Sviluppo di un sistema ad ultrasuoni per la misura dello spessore di film conduttori. Ferraro Alberto

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1 Sviluppo di un sistema ad ultrasuoni per la misura dello spessore di film conduttori Ferraro Alberto

2 Obiettivo Sviluppare un sistema ad ultrasuoni per la misura dello spessore di film conduttori: Metodo indiretto basato sul confronto tra la velocità di gruppo teorica e misurata di un pacchetto d onda che si propaga nella struttura. MOTIVAZIONI: Misura dello spessore micrometrico del film di rame di un substrato flessibile per PCB (modellabile come una piastra doppio-strato PET / Cu): Campo di misura adottato: 31 µm 101 µm. La valutazione deve essere non distruttiva (NDE); No contaminazione del campione; Possibilità di impiego del sistema per misurazioni nel vuoto.

3 Flusso di progetto Studio propagazione onde Lamb in strutture multistrato: Metodo delle matrici di trasferimento. Sviluppo/validazione modello numerico Matlab per la ricerca delle soluzioni modali. Studio/realizzazione trasduttori ultrasonici EMAT. Realizzazione hardware: Circuito di generazione burst; Circuito trasmettitore; Circuito ricevitore. Realizzazione Labview VI: Controllo dell hardware, acquisizione ed elaborazione dei segnali. Sviluppo algoritmo Matlab per la determinazione dello spessore (parametro di ingresso: velocità di gruppo misurata). Sperimentazione del sistema.

4 Onde Lamb Tipologia di onde elastiche guidate che si propagano in una struttura dotata di interfacce. SOLUZIONI MODALI (Struttura PET/Cu): Infiniti modi d onda, dispersivi, dipendenti dalle proprietà fisiche e geometriche della struttura. CARATTERISTICHE MODO A0, FREQUENZA 520 KHz: Energia di deformazione confinata nel film di rame. Buona sensibilità a variazioni di spessore del film Cu: Ad esempio, nel range 55 µm µm: S vg,media = 11.2 m/(s µm). Insensibile alle variazioni di spessore del substrato PET. Nel campo di misura 31 µm 101 µm: velocità di gruppo strettamente monotona Funzione invertibile.

5 Onde Lamb: Struttura doppio-strato CURVE DI DISPERSIONE 350 µm PET 35 µm Cu:

6 Struttura del sistema Tecnica pitch-catch con elaborazione Matlab-Labview

7 EMATs (ElectroMagnetic Acoustic Transducers) Impiegati con campioni conduttori e/o magnetostrittivi. Campioni conduttori: Funzionamento basato sull interazione (forza di Lorentz) tra correnti parassite indotte nel campione e campo magnetico statico prodotto dal magnete permanente. EMAT realizzato: Meander line coil (n = 11) incisa su scheda ramata in vetronite e magnete NdFeB (grado N35). L (1.62 mm) è tale da massimizzare l eccitazione del modo A0 alla frequenza 520 KHz (v ph = m/s, λ/2 = 540 µm): Interferenza costruttiva degli stress prodotti nella struttura.

8 EMATs (ElectroMagnetic Acoustic Transducers) MOTIVAZIONI DI IMPIEGO: No contatto con il campione: Assenza di sollecitazioni che possono alterare i modi della struttura. No mezzo accoppiante trasduttore-campione: No contaminazione campione (dovuta all accoppiante). Trasduzione anche in presenza del vuoto, in ambienti ostili e ad alte temperature. SVANTAGGI: Bassa efficienza di trasduzione: Sono richieste alte correnti di eccitazione, campi magnetici intensi e una piccola distanza di lift-off. MODELLO ELETTRICO SEMPLIFICATO: L e =0.44 µh R e = 0.6 Ω V e = f.e.m. indotta

9 Generatore di Burst Circuito per l incapsulamento controllato di N periodi dell onda quadra a frequenza f posta al suo ingresso. FUNZIONAMENTO: Basato sul conteggio dei cicli di clock da parte di 2 contatori Johnson a 5 stadi e 10 uscite decodificate. CARATTERISTICHE: Ingressi: Onda quadra (f = 520 KHz, DC = 0.6, V pp = 10V), Sync e segnali di controllo DIGITAL I/O #0/1. Generazione burst: invio impulso di reset in DIGITAL I/O #0 Uscita: Burst N = 18 (f = 520 KHz, DC = 0.6, V pp 9 V) In assenza di burst, uscita vincolata a potenziale nullo dalla resistenza di pull-down di ingresso del trasmettitore

10 Generatore di Burst CLK CLKENBAR RESET Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 COUT CLK CLKENBAR RESET Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 COUT EN S1 R1 S2 R2 S3 R3 S4 R4 Q1 Q2 Q3 Q4 CLK CLKENBAR RESET Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 COUT CD4017/A CLK CLKENBAR RESET Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 COUT CD4017/B EN S1 R1 S2 R2 S3 R3 S4 R4 Q1 Q2 Q3 Q4 MC14043 LM311 V1 V2 +5V -5V Digital I/O #0 Sync (FGEN) Digital I/O #1 R1 10k R2 6k8 R3 22k +5V -5V R4 330 C1 100nF C2 100nF C3 10uF C4 10uF R5 1k +5V 74HC4066/A FGEN out Out

11 Trasmettitore Amplificatore di potenza con carico risonante. FUNZIONAMENTO: Coppia complementare MOS di potenza che pilota un carico risonante serie costituito dall EMAT trasmittente, una induttanza (4.29 µh) ed una capacità (19.8 nf) esterna. Coppia MOS lavora in zona lineare bassa dissipazione di potenza. Alla frequenza di risonanza l impedenza del carico è puramente resistiva ed assume valore minimo Ampiezza massima di corrente. CARATTERISTICHE: Frequenza di risonanza serie carico: 520 KHz Burst di corrente prodotto nel carico: VccP = ±15V I EMAT 15A (andamento sinusoidale smorzato). Tempi morti ( 200ns) basse perdite in commutazione: Generati con un integratore controllato e due comparatori di soglia.

12 Vin 1k R2 R Q5Vcc D3-Vcc C1 1n Q6 R11 1k8-Vcc -Vcc -Vcc X2 R14 330D5VccR16 1k8R5 180 R368Q1VccR10 = 560 (nel circuito fisico) R103 = 4k7 (nel circuito fisico) R16 = serie 2 X 90.9 R7 68Q3 5k11 R12 SW3 Q2 VccX1 R15 330D6 Enable 1k8R6 R4D1 Q7 1/2W1/4W 74HC4066/B D26868 R8R9 220-VccQ4 D4EnableR13 3k3Vcc D7 V3 V4 -Vcc Vcc V5 V6-VccP VccP 74HC4066/C Enable SW4 C7 C8 100nC9 C10 22u Trasmettitore R k5 R19 R R R29 1k5 R VccPQ8 R20 470R22 Q10 D9 D8 10 Q9 D13 -VccP R21 470R23 10 R24 2k2 R R Q11 Q13 Q12100u C2 R D12 C4 22n Q20 R43 1kVccP Q21 R41 1k R45 10R47 1kQ26 EnableR Q24 R44 1k 22n C5D14R39 2.2D15 -VccPQ25R46 Q14 R D16 R32 10 Q16 1k Q15 R Q22 Q23 -VccPR33 10 R34 D17 D10 D11 2k2 R Q17 R Q19 Q18 A R47, circa riposo R46 15V. su e Almeno R48 R43, cadono R44, 1/4W. 100u C3 R38 68VccP X41000u C11 1k R R49 X R50 R40 68-VccP1000u C12 10k R53 Carico 19.8n C6 L1 440nH 0.6 Le Re4.29uH risonante a 520 KHz: 0.59 R51 Ce R54 5p 10k 470 R52

13 Ricevitore Amplificatore ad alto guadagno e basso rumore. FUNZIONAMENTO: Rete di ingresso (amplificatore CB) per l adattamento della bassa impedenza della sorgente ( 1.5 Ω) alla resistenza di rumore dell amplificatore non invertente (AD829, BJT OA, GBP = 600MHz, R n = 1133 Ω) Cifra di rumore minima. CARATTERISTICHE: Guadagno (f = 520 KHz): 71 db ( 3600), A V,CB = 31 db, A V,AD829 = 34 db. Banda (-3 db): 410 KHz. Compensazione AD829 per garantire la stabilità. Alimentazione separata, accorgimenti per la riduzione dei disturbi condotti e di tipo elettromagnetico.

14 Ricevitore 220n C2 V1+5V V2-5V 5k1 R1 910 R3 Q1 C3 1n Porre R7 = R5 compenserebbe 3k9 R n R4 C1 Re u Le 20k R5 l'offset 1250 AD829 X199-5V Receiver Ve, Re, EMAT Le model Ve 56p C54k75 Auxiliary R7 150n C6 Power 10n R n 22u C7 22u C9 C8supply C4 +5V Out

15 Segnali e Risposta in frequenza

16 Labview VI Gestisce l hardware, l acquisizione dei segnali, la loro elaborazione, produce e visualizza il risultato di uscita. Attivazione risorse: Abilitazione alimentazione e generatore di funzioni. Procedura di misurazione (pulsante MEASURE ): Acquisizione di N realizzazioni (con N impostabile dall utente); Media delle realizzazioni (Signal averaging technique incremento del rapporto S/N); Estrazione dell inviluppo: Modulo del segnale analitico, ottenuto come IFFT della parte a pulsazioni normalizzate positive dello spettro del segnale medio; Identificazione picchi, estrazione tempo di volo e velocità di gruppo; Calcolo dello spessore (algoritmo Matlab basato sulla corrispondenza tra velocità di gruppo teorica e misurata). Visualizzazione del risultato.

17 Sperimentazione e Conclusioni Non si è riusciti ad osservare la risposta elastica del modo A0 e quindi a concludere la misurazione dello spessore del film di rame della struttura. Prove eseguite sulla struttura PET 350 µm Cu 35 µm: Acquisizione 10 realizzazioni, Lift-off = 0.25 mm, I EMAT 15 A. Problema 1: Difficoltà nel portare a termine nel modo corretto l acquisizione di molte realizzazioni. Numerosi disturbi elettromagnetici che vanno ad inficiare la misurazione. Soluzione: Schermatura elettromagnetica degli apparati, in particolare degli EMAT, del ricevitore e dei cablaggi tra i due dispositivi.

18 Sperimentazione e Conclusioni Con lo scopo di migliorare il rapporto S/N e il fattore di accoppiamento elettromeccanico dei trasduttori: Aumentato il numero delle acquisizioni, Con conseguente amplificazione del problema 1; Ridotta la distanza di lift-off; Aumentata la corrente I EMAT ( 24A). Parametri fisici reali (moduli di elasticità e densità) differenti da quelli introdotti nel modello possono modificare le soluzioni modali. Variata la frequenza nell intorno di 520 KHz: Per ogni nuova frequenza deve essere accordato il carico risonante.

19 Sperimentazione e Conclusioni Il modello della struttura assume perfetta elasticità. PET: materiale viscoelastico attenuazione (trascurata dal momento che l energia è confinata nel rame). Nuove prove eseguite su una piastra mono-strato 800 µm Cu (conoscenza esatta delle curve di dispersione, attenuazione trascurabile). Prove eseguite sulla struttura 800 µm Cu: Ripetute le prove descritte per il substrato flessibile per PCB: Modificata la frequenza di lavoro (650 KHz) accordato il carico risonante. Esito negativo: Non è stato possibile rilevare la risposta elastica del modo A0 e quindi concludere la procedura di misurazione dello spessore.

20 Sperimentazione e Conclusioni Per ulteriori sperimentazioni future: Schermatura dei disturbi elettromagnetici; Aumento della corrente I EMAT : alimentatore in grado di fornire tensioni superiori ai 30V (eventualmente custom-made) e adattamento dei componenti ai nuovi livelli di tensione; Aumento guadagno ricevitore (almeno 2 ordini di grandezza); Testare differenti geometrie di trasduttori EMAT; Miglioramenti software: velocità di esecuzione. L accuratezza del sistema dipende dall accuratezza del modello adottato per descrivere la situazione fisica. Con uno studio minimo e qualche piccola modifica il sistema può essere adattato ad altre strutture mono/doppio-strato (isotrope, omogenee ed elastiche) e/o ad altri campi di misura.