Závěrečná zpráva k řešení grantového projektu č. 102/07/P482

Závěrečná zpráva k řešení grantového projektu č. 102/07/P482

zpráva odborná

čeština

Záměrem projektu bylo prozkoumat možnosti aplikace nelineární elektro-ultrazvukové spektroskopie na nedestruktivní testování elektronických součástek, a to tlustovrstvových odporů na bázi polymerů a cermetu. Tyto součástky mají zrnitou strukturu - vodivá zrna jsou rozptýlena v polymeru respektive ve skleněné fázi. Transport náboje v těchto strukturách se uskutečňuje přechodem nosičů přes barieru mezi vodivými zrny. Počet a kvalita těchto kontaktů výrazně ovlivňuje výsledné vlastnosti součástek. Provedli jsme korelaci mezi touto metodou a klasickými testovacími metodami jako je testování třetí harmonickou a šumovou spektroskopií. V rámci projektu byla navržena a realizována měřící soustava s ultrazvukovým budičem pracujícím ve frekvenčním rozsahu 10 kHz až 1 MHz. Předložená metoda využívá dva rozdílné zdroje signálu, a to ultrazvukové vlnění a střídavý elektrický proud. Na defekty uvnitř struktury vzorku působí mechanické kmity, které ovlivňují transport elektrického náboje měřenou strukturou. Výsledná informace se snímá na rozdílové frekvenci budících signálů - ultrazvuku a střídavého elektrického proudu. Pro potlačení amplitudy budících signálů byl použit dolnofrekvenční elektrický filtr s mezní frekvencí 5 kHz. Měřený vzorek tvoří spolu s budičem resonanční soustavu a při testování tlustovrstvových odporů připravených na korundovém substrátu jsme dosáhli vysoké citlivosti na resonančních frekvencích určených rozměry korundového substrátu. Pro vyloučení vlivu kontaktů jsme měřili na tlustovrstvových odporech 4-bodovou metodou. Intermodulační signál jsme měřili na rozdílové frekvenci v rozsahu 2 - 5 kHz. Amplituda intermodulačního signálu roste lineárně s amplitudou střídavého elektrického signálu a kvadraticky s rostoucím napětím na ultrazvukovém budiči. Dále amplituda intermodulačního napětí záleží na technologii přípravy vzorků. Intermodulační napětí závisí na velikosti proudu a změně odporu kontaktů mezi jednotlivými vodivými zrny ve struktuře tlustovrstvého rezistoru. Působením ultrazvukového signálu se mění plocha kontaktu mezi vodivými zrny ve vzorku, a proto je pozorována kvadratická závislost mezi napětím na ultrazvukovém budiči a intermodulačním napětím. Citlivost této metody závisí na šumovém pozadí měřící aparatury a v našem případě jsme dosáhli prahové spektrální hustoty asi 1,6x10^-17 V^2/Hz, což odpovídá ekvivalentnímu šumovému odporu 1 kiloohm. Při proudu 1 mA byla amplituda intermodulačního signálu asi jeden řád nad šumovým napětím měřící aparatury. V tomto případě ani při dlouhodobém měření nedochází k ohřevu vzorku. Relativní změna odporu pro tlustovrstvové odpory na bázi polymeru je řádu 10^-6, pro cermetové odpory jsme naměřili relativní změnu odporu řádu 10^-8. Existuje korelace mezi hodnotou odporu a intermodulačním napětím. Současně existuje korelace mezi hodnotou šumové spektrální hustoty, hodnotou amplitudy signálu třetí harmonické a amplitudou intermodulačního napětí. V obou případech dochází k tomu, že se zvyšováním počtu kontaktů mezi zrny uvnitř vzorku klesá jak hodnota intermodulačního napětí tak hodnota šumové spektrální hustoty, hodnota amplitudy signálu třetí harmonické a velikost odporu pro vzorky shodné geometrie. Tento závěr umožňuje posoudit technologii přípravy vzorků.

The aim of this project was to explore the possibilities of application of the non-linear electro-ultrasonic spectroscopy as a nondestructive testing method for the polymer based and cermet thick film resistors evaluation. We carried out the correlation between this method and standard testing methods as noise spectroscopy and the third harmonic voltage measurements. The measuring set-up with the ultrasonic transducer working on the frequency range 10 kHz to 1 MHz was designed and realized. Proposed method is exploiting two different signal sources - ultrasonic wave and alternating electric current. Mechanical vibrations affect the defects in the sample structure and it influences the electric charge transport through the measured structure. Resulting information is measured on the differential frequency given by the c of exciting signals frequencies. Low-pass filter with limit frequency 5 kHz was used for the suppression of exciting signals amplitudes. Measured sample together with the ultrasonic transducer creates the resonant system. For the thick film resistor samples prepared on the alumina substrate we achieved high sensitivity measuring on the resonant frequencies determined by the alumina substrate size. Four-point method was used for the elimination of the contact influence on the measured characteristics. The intermodulation signal was measured on the differential frequency in the range 2 to 5 kHz. The intermodulation signal amplitude increases linearly with the amplitude of alternating electric current, and with the square of increasing voltage on the ultrasonic transducer. The intermodulation signal amplitude is further influenced by the sample technology. The intermodulation voltage is influenced by the AC current value and on the resistance change of contacts among the conducting grains in the thick film resistor structure. Ultrasonic signal changes the area of the contact between the conducting grains in the resistor structure, hence the square-law between the voltage on the ultrasonic transducer and the intermodulation voltage is observed. The method sensitivity is influenced by the measuring set-up noise background. In our case the background noise voltage spectral density is about 1,6x10^-17 V^2/Hz, which corresponds to the equivalent noise resistance 1 kiloohm. The intermodulation signal amplitude was measured to be about one order above the measuring set-up background noise voltage for the current 1 mA flowing through the structure. In this case no sample heating is observed even for through the long term measurements. The relative resistance change is of the order of 10^-6 for the polymer based thick film resistors, and of the order of 10^-8 for the cermet samples. There is a correlation between the resistance value and the intermodulation voltage. At the same time there exists the correlation between the amplitude of intermodulation voltage and the value of the noise spectral density or the value of the third harmonic signal amplitude, respectively. It happens in all cases that with the increasing number of contacts among the conducting grains in the sample there are decreasing the amplitude of intermodulation voltage, as well as the value of the noise spectral density, the value of the third harmonic signal amplitude, and the resistance for the samples with identical geometry. This enables to evaluate the sample technology.

Elekro-ultrazvuková spektroskopie

Electro-ultrasonic Spectroscopy

SEDLÁKOVÁ, V.

25. 1. 2009