und dem Testen in Herstellungsprozessen für Mikroelektroniken
zu schaffen.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Betriebszeitpunkt- und
Signatur-Sammelverfahren und -vorrichtungen zur Verwendung in einem
Laserultraschall-Messsystem
zu schaffen.
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Es
ist auch eine Aufgabe der Erfindung, ein Laserultraschall-Messsystem
mit einem stark verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis für erfasste Wellenpropagations-Signaturen zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Korrelieren
einer Oberflächenwellen-Propagation
zu einer Bindungsintegrität
in dem Zusammenhang eines Bindungstestsystems zu schaffen.
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Diese
Aufgaben und andere werden, in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, durch Bereitstellen eines Impulslasers
und eines Detektors mit kontinuierlichem Laser, eine Ursache und
Effekt erfassende Vorrichtung bildend, zu schaffen. Der Impulslaser
sendet einen einzelnen Impuls oder mehrere Impulse einer kontrollierten
Größe und beschießt das Objekt,
das von Interesse ist, was ein Ansprechen in Form einer thermoelastischen
Anregung bewirkt. Diese Anregung wiederum induziert eine Ultraschallpropagation
entlang des Oberflächenmaterials
oder durch dieses hindurch. Durch Erfassen, Aufnehmen und Interpretieren
dieser thermoelastischen Propagations-Signaturen wird der Befestigungszustand
der Verbindungsmaterialien bestimmt. Die Technik ist eine wesentliche
Verbesserung gegenüber
traditionellen, mechanischen Techniken vom Zieh-, Scher- oder Kontakt-Typ.
Das Objekt muss nicht durch mechanische Mittel berührt werden,
die Anregung ist viel sanfter als diejenige, die in einem Kontakt-Test
erforderlich ist, und die Geschwindigkeit des Tests ist viel schneller
als ein anderer, automatisierter Herstellungsprozess, was ihn geeignet
für Realzeit-Prozesssteuerzwecke
macht.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
eine Ansicht einer mikroelektronischen Kugelbindung, die die Anwendung
eines Impulslasers und eines Erfassungslasers für eine Signatur-Analyse darstellt.
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm eines optischen Systems, um eine Bindungs-Integrität gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bewerten.
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3 zeigt
eine Darstellung einer Kugelbindung, die eine ablatierte Oberfläche aufgrund
einer sehr stark lokalisierten Laserleistungsaufbringung besitzt.
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4a zeigt
eine Ansicht, die die Aufbringung eines Impulslaserstrahlfleck viel
größer als
eine Kugelbindung, die getestet werden soll, darstellt, und 4b zeigt
eine Grafik, die die Amplituden einer resultierenden Oberflächenwelle
und einer Schockwelle, jeweils, darstellt.
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5 zeigt
eine Endansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Leistungssteueranordnung
gemäß der Erfindung.
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6 zeigt
eine Seitenansicht einer Impulslaser-Kalibrierungs- und -Synchronisationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
ein Zeitdiagramm, das den Effekt einer variablen Verzögerung in
einem Ansprechen einer Komponenten auf einen Befehl hin, den Impulslaser
zu aktivieren, und die Datenerfassung in Bezug auf die Identifikation
und das Sammeln von Daten darstellt. Die Variation in der Ansprechzeit
ist sehr groß verglichen
mit dem Fenster, während
dem nützliche
Daten gesammelt werden können,
was es schwierig macht, dieses Fenster auszuwählen.
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8 zeigt
ein optisches, schematisches Diagramm, das Details der Detektor-Laserübertragungs-
und Reflexionserfassungsoptiken darstellt.
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9a und 9b zeigen
Seitenansichten, die eine alternative Ausführungsform der Erfindung darstellen,
bei denen eine Bindungsintegrität
durch Aufbringen eines Laserimpulses benachbart zu einer Bindung
und durch Erfassen der sich ergebenden Oberflächenwelle auf dem Substrat
auf der anderen Seite der Bindung erfasst wird.
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10 zeigt
eine Draufsicht einer Kugelbindung, die eine andere, alternative
Ausführungsform darstellt,
in der die intermetallische Struktur einer Bindung durch Sammeln
von Vibrations-Propagationsdaten an einer Mehrzahl von Punkten um
die Bindung herum analysiert wird.
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11 zeigt
ein Diagramm, das die Betriebsweise eines statischen Modus der Erfindung
zum Einstellen einer Empfindlichkeit der interferometrischen Schaltung
darstellt.
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12 zeigt
ein Diagramm, das die Betriebsweise des dynamischen Modus der Erfindung zum
Einstellen der Empfindlichkeit der interferometrischen Schaltung
darstellt.
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13 zeigt
eine Grafik, die das Ansprechvermögen eines Silizium-PIN-Fotodetektors mit
einen Gallium-Arsenid-PIN-Fotodetektor für verschiedene Wellenlängen vergleicht.
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14 zeigt
eine graphische Darstellung, die jeweils Proben-Bindungs-Integrität-Signaturen für nicht
verbundene, teilweise verbundene und vollständig verbundene Fälle, darstellt.
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15 zeigt
ein vereinfachtes Bindungs-Integrität-Signatur-Diagramm, das Schlüsselanalysepunkte
für die
Wellenformen darstellt.
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16 zeigt
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
des Signatur-Analyse-Systems gemäß der Erfindung.
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17 zeigt
ein Flussdiagramm, das die Betriebsweise eines automatisierten Bindungs-Integrität-Testsvorgangs
darstellt.
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18 zeigt
eine Draufsicht, die eine Energiedispersion eines Einzelimpulslasers
und von Detektor-Laserabdrücken
bzw. Querschnittsformen darstellt.
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19 zeigt
eine Draufsicht, die eine Energiedispersion eines breiten oder Mehrfachimpulslaserabdrucks,
verwendet in einer alternativen Ausführungsform, darstellt.
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20 zeigt
eine Seitenschnittansicht, die die Anwendungen der Laserultraschalltechniken
der vorliegenden Erfindung bei der Analyse einer dünnen Beschichtung
darstellt.
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21 zeigt
eine beispielhafte Grafik einer Rayleigh-Wellenlängen-Geschwindigkeit gegenüber einer
Frequenz für
verschiedene Dicken einer dünnen
Beschichtung aus Aluminium auf einem Siliziumsubstrat.
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22 zeigt
eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die
einen gekrümmten
Impulslaserfleck, um Oberflächenwellen, fokussiert
auf einen einzelnen Erfassungspunkt, zu erzeugen, verwendet.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung wird zuerst in Bezug auf eine Ausführungsform
beschrieben, die insbesondere bei einer Vielzahl von klein dimensionierten
Bindungstest-Anwendungen
nützlich
ist. Solche Untersuchungsverfahren können zum Testen der Bindungs-Integrität irgendwelcher
Materialien auf dem Mikro-Niveau angewandt werden. Die Bindungen,
die getestet sind, können
Kugel- und Keilbindungen, dünne
Beschichtungen, Schaltungsbahnen, Bandbindungen, Verschweißungen,
Lötmittelkugeln, an
der Oberflä che
montierte Komponenten, PIN-Grid-Arrays, MIMMs und verschiedene Typen von
Adhäsionsmedien,
und Verfahren, die üblicherweise
in Zwischenverbindungen in Mikroelektroniken verwendet werden, umfassen,
sind allerdings nicht hierauf beschränkt. Die Materialien, die in
diesen Anwendungen verbunden sind, umfassen, sind allerdings nicht
darauf beschränkt,
Silizium, Siliziumkarbid, Aluminium, Gold, Galliumarsenid, und dergleichen.
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Eine
solche Anwendung ist das Testen der Verbindung einer mikroelektronischen
Kugelbindung oder einer anderen, kleinen Bindung, an einer Verbindungsfläche, und
die erste Ausführungsform
der Erfindung wird unter Verwendung dieser Anwendung als ein Beispiel
beschrieben. 1 stellt ein Substrat 102 dar,
an dem eine Verbindungsfläche 104 montiert ist.
Ein Verbindungsdraht 106 ist über eine Kugelbindung 108 mit
der Verbindungsfläche 104 verbunden. Ein
Impulslaserstrahl 110 wird auf die Kugelbindung 108 aufgebracht,
während
die Reflexion des Detektor-Laserstrahls 112 dazu verwendet
wird, Vibration zu erfassen, die durch das Substrat 102,
als eine Folge der Aufbringung des Impulslaserstrahls 110,
propagieren.
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Die
zwei Laserstrahlen werden über
ein komplexes, optisches System aufgebracht, das in schematischer
Form in 2 dargestellt ist. Dieses optische
System besitzt zwei Hauptaufgaben. Eine ist diejenige, den Impulslaserstrahl 110 auf
das vorgesehene Ziel, wie beispielsweise Kugelbindungen, Keilbindungen
oder Zwischenverbindungen, zu richten und zu fokussieren. Die zweite
Aufgabe ist diejenige, den Detektor-Laserstrahl 112 zu
richten und zu fokussieren, um die Propagationswellen, erzeugt durch
den Impulslaserstrahl 110, aufzunehmen.
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Wie
in 2 dargestellt ist, umfasst das optische System
der bevorzugten Ausführungsformen einen
Impulslaser 1, einen Spiegel 2, einen Strahl-Expander
bzw. -Erweiterer 3, eine Leistungseinstellung 4,
einen Strahlteiler 22, einen Synchronisations-Fotodetektor 5,
einen Laserreflektor 23, eine Fokussierlinse 24,
einen Dichtefilter 25, eine Videokamera 6, einen
Laserreflektor 20, eine Objektivlinse 7, einen
Teiletisch 21, eine Viertelwellenplatte 12, einen
Teiler 11 für
den polarisierten Strahl, eine Halbwellenplatte 10, einen
Strahlerweiterer 9, einen Detektor-Laser 8, einen
Kantenfilter 19, einen Teiler 13 für einen
polarisierten Strahl, eine Fokussierungslinse 17, einen
Fotodetektor 18, eine Viertelwellenplatte 14,
ein Interferometer 15 und einen Fotodetektor 16. Die
Funktion jeder der Bauteile wird nun im Detail erläutert.
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Der
Impulslaser 1 ist vorzugsweise ein Impulslaser mit einer
Wellenlänge
von 1064 nm, einer Impulsbreite (Impulsdauer) von 10 ns und einer
Impulswiederholungsrate von 100 Hz (100 Mal pro Sekunde), und ist
geeignet, zum Beispiel ein Watt an Energie zu liefern. Da die Wellenlänge dieses
Impulslasers dieselbe wie diejenige des Detektor-Lasers ist, wurde ein Frequenzverdoppler
verwendet, um dessen nutzbare Wellenlänge auf 532 nm und die Leistung
auf ½ Watt
zu wandeln. Ein geeigneter Laser ist ein Modell #S10-5230, hergestellt
von Spectra-Physics. Andere Laser könnten verwendet werden, so lange
wie sie eine ähnlich
hohe Wiederholungsrate, eine kurze Impulsdauer und eine Übereinstimmung der
Impuls zu Impuls Leistungsniveaus liefern. Der Laser sollte so ausgewählt werden,
dass er eine relativ niedrige Leistung besitzt, da die meisten Laser,
die mit höherer
Leistung betrieben werden, keine hohe Auflösung in der Leistungssteuereinstellung
haben.
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Die
Impulslaserfrequenz muss vorzugsweise nicht dieselbe Frequenz wie
diejenige des Detektor-Lasers haben, so dass das dispergierte Licht
nicht durch die Fotodetektoren als falsche Oberflächenwellen
interpretiert wird. Die Impulsbreite des Impulses ist vorzugsweise
kurz, so dass der Impuls nicht fortfährt, während die Oberflächenwelle
bereits an dem Erfassungspunkt ankommt – insbesondere dann, wenn der
Abstand zwischen dem Impulslaser und dem Detektor-Laser sehr nahe
ist und dass die Rayleigh-Geschwindigkeit
für dieses
Material schnell ist – wie
beispielsweise Silizium, usw. Zehn Nanosekunden ist eine geeignete
Impulsdauer in typischen Anwendungen auf Mikro-Niveau. Die Impulsbreite des Impulslasers
kann variiert werden, was demzufolge die Rate ändert, unter der Wärme auf
die gepulste Oberfläche
aufgebracht wird. Allerdings ändert eine
solche Variation typischerweise die Form der Oberflächenwellen-Signatur.
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Ein
Oberflächenspiegel 2 ist
ein Oberflächenreflektor,
der den Ausgang des Impulslasers 1 aufnimmt und den Impulslaserstrahl
zu dem Strahl-Expander 3 zurück richtet. Natürlich kann
der Oberflächenspiegel 2 weggelassen
werden, wenn der Laser horizontal montiert ist.
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Der
Strahl-Expander 3 steuert die Kollimierung oder die Divergenz
des Laserstrahls, wenn er den Impulslaser verlässt, um so die erwünschte Strahl-(Fleck)-Größe des Impulslasers
zu erzeugen, wenn er den Punkt, der von Interesse ist, erreicht (d.h.
den Kugelpunkt, den Keilpunkt und irgendwelche anderen Zwischenverbindungen).
Der Erfinder hat herausgefunden, dass es wichtig ist, die Fleckgröße des Impulslasers
so zu steuern, dass sie für die
Größe des Objekts,
das gepulst werden soll, wichtig ist. In dem Fall einer Kugelbindung
sollte die Fleckgröße des Impulslasers
ungefähr
dieselbe Größe wie die
Kugelbindung sein (0,0762 mm (0,003'' im Durchmesser))
und sollte vorzugsweise leicht größer als die Kugelbindung sein.
Wenn die Fleckgröße zu klein
ist, wird die Leistungsdichte des Lasers die Oberflächenmaterialien
ablatieren. Dieser Ablationseffekt (Verdampfung von Materialien)
wird nicht erwünschte,
metallische Abriebe auf der Mikroschaltung niederschlagen. 3 stellt
eine Kugelbindung 108 mit einem ablatierten Bereich 102 dar,
der sich aus der Aufbringung eines hoch fokussierten Laserimpulses
ergibt, der viel kleiner als die Kugelbindung ist. Ein Verringern
der Laserleistung wird den Ablationseffekt beseitigen. Allerdings
hat ein Verringern der Leistung auch den nicht erwünschten
Effekt eines Verringerns der Größe der Oberflächenwellen-Signatur,
die erfasst werden muss. Deshalb ist eine Balance zwischen der Impulslaserleistung
und der Fleckgröße des Lasers
zum Optimieren der Signatur und zum Minimieren irgendeines Beschädigungseffekts auf
den Materialien, die gepulst werden, wichtig.
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Vorzugsweise
ist die Größe des Impulslaserflecks
leicht größer als
die Kugelbindung, und die Laserleistung wird so eingestellt, dass
keine Ablation entweder an der Kugelbindung oder an den Substratbereichen
benachbart zu der Kugelbindung auftritt. Die Möglichkeit einer Vergrößerung des
Impulslaserflecks auf eine Größe viel
größer als
diejenige der Kugelbindung wurde auch betrachtet. Während diese Maßnahme verwendet
werden kann, ist sie weniger bevorzugt, da sie das Potenzial unerwünschter
Nebeneffekte hat. In der Darstellung der 4 ist
der Impulslaserfleck viel größer als
der Durchmesser der Kugelbindung. Eine wesentliche Menge an Laserenergie
(I) "läuft" über die Kugelbindung und pulsiert
die Oberfläche,
an der die Kugel verbunden wird. Dies kann die Oberflächen-Materialien
beschädigen,
da sie normal nicht einen Schmelzpunkt so hoch wie Gold haben, so
dass folglich eine Ablation des Materials auftritt. Zusätzlich wird
eine Oberflächenwelle von
der Oberfläche
erzeugt und wird an dem Erfassungspunkt zuerst ankommen. Solange
wie dabei keine Ablation der Oberfläche vorhanden ist, werden diese
getrennten Wellen zu unterschiedlichen Zeiten ankommen – eine von
der Oberfläche
(A) und die andere von der Oberseite der Kugelbindung (B). Dies wird
noch einen ausreichenden Abstand zwischen den zwei Signaturen für eine Analyse
ergeben. Allerdings wird, wenn eine Ablation auf der Substratoberfläche auftritt,
die Schockwelle von der Oberfläche (A)
ungefähr
gleichzeitig wie die Welle von der Kugelbindung (B) ankommen, was
folglich eine Überlappung
der Signaturen ergibt. Dies macht die Erfassung der Signatur, die
von Interesse ist, die sich aus der Aufbringung von Wärme auf
die Oberseite der Kugelbindung ergibt, unbrauchbar. Auch wird, wenn die
Impulsfleckgröße übermäßig groß ist, dies
ein Anordnen des Erfassungslasers nahe zu dem Impulslaser verhindern,
und der vergrößerte Abstand
zwischen dem Impuls- und dem Erfassungslaser wird eine schwächere Signatur
oder ein schlechteres Signal-zu-Rausch-Verhältnis liefern. Die Erfahrung
des Erfinders führt
dazu, dass für
Kugelbindungen von Mikroelektroniken die Fleckgröße typischerweise zwischen
0,0254 nm bis 0,127 mm (0,001'' bis 0,005'') im Durchmesser, in Abhängigkeit
von dem Durchmesser der Kugelbindungen, sein sollte.
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5 stellt
die Struktur einer bevorzugten Ausführungsform einer Leistungssteueranordnung 4 mit
hoher Auflösung
dar, das bedeutet eine Einrichtung zum feinen Einstellen der Leistung,
die durch den Impulslaser auf das verbundene Teil übertragen wird.
Diese Ausführungsform
einer Leistungssteueranordnung 4 mit hoher Auflösung weist
eine Halbwellenplattenanordnung 502, eine Mikrometereinstellung 504,
einen Teilerwürfel 22 für einen
polarisierenden Strahl und eine Leistungsfalle 26 (dargestellt
in 2) auf. Die Halbwellenplattenanordnung 502 weist
eine Rahmenstruktur 505 auf, die die Wellenplatte 506 über Lager 508 trägt. Eine
Feder 510 spannt einen Hebel 514 (befestigt an
der Wellenplatte 506) gegen die Schraube 512 eines
Mikrometers 504 vor. Die Funktion der Anordnung 4 ist
diejenige, eine viel feinere Leistungssteuerung des Impulslasers
zu erzielen, als dies durch die Leistungssteuerungen eines typischen
Laser-Panel erreicht wird. Wie vorstehend diskutiert ist, muss die
Größe einer Leistung
von dem Impulslaser gut gesteuert werden, um eine Ablation des Materials
zu verhindern. In diesem Design kann die Wellenplatte 506 präzise in
sowohl der Uhrzeigerrichtung als auch der Gegenuhrzeigerrichtung
gedreht werden, um eine erwünschte Position,
durch Einstellen eines Hochpräzisions-Mikrometers,
einzurichten. Die Drehposition der Wellenplatte wird eine Polarisation
des Laserlichts einrichten, die mit der Polarisation des Strahlteilers 22 (dargestellt
in 4), so wechselwirken wird, dass ein
variabler Prozentsatz der Laserlichtleistung durch sowohl die Wellenplatte 506 als
auch den Strahlteiler 22 hindurchgelassen wird. Eine Drehung
um 90 Grad der Wellenplatte wird ermöglichen, dass ein voller Leistungsbereich
(0 bis 100%) hindurchgelassen wird. Die Verwendung des Mikrometers
liefert einen infiniten Grad einer Leistungspegel-Steuerung für das System.
Aufgrund der Feineinstellung, die mit dem Mikrometer 504 möglich ist,
und dem Vorteil, der durch den Hebel 514 erzielt wird,
ist es möglich,
eine Drehposition der Wellenplatte 506, und demzufolge einen
Leistungsdurchlasspegel, mit großer Präzision auszuwählen. Dieser
Aufbau einer Leistungssteuerung kann dazu verwendet werden, verschiedene Materialien,
die unterschiedliche Ablationstoleranzen haben, anzupassen. Eine
Laserfalle 26 (dargestellt in 2) wird
dazu verwendet, die Restlaserleistung aus Sicherheitsgründen zu
erfassen.
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Zusätzlich zu
einer genauen Leistungssteuerung ist auch ein Verfahren zum Überwachen
und Kalibrieren einer Impulsleistung während des Betriebs notwendig.
Eine Systemsynchronisations- und Leistungskalibrierungsanordnung 5 ist
vorzugsweise in Reihe mit dem Impulslaser montiert, wie dies in 6 dargestellt
ist. Ein kleines Stück
aus dünnem Glas 602 (medizinische
Güte) ist
an dem Ende von Überwachungsrohren 604 unter
einem Winkel (45°) befestigt,
wie dies in 6 dargestellt ist. Wenn der Laserimpuls 110 durch
das dünne
Glas 602 führt, wird
eine sehr kleine Menge an Laserlicht um 90° nach oben reflektiert, während das
meiste der Lichtenergie durch das Glas 602 hindurchdringt.
Eine Hochgeschwindigkeitsfotodiode 606 ist dauerhaft an dem
ersten Überwachungsfenster 608 befestigt,
um einen Teil der reflektierten Laserenergie von dem Laserblitz
zu erfassen. Das Vorhandensein dieses Laserblitzes bestätigt dem
System, dass der Laser tatsächlich
gezündet
wurde und dass sich der Laserimpuls auf dem Weg zu der Testoberfläche befindet. Dieser
Bestätigungsblitz
leitet die Zeit (0) für
den transienten Hochgeschwindigkeits-Recorder in einer Art und Weise
ein, die später
in weiterem Detail beschrieben werden wird. Das zweite Fenster 610 dient zum
Befestigen einer kommerziell erhältlichen
Leistungsmesseinrichtung 612, um eine periodische Einstellung,
eine Kalibrierung und eine Verifizierung sowohl der Leistungssteueranordnung 4 als
auch der Leistungsüberwachungs-(Fotodiode)-Vorrichtungen durchzuführen.
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Aufgrund
der kurzen Dauer zwischen einem Auftreffen des Impulses auf der
Kugel- bindung und der Ankunft der Oberflächenwelle an dem Detektor (normalerweise
ein Fenster von 200 Nanosekunden) wird eine Synchronisation der
Datenerfassungszeit ein wichtiger Teil des gesamten System-Designs. Eine
traditionelle Computersteuerung hat sich als zu langsam und ineffektiv
beim Synchronisieren der Zeit zwischen einem Lasertriggern und dem
Beginn einer Datenerfassung erwiesen. Es ist den meisten Impulslasern
eigen, dass eine variable Verzögerung
zwischen der Zeit, zu der er einen Befehl empfängt, auszulösen (zu triggern), und der
Zeit, zu der er tatsächlich
auslöst,
vorhanden ist. Die Zeitvarianz spielt sich normalerweise in Tausendsteln
einer Millisekunde (0,001 Sekunden) ab. Dieselbe Größenordnung
einer Zeitvariation kann in dem Ansprechen eines Computers, der
ein Lasertriggern oder einen Datenerfassungsbefehl ausführt, vorgefunden
werden. Aufgrund der engen Nähe
zwischen dem Impuls- und Detektorstrahl auf der Testoberfläche (ungefähr 0,127
mm bis 0,284 mm (0,005–0,010'')) liegt die nutzbare Oberflächenwellendauer
in der Größenordnung
von 200 Nanosekunden (0,0000002 Sekunden). Wie in dem Zeitdiagramm
der 7 dargestellt ist, können eigene Verzögerungen
leicht bewirken, dass eine Datenerfassung verfehlt wird, und dass
es schwierig gemacht wird, zu bestimmen, ob die Wellenform, die
beobachtet ist, die Wellenform ist, die von Interesse ist, die von
der Kugelbindung stammt, oder von einer vorhergehenden Oberflächenwelle.
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Dieses
Design einer Synchronisation/Leistungssteuerung dient zu mehreren
Zwecken. Der wichtigste Vorteil dieses Designs ist die Synchronisation
einer Datenerfassung zu der Aufbringung des Impulslasers. Wenn eine
Fotodiode 606 einen vorbestimmten Anstieg in der Spannung
erfasst, was eine gute Anzeige ist, dass der Impulslaser gezündet hat und
dass sich ein Impuls auf der Oberseite der Kugelbindung oder der
Zwischenverbindung befindet, wird das Datenerfassungsfenster unmittelbar
durch den Analog/Digital(A/D)-Wandler aktiviert oder synchronisiert.
Diese Maßnahme
kompensiert die Verzögerungszeit
in der Computerverarbeitung ebenso wie die dem Laser eigenen Triggerverzögerungen.
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Zusätzlich stellt
diese Synchronisationstechnik einen übereinstimmenden Startpunkt
für eine
Signalüberwachung,
eine Erfassung und eine Mittelung sicher. Diese Synchronisationstechnik
ist zum Unterstützen
darauf folgender Mittelungsverfahren für ein Verbessern eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses wichtig.
Eine leichte Verschiebung in der Zeit Null wird die Oberflächenwellen-Propagationssignale "Nullen" (unter Verwendung
von Signalmittelungsverfahren), was zu einer viel schwächeren, übermittelten Signatur
führt,
als dies tatsächlich
der Fall ist. Weiterhin liefert diese Technik eine quantitative
Messung der Ausgangsleistung (in Millivolt), wenn der Laserimpuls
entlang seines Wegs läuft.
Diese Ausgangsleistung kann dazu verwendet werden, die Funktionsweise
des Impulslasers zu überwachen.
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Als
ein anderes Merkmal kann die Amplitude der Ausgangsleistung auch
dazu verwendet werden, eine Signatur-Amplitude als Teil der Signatur-Analysegleichung
zu kalibrieren und zu normieren.
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Es
wurde beobachtet, dass Versuche nach dem Stand der Technik bei der
Laserbindungs-Integritätserfassung
in erster Linie auf größere Objekte, wie
beispielsweise eine Lötmittelverbindung,
gerichtet wurden. Der Abstand zwischen dem Impuls und dem Detektor
ist noch größer verglichen
mit Mikrozwischenverbindungen. Die Ankunftszeit und die Signaturdauer
ist ebenso viel größer. Im
Mikro-Maßstab
arbeitet die vorliegende Erfindung mit einem Abstand zwischen den
Impuls- und Detektor-Laserflecken, der viel näher ist, was zu einer kürzeren Ankunftszeit
führt.
Deshalb ist das Synchronisationserfordernis der vorliegenden Erfindung
wesentlich signifikanter als bei Systemen nach dem Stand der Technik.
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Wie
wiederum 2 zeigt, wird eine kommerzielle
off-the-shelf-Farbkamera 6 verwendet, um auf das Material,
das getestet wird, zu zielen und dieses zu betrachten. Die In-Line-Laserreflektoren,
Fokuslinsen und das Objektiv ermöglichen,
das Betrachten des Impuls- und Detektor-Lasers und das Fokussieren
davon, auf das Material, das getestet werden soll. Ein Dichtefilter
kann dazu verwendet werden, einen unnötigen Glanz (Reflexion) von
sowohl dem Detektor- als auch dem Impulslaser herauszufiltern. Diese
Videokamera ist mit einem Betrachtungssystem verbunden, um Sollstellen
zu bestimmen.
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Eine
gemeinsame Objektivlinse 7 vergrößert das Betrachtungsfeld für den Impulslaser,
den Detektor und die Videokamera. Da die Materialien, die getestet
werden sollen, klein sind (Kugeln, Keile und Zwischenverbindungen),
muss das Betrachtungsfeld vergrößert werden.
Aufgrund der Dimensionen, die vorhanden sind, ist es schwierig,
den Impulslaser, den Detektor und die Videokamera mit deren eigenen,
jeweiligen optischen Wegen zu versehen, so dass in der bevorzugten
Ausführungsform
eine gemeinsame Objektivlinse alle drei Systeme aufnimmt.
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Die
Reflexion des Detektor-Lasers 8 wird dazu verwendet, Vibrationen
zu überwachen,
die durch das Substrat propagieren, gefolgt durch die Aufbringung
des Impulslasers. Der Detektor-Laser ist vorzugsweise ein stabilisierter
Einzelfrequenzlaser mit kontinuierlicher Welle (Continuous Wave – CW) mit
einer Wellenlänge
von 1064 nm. Da die Bindungs-Integrität-Informationen als Teil des
Rückführ-(reflektierten)-Strahls
eingeschlossen sind, ist deshalb die Amplitude von der Reflektivität der Materialoberfläche und
dem Leistungspegel des Detektor-Lasers abhängig. Vorzugsweise kann die
Leistung des Detektor-Lasers auf ungefähr 700 Milliwatt eingestellt
werden, um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu
optimieren. Der Erfinder hat das System unter Verwendung von niedrigeren Detektorleistungspegeln
(d.h. 15, 40 und 500 Milliwatt, jeweils), allerdings mit einem begrenzten
Erfolg, getestet. Der Vorteil einer hohen Detektor-Laserleistung
ist ein Rückführsignal
mit höherer
Amplitude, allerdings kann zusätzliche
Laserleistung auch übermäßige Wärme auf
die Testoberfläche
aufbringen. Eine Balance zwischen diesen konkurrierenden Punkten muss
basierend auf der Art der Materialien, die getestet werden, abgestimmt
werden.
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Die
Strahlerweiterungseinrichtung 9 steuert die Kollimierung
oder Divergenz des Laserstrahls, wenn er den Detektor-Laser 8 verlässt. Diese
Strahlerweiterungseinrichtung ist notwendig, um die Strahl-(Fleck)-Größe des Impulslasers
zu steuern, wenn er den Punkt, der von Interesse ist, erreicht (d.h.
die Oberfläche
des Testmaterials). Für
die Fleckgröße des Detektors
werden die besten Ergebnisse dann erzielt, wenn der Strahl klein
und fokussiert ist. Allerdings muss die hohe Leistungsdichte gegenüber der
Signalamplitude, diskutiert vorstehend, berücksichtigt werden.
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Ein
Satz Wellenplatten und Teiler 10, 11, 12, 13 und 14 für einen
polarisierten Strahl werden dazu verwendet, die Amplitude und den
Fluss des Laserstrahls von dem Austritt des Detektor-Lasers 8 zu dem
Rückführstrahl
an der Fotodiode 18 zu steuern. Die Anordnung der Wellenplatten
und die Polarisation des Laserstrahls, wenn er durch das System
läuft, ist
in weiterem Detail in 8 dargestellt.
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Wenn
der Laserstrahl den Detektor-Laser 8 verlässt (dargestellt
in 2), läuft
er durch die erste Halbwellenplatte 10, die den Strahl
zu einer horizontalen Orientierung polarisiert. Der polarisierende Strahlteiler 11 reflektiert
den horizontal polarisierten Strahl zu der Viertelwellenplatte hin.
Wenn der Strahl durch die ¼-Wellenplatte
läuft,
wird er auf die Testfläche 21 über die
Objektivlinse 7 (dargestellt in 2) durch
den Laserreflektor 20 reflektiert. Der Strahl wird dann
von der Testfläche 21 und
dem Laserreflektor 20 zurück durch die Viertelwellenplatte 12 reflektiert.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Polarisation des Strahls um 90° von seiner
Eingangsorientierung, zu einer vertikalen Polarisation, gedreht.
Der vertikal polarisierte Strahl wird durch die Strahlteiler 11 und 13 und
die Viertelwellenplatte 11 laufen. Wenn der Strahl von
dem Interferometer 15 zurückkehrt, wird die Viertelwellenplatte 11 die
Polarisation des Strahls um 90° von
deren Eingangsorientierung, in diesem Fall zu horizontal hin, drehen.
Der Strahl wird dann von dem Teiler 13 für den polarisierenden
Strahl durch eine Fokussierlinse 17 (dargestellt in 2) auf
den Fotodetektor 18 reflektiert.
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Die
Fokussierlinse 17 fokussiert den Strahl auf die Mitte des
Fotodetektors 18. Neben einem Manipulieren der Polarität des Strahls
wird die Halbwellenplatte 10 auch dazu verwendet, den Leistungspegel
des Detektor-Laserstrahls vor einem Eintritt in die Testprobe zusteuern.
Nur der horizontal polarisierte Anteil des Strahls wird auf die
Testfläche
reflektiert, während
der vertikal polarisierte Teil des Strahls durch den Teiler 11 für den polarisierten
Strahl hindurchgehen wird und durch eine Laserfalle aus Sicherheitsgründen erfasst
werden wird. Ein Drehen der Halbwellenplatte 10 wird erwünschte Teile
des Strahls in die geeignete Richtung ablenken.
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Ein
Fabry-Perot-Interferometer 15 wird in der bevorzugten Ausführungsform
verwendet, wobei 93% Reflektoren innerhalb des Interferometers verwendet
werden. Eine Auswahl dieser Reflektoren wird analoge Ansprechverhalten
von den erfassten Oberflächenverschiebungen
liefern. Andere Interferometer, die eine ähnliche Funktionsweise haben, wie
beispielsweise Homodyn-Interferometer, können auch für diese Anwendung verwendet
werden.
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Unter
Bezugnahme wiederum auf 1 werden normal die Kugelbindungen,
die Keilbindungen und die Zwischenverbindungen durch den Impulslaser
gepulst und die Erfassung wird an der benachbarten Oberfläche durchgeführt. Es
ist herausgefunden worden, dass es möglich ist, das Material auf
einer Seite der Kugelbindung zu pulsen und auf derselben Oberfläche auf
der gegenüberliegenden Seite
der Kugelbindung zu erfassen. Die 9a und 9b stellen diese alternative Testtechnik
dar, bei der das Pulsen und Erfassen auf derselben Materialoberfläche und
auf der gegenüberliegenden
Seite der Zwischenverbindung auftritt. Die sich ergebende Signatur
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform, die vorstehend
diskutiert ist (d.h. Pulsen der Kugel und Erfassen auf der Oberfläche). Anstelle
davon, nach einer positiven Wellenform, verursacht durch die sich
verbindenden Oberflächen
(intermetallische Teile), zu sehen, erfasst diese Technik den Dämpfungseffekt,
der durch die verbundene bzw. gebondete Masse der Kugelbindung,
der Keilbindung oder der Zwischenverbindung verursacht ist.
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Wie
in 9a dargestellt ist, wird eine Oberflächenwelle
ohne das Vorhandensein einer Kugelbindung erfasst werden. Andererseits
kann, wenn eine Kugelbindung zwischen dem Impuls und dem Detektor
vorhanden ist, ein Dämpfungseffekt,
oder eine schwächere
Signatur, erfasst werden, wie dies in 9b dargestellt
ist. In Abhängigkeit
von der Bindungs-Integrität
der Kugelbindung wird ein unterschiedlicher Grad einer Amplitude
und Wellenform erhalten. Für
eine gut verbundene Kugel wird die Oberflächenwelle verkleinert. Für eine nicht
verbundene, allerdings kontaktierte, Verbindung, verbleibt die Oberflächenwelle
intakt oder ungestört.
Durch Korrelieren der Änderung
der Amplituden- und Wellenformen kann ein variierender Grad einer
Bindung für
Zwischenverbindungen (Kugelbindungen, Keilbindungen, Lötmittelbindungen
und Zwischenverbindungen) unter einer hohen Geschwindigkeit bestimmt
werden.
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Diese
alternative Ausführungsform
kann viele Vorteile gegenüber
zuvor bekannten Testverfahren haben. Als erstes muss der Impulslaser
nicht die Zwischenverbindung, eine andere als deren benachbarte
Oberfläche,
kontaktieren. Dies ist besonders dort wichtig, wo die Zwischenverbindung
sehr brüchig oder
empfindlich für
Wärme,
erzeugt durch den Impulslaser, ist. Auch ist die Ankunftszeit viel
schneller als bei früheren
Techniken, da die Oberflächen-Propagation
nur über
die Oberfläche
zwischen den Impuls- und Detektor-Laserstrahlen läuft. Sie muss nicht von der
Oberseite der Kugelbindung zu der Oberfläche des Substrats laufen. In
Abhängigkeit
von der Größe der Kugel
reicht die Laufzeit von 55 bis 70 Nanosekunden.
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Der
wichtigste Vorteil dieser Technik ist derjenige, dass die Wellenform
viel einfacher für
eine Korrelation ist. In diesem Fall wird die Wellenform nicht durch
die Form des Verbindungsdrahts, der von der Oberseite der Kugelbindung
vorsteht, beeinflusst. Die sich ergebende Wellenform nimmt normalerweise
die allgemeine Form der Oberflächenwelle an.
Auch ist die Fleckgröße des Impulslasers
nicht durch die Größe der Kugelbindung,
der Keilbindung oder einer anderen Zwischenverbindung beschränkt.
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Diese
Technik ist am effektivsten dort, wo der Detektorstrahl nahe zu
der Zwischenverbindung positioniert ist. Der Impulslaser muss allerdings
nicht so nahe zu der Zwischenverbindung für effektive Ergebnisse sein.
Eine Vorsichtsmaßnahme
bei der Verwendung dieser Technik ist diejenige, dass in dem Fall,
dass das Oberflächenmaterial
empfindlich für Wärme, erzeugt
durch den Impulslaser, ist, ein größerer Impulsfleck (wie beispielsweise
ein linienförmiger
Impulslaser) verwendet werden sollte, um eine Ablation des Materials
zu verhindern. Ein größerer Impulsfleck
mit derselben Leistungseinstellung wird die Leistungsdichte auf
der Oberfläche
der Testmaterialien verringern, und demzufolge Ablationseffekte beseitigen.
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Konzentrische
Erfassungstechniken, die auch in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
nützlich
sind, werden nun im weiteren Detail beschrieben.
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Aufgrund
der Empfindlichkeit der Integritätserfassung
gemäß der Erfindung
ist herausgefunden worden, dass die Oberflächenwellen-Propagationen direkt
dem strukturellen Aufbau der intermetallischen Verbindung entspricht.
Da die meisten intermetallischen Verbindungen nicht perfekt gleichförmig sind, ist
die Oberflächenwellen-Propagation,
die von der Mitte einer Kugelbindung abstrahlen, nicht gleichförmig konzentrisch
zueinander. Durch Erfassen mehrerer Signaturen von unterschiedlichen
Positionen um die Kugelbindung herum kann, sequenziell oder gleichzeitig,
die Struktur der zwischenmetallischen Verbindung abgeleitet werden. 10 stellt
die Impuls- und Erfassungstechnik zum Bestimmen der intermetallischen
Struktur unter Verwendung von Laserultraschalltechniken dar. Die
Kugel 108 wird von der Oberseite gepulst und eine Erfassung
wird auf der Verbindungsfläche,
360° um
die Kugel herum, an einer Mehrzahl von Stellen 1002, durchgeführt. Um
das Erfordernis nach einer Mehrzahl von Erfassungslasern, Optiken
und Datenverarbeitungssystemen zu vermeiden, kann eine Einzelerfassungsvorrichtung sequenziell
verwendet werden, um Wellenformdaten für jede der Mehrzahl der Stellen 1002 zu
erhalten. Zum Beispiel wird eine Kugelbindung auf der konzentrischen
Mitte eines Drehtischs vor Einleiten des Testvorgangs platziert.
Ein Detektorstrahl wird unter einem vorbestimmten Abstand von der
Mitte der Kugel, beispielsweise 0,1524 mm (0,006''),
positioniert. Ein Impuls (oder eine Reihe von Impulsen) wird auf
die Oberseite der Kugelbindung gerichtet, was Oberflächenwellen
nach außen
von der Mitte der Kugel abstrahlt. Der Detektor nimmt die Oberflächenwellen auf
und dies wird gedruckt oder gespeichert. Die Kugelbindung wird dann
durch Drehen des Drehtischs unter einem vorbestimmten Winkel, beispielsweise
5 Grad, gedreht. Ein zweiter Impuls oder eine Reihe von Impulsen
wird eingeleitet und die Signatur(en), wird (werden) erfasst und
gespeichert. Der Vorgang wird wiederholt, bis Signaturen an allen
Punkten 1002 um die Kugelbindung herum zusammengestellt sind.
Der Abstand zwischen den Detektorpunkten hängt von der radialen Auflösung, die
erwünscht
ist, ab.
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Wenn
einmal diese Signaturen zusammengestellt sind, können sie in einem 3-D-Format angezeigt
werden, was demzufolge die Propagations- "Ansicht" der intermetallischen Struktur liefert.
Dieses Format kann zu der Struktur der Verbindung korreliert oder
interpretiert werden und für
eine Betrachtung angezeigt werden.
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Die
Lasertriggersteuerung in der vorliegenden Erfindung ist Teil eines
Aufbaus einer Systemsteuerung, die den Status (Empfindlichkeitsposition) des
Bond Integrity Tester überwacht
und das Triggern bzw. Auslösen
des Lasers initiiert (oder den Test initiiert). Diese Triggersteuerung
kompensiert die inhärente
Wellenlängen-(λ)-Trift des
Detektor-Laserstrahls
ebenso wie die Spiegelposition innerhalb des Interferometers. Die
System-Funktionsweise
und -Empfindlichkeit in Bezug auf Oberflächen-Propagationen werden direkt
durch diese Triftprobleme beeinflusst. Mit anderen Worten werden
sich, wenn Tests unter der genauen, optimalen Systemempfindlichkeit durchgeführt werden,
starke Signaturen für
eine Analyse ergeben. Andererseits werden, wenn die Tests dann durchgeführt wurden,
wenn die Wellenlänge leicht
verschoben ist oder sich die Spiegelpositionen von den vorab eingestellten
Positionen verschoben haben, Signaturen, die empfangen sind, schwach sein
oder sogar nicht erfassbar sein. Diese Trifteffekte werden dann
verstärkt,
wenn Signalmittelungstechniken eingesetzt werden. Um die vorstehend
erwähnten
Probleme zu beseitigen und übereinstimmende
Testergebnisse sicherzustellen, sind zwei Techniken entwickelt worden,
die als Static and Dynamic Triggering Control Modes, jeweils, bezeichnet werden.
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Der
statische Kontroll-Trigger-Modus wird in erster Linie für ein manuelles
Testen dort verwendet, wo der Benutzer den Lasertriggerpunkt vor
jedem Test sehen und einstellen kann. Wie in 11 dargestellt
ist, überwacht
eine Schaltung die Amplitude (Spannungsausgang) des Fotodetektors 16 von
dem Interferometer 15 und liefert eine Rückkopplung über ein
analoges Oszilloskop 1102. Diese Rückführung liefert eine Referenz
zwischen dem Lasertriggerpunkt und der tatsächlichen, optimalen Empfindlichkeit
des Systems. Der Benutzer besitzt die Option, den Triggerpunkt auf
irgendeinen Empfindlichkeitspegel des Systems erneut vor dem Triggern
des Lasers einzustellen (d.h. die höchste Empfindlichkeit, die
geringste Empfindlichkeit, oder irgendwo dazwischen). Diese Einstellung
wird durch Einstellen des Abstands zwischen den reflektiven Spiegeln
innerhalb des Hohlraums des Interferometers vorgenommen, um den
Trifteffekt, der vorstehend diskutiert ist, auszugleichen. Ein Betrieb
dieses Static Trigger Control Mode wird durch Einstellen eines Knopfs
an der Interferometer-Spiegelsteuereinheit 1104, während die
Rückmeldungen
der Fotodiode beobachtet wird, durchgeführt. Wenn der Triggerpunkt
eingestellt ist, kann der Benutzer das Auslösen des Triggers bzw. Auslösers einleiten.
Dieser Modus ist besonders für ein
Einzelimpulstesten und für
eine System-Kalibrierung nützlich.
Der Nachteil dieses Modus ist derjenige, dass eine Anpassung der
Trift manuell vorgenommen wird und deshalb zeitaufwändiger ist.
Allerdings hat der Benutzer die Freiheit, den Lasertriggerpunkt
irgendwo entlang des Empfindlichkeitsbereichs des Systems, für Untersuchungs-
und Kalibrierungs-Zwecke, einzustellen.
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Der
dynamische Triggersteuer-Modus wird für ein automatisches Testen
unter einer hohen Geschwindigkeit mit einer gleichzeitigen Einstellung
in Bezug auf die Empfindlichkeitstrift optimiert. In diesem Modus
wird der Spiegel innerhalb des Interferometers auf einen Modus einer
kontinuierlichen Abtastung (Oszillieren) so eingestellt, dass mehrere
Fotopeaks beobachtet werden können
(d.h. der Spiegel des Interferometers wird so gestaltet, um einen
Weg von mehreren Wellenlängen
der Detektor-Laser-Frequenz zu laufen und zurückzukehren). Zum Beispiel kann
der Abstand auf 3 Fotopeaks eingestellt werden – ungeachtet der Frequenztrift
wird das System sechs (6) optimale Empfindlichkeitspunkte (3 auf
einem Weg und 3 bei der Rückkehr)
kreuzen. Wie in 12 dargestellt ist, überwacht
eine Schaltung die zurückgeführten Peaks
(Austastperioden) und insbesondere den ersten (1st)
Peak nach der Austastperiode. Die Schaltung besitzt auch eine Komperatorschaltung,
um die Spannungsamplitude von dem 1st Fotopeak
(wie er abgetastet ist) gegen einen vorbestimmten Spannungswert,
gespeichert in seinem PROM, zu vergleichen. Wenn diese zwei Spannungswerte
zueinander passen, leitet die Schaltung einen Lasertriggerbefehl
zu dem Laser hin ein. Der Spannungswert, gespeichert in dem PROM,
ist vorzugsweise ein Wert, der zu der Zeit Tf vor dem optimalen
Fotopeak erreicht werden wird, wobei Tf eine durchschnittliche Zeit
zwischen einer Übertragung
eines Signals bis zu einem Auslösen
des Impulslasers, und dem tatsächlichen
Auslösen
des Impulslasers, ist.
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Die
Dynamic Trigger Control Mode Schaltung führt ein kontinuierliches Triggern
durch und verfolgt die Anzahl von Triggervorgängen für jeden Vorgang. Wenn einmal
der Triggerbefehl gleich zu dem Triggerzählwert, gespeichert in dem
PROM, ist, endet der Triggervorgang. Sowohl der Triggerzählwert als
auch die vorbestimmte Spannungsamplitude in dem PROM werden von
dem Systemsteuercomputer vor jedem Testvorgang eingegeben.
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Da
das Interferometer-Steuersystem der vorliegenden Erfindung eine
Abtastrate von 100+ Zyklen pro Sekunde unterstützt, kann ein Testen von Verbindungen
bei einer optimalen Empfindlichkeit folglich bei oberhalb von 100
Punkten pro Sekunde ebenso durchgeführt werden. Diese Triggersteuertechnik
unterstützt
ein Testen unter hoher Geschwindigkeit mit einer automatischen Anpassung
an die Empfindlichkeitstrift in dem System.
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Der
Dynamic Trigger Control Mode besitzt viele Vorteile. Dieser Modus
passt eigene Empfindlichkeitstriften in dem System automatisch an,
unterstützt
ein mittels Computer gesteuertes, automatisches Testen (PROM Eingaben
für Zählungs-
und Empfindlichkeitskriterien), stellt Integritäts-Tests bei einer optimalen
Systemempfindlichkeit (oder irgendeiner anderen, vorab eingestellten
Empfindlichkeit) von dem PROM sicher, unterstützt das Testen unter hoher
Geschwindigkeit und verfolgt einzelne oder mehrere Tests automatisch.
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Eine
Anzahl von Techniken wird in der vorliegenden Erfindung verwendet,
um Signal-zu-Rausch-Verhältnisse
zu verbessern. Ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist schon immer eine
Herausforderung für
alle elektronischen Systeme gewesen. Diese Non-Contact Bond Integrity Technology stellt
hierbei keine Ausnahme dar. Um die sehr kleinen Oberflächen-Propagationen,
erzeugt an der Verbindung, zu erhalten, muss der hier vorliegende
Detektorsensor äußerst empfindlich
sein. Neben einem Erhalten der Oberflächen-Propagationswellen werden andere Umgebungsrauschen,
wie beispielsweise ein Q-Switch-HF-Rauschen
und ein Hintergrundrauschen, ebenso aufgenommen. Die Amplitude dieses
Rauschens ist, manchmal, größer als
diejenige der Propagations-Signaturen. Da das meiste Umgebungsrauschen
zufällig
ist, während
die hier vorliegende Oberflächenwelle
festgelegt ist, wird eine Signal-Mittelungstechnik verwendet, um
diese unerwünschte
Rauschen zu beseitigen.
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Neben
Signal-Mittelungstechniken sind andere Betrachtungen zum Erhöhen der
Amplitude der Signaturen erwünscht.
Die wichtigsten Ausführungspunkte
sind eine sorgfältige
Auswahl geeigneter Fotodioden, eine erhöhte Detektor-Laserleistung
und eine verringerte Detektor-Laserfleckgröße.
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Fotodioden,
die durch Hersteller von Interferometern geliefert wurden, verwendeten
auf Silizium basierende Fotodioden. Es wurde herausgefunden, dass
die Betriebsweise des Systems durch ersetzende Fotodioden verbessert
werden kann, die stärker auf
die bevorzugte Detektor-Laser-Frequenz von λ = 1064 nm ansprechen. Wie in 12 dargestellt
ist, sind Galliumarsenid-Fotodioden ungefähr 4,3-mal empfindlicher für die bevorzugte
Detektor-Laser-Frequenz. Dies entspricht mehr als 400% einer Verbesserung
in einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
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Die
Amplitude der Rückführ-Signatur
ist von der Menge an Licht, die von den Testoberflächen reflektiert
ist, abhängig.
Aufgrund des sehr großen
Verlusts an Lichtenergie durch die optischen Schichten wird die
zurückgeführte Lichtenergie
wesentlich gedämpft.
Eine Erhöhung
der Eingangs-Detektor-Laserleistung von 15 mW (wie dies in dem früheren Patent
des Erfinders offenbart ist) auf 700 mW wurde vorgenommen und das
Signal-zu-Rausch-Verhältnis wurde
viele Male erhöht.
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Es
wurde auch herausgefunden, dass ein Minimieren der Fleckgröße des Detektor-Lasers die Signatur-Amplitude
erhöhte.
Die Detektorfleckgröße wurde
auf 0,0762 mm (0,003'') im Durchmesser
für ein
verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis verringert.
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Daten,
die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zusammengestellt
sind, haben gezeigt, dass die Integrität von Materialbindungen im Mikrobereich
unter Verwendung einer Nichtkontakt-Laserultraschalleinrichtung
bestimmt werden kann. Eine Oberflächenwellen-Signatur, erzeugt durch
den vorstehenden Vorgang, wird durch einen Analog-Digital-Wandler,
der bei 500 MHz (d.h. 500 Millionen Abtastungen pro Sekunde) arbeitet,
erfasst. Vorzugsweise werden 500 Datenpunkte für jede Signatur bei 2 Nanosekunden
pro Punkt zusammengestellt. 14 stellt
Signaturen für
eine gut verbundene Kugelbindung, eine teilweise verbundene Kugel und
eine nicht verbundene (berührende)
Kugel dar. Es ist anzumerken, dass das Design der vorliegenden Erfindung
Schockwellen vermeidet, die in den Signaturen des früheren US-Patents
5,535,006 des Erfinders vorhanden waren.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird nur das frühe
Segment der Signatur für
eine Korrelation verwendet, da Oberflächenwellen, die von den benachbarten
Bindungen (Strukturen) zurückgeworfen
werden, an dem Erfassungspunkt ankommen können, was demzufolge zu einer
komplexen Signatur führt.
Neben einer Amplitude der Spitzen werden einige Merkmale der Signatur
für die
Verbindungs-Integrität-Korrelation
verwendet. Die Kombination dieser Merkmale (Grundparameter) liefert
eine viel bessere Bestimmung zwischen einer guten, einer teilweisen
und keiner Bindung. 15 stellt eine Probe-Signatur dar, auf
die nun beim Erläutern
von Elementen der Signatur-Analyse, verwendet in der vorliegenden Erfindung,
Bezug genommen wird.
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Die
Ankunftszeit der Spitze der ersten Oberflächenwelle (Punkt 10 in 15)
wird erfasst, um sicherzustellen, dass das System so, wie erwartet,
arbeitet, da die Oberflächenwelle,
ungeachtet deren Bindungs-Integrität, unter derselben Geschwindigkeit laufen
sollte. Eine nicht normale Ankunftszeit zeigt normal nicht brauchbare
Bindungs-Strukturen oder Zwischenverbindungs-Merkmale an. Die Ankunftszeit
einer Oberflächenwelle
hängt von
den Materialien, die verwendet werden, der Rayleigh-Geschwindigkeit
und dem Abstand zwischen Impuls- und Detektor-Laserflecken ab.
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Die
vertikale Trennung zwischen Pt. C und Pt. E, wie dies in 15 dargestellt
ist, erhöht
sich, wenn sich die Scherkraft erhöht (oder wenn sich die Bindungs-Integrität verbessert),
unter Berechnen des vertikalen Abstands zwischen den zwei Punkten.
Der Abstand ist ein Indikator einer Bindungs-Integrität und wird
als einer der Grundparameter zum Vorhersagen des Bindungs-Zustands
der Zwischenverbindung verwendet.
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Die
Schräge
bzw. Steigung zwischen Pt. D und Pt. E korreliert eng zu der Scherfestigkeit.
Das Daten-Analyse-Softwareprogramm hier identifiziert den maximalen
Punkt (Pt. D) und den minimalen Punkt (Pt. E) automatisch innerhalb
eines vorbestimmten Zeitfensters und führt eine Regressions-Analyse
mit allen Datenpunkten dazwischen durch. Die Steigung dieser Regressions-Analyse
entspricht direkt der Bindungs-Integrität der Zwischenverbindung. Je
steiler die Schräge
ist, desto stärker ist
die Bindung, die vorgefunden wird. Umgekehrt sind, wenn sich die
Steigung verringert, desto schwächer
die Bindungs-Kräfte.
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Die
Frequenz kann, in dieser Anwendung, in eine Ankunftszeit von Peaks
und Tälern
der 2. und 3. Spitze überführt werden.
Unter den 4 Punkten (F, G, H und I) wurde die Ankunftszeit von Pt.
I als der primäre
Grundparameter verwendet. Dies kommt daher, dass Pt. I der weiteste
Punkt in der Zeit ist und eine bessere Zeittrennung unter Signaturen
mit variierenden Graden einer Bindung ermöglicht. Empirische Testdaten
unterstützen
die vorstehende Analyse.
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16 zeigt
ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform
eines vollständigen
Beurteilungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das System 1600 weist eine Systemsteuereinheit 1602,
ein Betrachtungssystem 1603, eine Ringbeleuchtung 1604,
ein Detektor-Laser-Untersystem 1605, Laserlenkmotoren 1606,
eine Interferometer-Steuerschaltung 1607, einen Verstärker 1608,
ein Impulslaser-Untersystem 1609, eines Synchronisationssteuerung 1610,
eine Digital-Oszilloskop-Übergangs-Aufzeichnungseinrichtung 1611,
eine Fotodiode 1613, ein analoges Oszilloskop 1614,
Eingabevorrichtungen 1615, eine Motorsteuerung 1618,
ein Interferometer 15, eine Fotodiode 16 und eine
Videokamera 6 auf. Das Impulslaser-Untersystem 1609 und
das Detektor-Laser-Untersystem 1605 sind vorzugsweise entsprechend
der Beschreibung vorstehend, und insbesondere entsprechend zu 2,
aufgebaut. Es wird für
Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, dass
ein großer
Teil der Vorrichtung der 2 in 16 zur
Deutlichkeit weggelassen ist, dass allerdings dieselben Elemente vorzugsweise
in das vollständige
System der 16 eingesetzt werden.
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Ein
Funktions-Flussdiagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform
eines automatisierten Testverfahrens darstellt, ist in 17 angegeben. Um
den Testvorgang zu beginnen, setzt, wie in Block 1702 dargestellt
ist, der Bediener das Teil, das getestet werden soll, auf den Tisch 21 auf,
der, in dieser Ausführungsform,
mit Motoren ausgestattet ist, um ihn entlang von zwei Achsen zu
bewegen, um eine Transport-Plattform zu bilden. Als nächstes bewegt, in
Block 1704, die System-Steuereinheit 1602 das Teil
unter dem Betrachtungssystem 1603, das eine Teile-Ausrichtung
und -Positionierung steuert. Dann versorgt, in Block 1706,
die System-Steuereinheit die Ringbeleuchtungsmechanismen 1604 mit
Strom, um die Kugelbindungen und die Keilbindungen innerhalb des
Betrachtungsfelds zu erleuchten. Die Ringbeleuchtungsmechanismen
und zusätzliche
Betriebsmerkmale des Systems sind vorzugsweise entsprechend den
Angaben der früheren
US-Patente 5,420,689;
5,424,838; und 5,302,836 des Erfinders aufgebaut. Im Block 1708 identifiziert
das Betrachtungssystem 1603 die Kugelbindungen, die Keilbindungen
oder die Zwischenverbindungen, die begutachtet werden sollen, und
lokalisiert sie, und im Block 1710, schickt es Soll-Koordinaten
zu der System-Steuereinheit 1602. Die System-Steuereinheit 1602 führt eine
Positionierungs-Modifikation unter Verwendung der Transportplattform 21 für das Detektor-Laseruntersystem 1605 ebenso
für die
Impulslaser-Lenkspiegel 1606 für ein Ausrichten
des Impulslasers durch, wie dies in Block 1712 dargestellt
ist. Die System-Steuereinheit 1602 sendet dann einen Befehl
zu der Interferometer-Steuerschaltung 1607, um den Integritätstest durchzuführen. Der
Befehl, der aus der Anzahl von Impulsen besteht, und der Empfindlichkeits-Pegeleinstellpunkt
für ein
Auslösen
des Lasers werden in dem PROM des ICC 1607 gespeichert.
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Als
nächstes überwacht,
in Block 1714, die ICC 1607 den Zustand der Systemempfindlichkeit über den
Verstärker 1608 und
löst das
Impulslaser-Untersystem 1609 zu einem geeigneten Zeitpunkt
für eine
vorgegebene, maximale Empfindlichkeit aus, was die erwartete Zeitverzögerung zwischen
einem Senden des Signals und einem Auslösen des Lasers ergibt. Der
Laserimpuls führt,
wenn er ausgelöst
ist, durch die Synchronisations-Steuereinheit 1610 hindurch,
die wiederum die Datenerfassungsfunktion des transienten Recorders 1611 einleitet,
wie dies in Block 1716 dargestellt ist. Die Oberflächenwellen- Signatur wird erfasst
und in eine Spannung über
das Interferometer 15 und die Fotodiode 16 in
Block 1718 umgewandelt und die Signatur wird durch den
transienten Hochgeschwindigkeits-Recorder 1611 für eine Anzeige
aufgezeichnet. Darauf folgend werden diese Daten auch zu der System-Steuereinheit 1602 für eine automatisierte
Bindungs-Integrität-Analyse
gesendet (siehe Block 1720). Ergebnisse des Tests werden
dann angezeigt (Block 1722). Ergebnisse werden vorzugsweise
für eine
weitere Betrachtung, Analyse und Korrelation gespeichert (Block 1724).
In Abhängigkeit
von den Erfordernissen für
den automatisierten Test geht die Steuerung weiter zu Block 1726 (wo
das nächste
Teil begutachtet werden soll), zu Block 1728 (wo das Teil
bewegt werden muss, um die nächste
Zwischenverbindung zu testen) oder zu Block 1730 (wo der
Test abgeschlossen ist).
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Das
analoge Oszilloskop 1614 ist für eine sichtbare Referenz vorgesehen,
wenn die Triggervorgänge
für den
statischen Modus durchgeführt
werden (wie dies vorstehend beschrieben ist). Die Eingabeelemente 1615 können einen
Joystick, ein Tastenfeld und eine Mouse umfassen, um die Nutzbarkeit der
Betriebs-Software zu erhöhen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die zwei Oszilloskope virtuell in einem einzelnen Computer-Anzeigebildschirm,
zusammen mit einem Live-Video von der Videokamera 6 für Ziel-Zwecke, Fokussteuerungen
für eine
auf dem Bildschirm geführten
Mouse für
die Videokamera 6 und von Steuerungen mittels einer auf
dem Bildschirm geführten Mouse
zum Drehen und Translatieren der Transportplattform ausgeführt.
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Zusätzlich zu
einer Bewertung der Integrität von
kleinen Bindungsbereichen, wie beispielsweise Kugelbindungen, können die
Techniken und Systeme, die hier offenbart sind, zum Testen einer
Bindungs-Integrität
in verschiedenen, anderen Anwendungen auf einem Mikro-Niveau verwendet
werden. Insbesondere kann die Erfindung dazu verwendet werden, eine
Bindungs-Integrität
in größeren Bereichen,
wie beispielsweise in dünnen
Beschichtungen, zu testen. Ein gutes Beispiel dieser Anwendungen
ist die Erfassung des Vorhandenseins oder des Fehlens von Leerstellen,
Nicht-Bindungen, die allerdings in Kontakt stehen, Teilbindungen
und Zuständen
von vollständigen
Bindungen. Aufgrund der dünnen
Beschichtung des Materials (in der Größenordnung von Mikron) kann
die Leistungsdichte zu stark sein, wenn ein Punktimpulslaser angewandt
wird. Um dieses potenzielle Problem zu beseitigen, verwendet die
bevorzugte Ausführungsform
dieser Unterlagen ein alternatives Design von Optiken, das die Leistungsdichte
auf der Oberfläche
verringert, allerdings dennoch ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis beibehält. Einer
Signa tur-Charakterisierung, die sich auf eine dünne Beschichtung bezieht, wurde
sich zugewandt. Ein mathematisches Modell wird für die Anwendung entwickelt
(zum Beispiel wird ein Modell eines Evaluierens einer dünnen Aluminiumbeschichtung
auf Silizium und Korrelieren zu tatsächlichen Signaturen, die durch
das System erhalten sind, im weiteren Detail nachfolgend beschrieben).
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Eine
Ablation kann aufgrund einer hohen Energiedichte, die auf die Oberfläche fokussiert
wird, um die Oberflächenwellen-Propagation
zu erzeugen, auftreten. Der Erfinder hat bestimmt, dass eine Leistungsintensität des Impulses
direkt proportional zu der Amplitude der Signatur ist. Mit anderen
Worten ist, je höher
die Impulsintensität
ist, desto stärker
der Impuls – demzufolge
eine besser erkennbare Signatur. Andererseits ist, um Ablations-Effekte
zu verringern, je niedriger die Intensität des Impulses ist, desto schwächer die
Signatur – demzufolge
Verringern des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses.
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Ein
wesentlicher Punkt in dem System-Design ist das Beibehalten einer
nicht zerstörenden
Art des Sensors. Falls ein Impulslaserstrahl zu einem kleinen Fleck
fokussiert wird, kann eine große
Menge an Energie (MWatt) auf die Probenfläche in einer kurzen Zeit (nsec)
aufgebracht werden, was eine Material-Ablation bewirkt. Durch Modifizieren
des Designs der Optiken wurde ein lang gestreckter Fleck eines Impulslasers
für diese
Ausführungsform
vorgesehen. Der Abdruck des lang gestreckten Lasers verringert die
Leistungsdichte an den Oberflächen-Materialien, was
demzufolge eine höhere,
gesamte Eingangsleistung in die Oberfläche ermöglicht, während die Oberflächen-Temperatur
unterhalb des Ablations-Niveaus gehalten wird. Dieses neue Design
lieferte zwei Vorteile in Bezug auf die hier vorliegenden Bindungs-Test-Anwendungen.
Zuerst ermöglicht
es das Testen von ultradünnen
Materialien ohne eine Ablation. Proben, die getestet wurden, wurden
unter einem Rasterelektronenmikroskop (Scanning Electronic Microscope – SEM) unter
Vergrößerung von
600× und 950×, jeweils,
beurteilt und dokumentiert. Zusätzlich wurden
mathematische Modelle unter Verwendung von Wärmeübertragungstheorien entwickelt,
um die Oberflächen
und Suboberflächen-Temperaturen
zu bestimmen. Beide Verfahren bestätigten die Nicht-Ablations-Maßnahmen.
Als zweites beseitigte dieses Design der Optiken das Problem einer
Leistungsdispersion von einer Einzelfleck-Energiequelle. Wie in 18 dargestellt
ist, verteilt sich die Energie in allen Richtungen von einer Einzelpunktquelle
aus. Wenn ein einzelner Erfassungspunkt unter einem bestimmten Abstand
von der Quelle positioniert ist, wird eine theoretische Leistung
von 1/360 für
jeden Grad einer Dispersion empfangen. Für eine erfassbare Signatur
muss eine hohe Energie auf die Oberfläche aufgebracht werden, wenn
eine Einzelpunktquelle verwendet wird. Wie in 19 dargestellt
ist, rekombiniert die Linienlaserquelle die dispergierte Energie an
dem Erfassungspunkt. Diese Maßnahme
führt zu einer
sehr gut erfassbaren Signatur bei einer niedrigen Leistungsdichte.
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Das
Design der Optiken verwendet eine Folge von Zylinderlinsen, um ein
Zwischenlinienbild vor der Objektivlinse zu erzeugen. In der bevorzugten Ausführungsform
sind die linienförmigen
Strahlen 1 bis 2 mm lang. Die Strahlgröße kann durch Variieren des
Abstands zwischen dem negativen Zylinder und dem ersten positiven
Zylinder geändert
werden. Das Design der Optiken basiert auf einer Code V Strahlführungs-Software.
Dieses optische System verwendet eine Folge von Zylinderlinsen,
um ein Zwischenlinienbild zu erzeugen. Durch Variieren der Brennweite
der ersten Linse in dem System (der negative Zylinder) kann das
F/no des Zwischenbilds variiert werden, was wiederum die Breite
des Strahls in dem Fokus der Objektivlinse steuert. Das Design der
Optiken ist in Appendix A dargestellt.
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Die
Haftung von Beschichtungen auf Materialoberflächen ist ein wichtiges Problem
bei vielen Herstellvorgängen
vom Automobil bis zu der Schaltungsherstellung von Mikro-Elektroniken. Gewöhnlich sind
diese Beschichtungen dünn
(1–40
Mikron) und werden auf Basismaterialien niedergeschlagen, die sehr
unterschiedliche optische, chemische, thermische oder mechanische
Eigenschaften haben.
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Die
Laserultraschall-Maßnahme
der vorliegenden Erfindung misst die Charakteristika der Propagation
einer elastischen Welle innerhalb eines Bereichs, der sowohl die
Beschichtung als auch das Basismaterial umfasst. Dies ist eine vollständig mechanische
Messung in Abhängigkeit
von mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Beschichtungsdicke,
elastische Konstanten und der Zustand der Bindung zwischen der Beschichtung
und deren Basismaterial. Elastische Wellen bestehen aus elastischen Dehnungen
bzw. Spannungen, die wesentliche Wege entlang der Beschichtungsoberfläche propagieren
können.
Diese Spannungen dehnen die Beschichtung/Substrat-Zwischenfläche, wodurch
die Bindungsfestigkeit direkt getestet wird. Dehnungen sowohl parallel
als auch senkrecht zu der Zwischenflächenebene können entweder zusammen oder
einzeln über
die Verwendung von Moden polarisierter, elastischer Wellen auf die
Beschichtung und deren Basismaterial aufgebracht werden.
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Entlang
der Oberfläche
eines Materials ist der Mode einer laufenden, elastischen Welle
als eine Rayleigh-Welle bekannt. Er ist sehr ähnlich der Wellen, die auf
der Oberfläche
von Flüssigkeiten
propagieren, wie beispielsweise Wellen im Meer, mit der Ausnahme,
dass die Rückstellkraft
elastisch im Gegensatz zu einer Oberflächenspannung ist. Diese Welle
läuft über lange
Entfernungen und ändert
nicht ihre Form, nur ihre Amplitude aufgrund einer Dämpfung.
Die Geschwindigkeit dieser Welle hängt von der elastischen Konstante
des Materials ab.
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Wenn
das Beschichtungsmaterial eine dünne
Folie ist, werden zwei Oberflächenwellen
entlang des Materials laufen, eine an der oberen Fläche und die
andere an der unteren Fläche.
Diese Wellen werden als Oberflächenwellen
propagieren, wie dies in 20 dargestellt
ist. Dieses Phänomen
kann wie folgt erläutert
werden.
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Wenn
der Impulslaser auf die Oberfläche 2001 auftrifft,
werden Wellen mit variierenden Frequenzen entlang der Oberfläche 2001 des
Beschichtungsmaterials erzeugt. Die Propagationen mit Wellenlängen kürzer als
der Abstand des Beschichtungsmaterials verbleiben an der Oberseite
der Beschichtung, wie dies bei 2002 dargestellt ist, und
propagieren nach außen
unter der Rayleigh-Geschwindigkeit des Beschichtungsmaterials. Andererseits
werden die Wellenlängen
länger
als die Dicke des Beschichtungsmaterials durch die Beschichtungsmaterialien auf
das Basismaterial 2004 hindurchdringen. Da das Basismaterial
normalerweise dicker als die durchdringende Wellenlänge ist,
werden diese Wellenlängen-Frequenzen 2006 entlang
der Oberseite des Basismaterials unter der Rayleigh-Geschwindigkeit
des Basismaterials zu dem Erfassungspunkt laufen. Wenn diese Situation
auftritt, können
zwei Oberflächenwellen 2002 und 2006 erfasst
werden – eine kommt
unter einer unterschiedlicheren Geschwindigkeit als die andere an.
Unter Verwendung einer Fast-Fourier-Transform-(FFT)-Analyse dieser
Signaturen, und unter Korrelieren zu deren Wellenlängen, kann
die Dicke des Beschichtungsmaterials leicht bestimmt werden.
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Wie
vorstehend diskutiert ist, gestalten die Wellenlängen-Dispersions-Verhaltensweisen
eine Identifizierung dieser Moden sehr einfach. Zusätzlich ist
der Grad einer Dispersion dieser Wellen von der Dicke der Materialien
abhängig. 21 stellt
die Rayleigh-Wellen-Geschwindigkeit einer Oberflächenwelle, ausgedruckt gegenüber der
Frequenz der Welle, dar, wenn sie entlang eines mit Aluminium beschichteten
Siliziummaterials läuft.
Wie angezeigt ist, verlangsamt sich die Geschwindigkeit der Propagationswel le,
wenn sich deren Frequenz erhöht.
Wenn man die Ankunftszeit einer Hochfrequenz-Komponenten der Welle, beispielsweise
100 MHz, überwacht,
kann man die Dicke des Beschichtungsmaterials bestimmen. Alternativ
kann die Form der Signatur-Dispersion, die erfasst ist, auch dazu
verwendet werden, die Dicke der Beschichtung zu bestimmen. Probenwellen-Formen
in Appendix B stellen dispergierte Wellenformen an verschiedenen
Dicken von mit Aluminium beschichtetem Silizium dar. Die Proben
zeigen die Wellenform unter einem Separationsabstand von 0,508 mm
(20,0 mils) für
eine Beschichtungsdicke von 1,0 μm,
5,0 μm,
10 μm und
20 μm, jeweils.
Eine sehr unterschiedliche Wellenform kann aufgrund einer unterschiedlichen
Beschichtungsdicke erfasst werden.
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Adhäsions-Charakteristika
der Bindungsmaterialien können
durch die Störung
oder eine nicht normale, asymmetrische Wellenform bestimmt werden.
Zum Beispiel wird, wenn insgesamt keine Adhäsion zwischen dem Beschichtungs-
und dem Basismaterial vorhanden ist, eine flache Wellenform erfasst
werden.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
dieses Dünnbeschichtungs-Testverfahrens wurde
ein neues Design eines Laserstrahls erstellt, um weiterhin das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu
verbessern. Anstelle eines Abdrucks eines Flecks oder einer geraden
Linie wurde ein Abdruck eines Impulslasers mit gekrümmter Linie
entwickelt. Wie nun 22 zeigt, ermöglicht der
gekrümmte
Laser 2202 dieselbe oder eine bessere Leistungsdichte auf
der Oberfläche
der Materialien, wobei die Oberflächenwellen-Propagation auf einen einzelnen Erfassungspunkt 2204 fokussiert
werden wird. Wenn der Erfassungsstrahl an dem Brennpunkt des gekrümmten Laserstrahls 2202 positioniert
wird, werden die Amplituden der Signaturen aufsummiert, was demzufolge die
Signatur-Amplitude
viele Male erhöht.
Diese Technik ist besonders dann nützlich, wenn die Materialschichten
für Wärme, induziert
durch den Impulslaser, empfindlich sind. Ein wichtiges Kriterium
zur Verwendung dieser Technik ist dasjenige, dass der Abdruck des
Detektor-Lasers
genau an dem Brennpunkt des gekrümmten
Laserstrahls positioniert werden muss. Der Nachteil beim Verwenden
dieser Technik ist derjenige, dass die Krümmung des Laserstrahls entsprechend
geändert
werden muss, wenn der Abstand zwischen dem Impuls- und Detektor-Laser
geändert
wird.
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Die
verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung können
einzeln oder insgesamt die Merkmale, die in dem früheren US-Patent
5,535,006 der Erfinders und/oder der US-Patentanmeldung Serial No.
60/068,362, angemeldet am 19.12.1997, offenbart sind, einsetzen.
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Demzufolge
sind ein verbessertes System und ein Verfahren zum Überwachen
von Zwischenverbindungen zwischen Elementen offenbart worden. Die
Erfindung ist nicht auf die spezifischen Beispiele, die hier offenbart
sind, beschränkt,
sondern umfasst alle Variationen, die durch den Wortlaut der Ansprüche, die
folgen, umfasst sind.