專利名稱：用于測(cè)量固態(tài)器件中的薄層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用聲波或者脈沖來(lái)非破壞性地測(cè)量壓焊層的厚度的方法，所述壓焊層夾在中間而且與該壓焊層不同的上層和下層材料壓焊在一起。我們使用術(shù)語(yǔ)“波”作為在現(xiàn)有技術(shù)中所使用的物理定義，特別是，我們將脈沖包括在我們的波的定義中作為具有有限持續(xù)時(shí)間的波。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明提出了非破壞性地準(zhǔn)確測(cè)量在固體中所包含的壓焊層的厚度的方法，該方法當(dāng)壓焊層的厚度很小以至來(lái)自第一界面的主回波和來(lái)自次界面的次回波不可區(qū)分時(shí)也可以試用。也就是說(shuō)，用信號(hào)檢測(cè)器或者諸如示波器之類的其他設(shè)備不能夠獨(dú)立地觀測(cè)到回波的特征(最大值、最小值、時(shí)間位置)。
因此本發(fā)明的方法將使得能夠與中間壓焊層的厚度無(wú)關(guān)地確定這種壓焊層的精確厚度量度。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式通過(guò)下面步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)這種目將波或者脈沖從聲學(xué)顯微鏡施加到層化的物體上地，該層化的物體將導(dǎo)致主回波從壓焊材料和頂部或者上層材料之間的界面反射，而且導(dǎo)致次回波從壓焊材料和下層材料的解碼反射；檢測(cè)和數(shù)字化該回波意產(chǎn)生包括兩個(gè)回波的數(shù)字時(shí)間序列，處理該數(shù)字時(shí)間序列以從其中去除任何噪聲；針對(duì)主回波數(shù)字地濾波該時(shí)間序列；將經(jīng)濾波的主時(shí)間序列的最大值的時(shí)間位置和幅度進(jìn)行定位；使用從所述定位化中獲得的時(shí)間位置和幅度對(duì)主回波進(jìn)行時(shí)間平移和定標(biāo)；從所述時(shí)間序列中減去所述主回波的所述轉(zhuǎn)換的模型，以獲得沒(méi)有主回波的經(jīng)凈化時(shí)間序列；使用用于次回波的濾波器數(shù)字化地對(duì)所述經(jīng)凈化時(shí)間序列進(jìn)行濾波；從兩個(gè)經(jīng)濾波的時(shí)間序列的最大值的位置中，從主回波和次回波的定位之間的差中，確定穿越時(shí)間(flight time)，即，聲波在壓焊層中來(lái)回傳播所使用的時(shí)間；和確定所述物體的壓焊層的厚度，其等于所測(cè)量的穿越時(shí)間的一半乘以聲波在壓焊層中的速度。
從結(jié)合附圖的下面描述中，本發(fā)明的這些和其他目地、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。
圖1示意地示出耦合到計(jì)算機(jī)和示波器的聲學(xué)顯微鏡，將聲波施加到物體的表面，該物體包括由中間壓焊層固定到第二材料上的第一材料； 圖2示出了從物體反射的聲學(xué)信號(hào)的示波器顯示，該物體包含足以產(chǎn)生較大地分離的主和次回波的厚度的壓焊層； 圖3示出了在已經(jīng)將圖2中所示的主和次回波數(shù)字化為相應(yīng)時(shí)間序列之后的這些回波； 圖4示出了從圖3中所示的時(shí)間序列中提取的主和次回波數(shù)字模型； 圖5示出了當(dāng)物體包含其厚度薄到以至于主和次回波彼此重疊的壓焊層時(shí)，從圖1的物體返回的主和次回波； 圖6示出了作為示波器所接收到的、示波器實(shí)際顯示的圖5的主和次回波； 圖7示出了圖6的信號(hào)，該信號(hào)被數(shù)字化為時(shí)間序列； 圖8示出了圖7中所示的時(shí)間序列是如何通過(guò)圖4中所示的主回波的數(shù)字模型被匹配濾波的； 圖9是示出本發(fā)明的優(yōu)選過(guò)程的流程圖，該過(guò)程用于確定產(chǎn)生不可區(qū)分的主和次回波的壓焊層的厚度；和 圖10是概括的過(guò)程的流程圖，該過(guò)程用于確定產(chǎn)生不可區(qū)分的主和次回波的壓焊層的厚度。
具體實(shí)施例方式 通過(guò)參照附圖可以更好地獲得對(duì)本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的全面理解，具體地說(shuō)，在附圖中圖1示意地示出聲學(xué)顯微鏡，將聲波施加到物體的表面，該物體包括由中間壓焊層固定到第二材料上的第一材料；圖2示出了當(dāng)將來(lái)自圖1的顯微鏡的波施加到具有足以產(chǎn)生充分分離的主和次回波的厚度的壓焊層的器件時(shí)所產(chǎn)生的主和次回波；圖3示出了在已經(jīng)將圖2中所示的主和次回波數(shù)字化為相應(yīng)時(shí)間序列之后的這些回波；圖4示出了從圖3中所示的時(shí)間序列中提取的主和次回波數(shù)字模型；圖5示出了當(dāng)物體包含其厚度薄到以至于主和次回波彼此重疊的壓焊層時(shí)，從圖1的物體返回的主和次回波；圖6示出了作為示波器所接收到的、示波器實(shí)際顯示的圖5的主和次回波；圖7示出了圖6的信號(hào)，該信號(hào)被數(shù)字化為時(shí)間序列；圖8示出了圖7中所示的時(shí)間序列是如何通過(guò)圖4中所示的主回波的數(shù)字模型被匹配濾波的；圖9是示出本發(fā)明的優(yōu)選過(guò)程的流程圖，該過(guò)程用于確定產(chǎn)生不可區(qū)分的主和次回波的壓焊層的厚度；和圖10是概括的過(guò)程的流程圖，該過(guò)程用于確定產(chǎn)生不可區(qū)分的主和次回波的壓焊層的厚度。
圖1示意地示出耦合到提供有示波器顯示器22的計(jì)算機(jī)21的通過(guò)商業(yè)方法可獲得的聲學(xué)顯微鏡10。將顯微鏡10設(shè)計(jì)為發(fā)射聲波11到層化的物體12，并且接收和處理從其反射的回波。層化的物體12例如包括諸如SiSiC之類的第一材料所形成的上層14，其通過(guò)由例如諸如熱貼(thermal paste)之類的壓焊材料所形成的中間壓焊層15被固定到例如硅形成的下層16。更具體地說(shuō)，壓焊層15以上層14的下表面19形成反射或者回波界面17，以下層16的上表面20形成隨后的反射或者回波界面18。當(dāng)將聲波施加到物體12時(shí)，聲波從兩個(gè)界面17和18的每一個(gè)反射，如圖2所示。下面將這種反射波稱為回波。因此，第一或者主回波25從第一或者上界面17反射，而次回波26從第二或者下界面18反射。當(dāng)由足夠厚的壓焊層分離界面17和18時(shí)，回波25和26被較大地分離，而且形成如圖2中所示的信號(hào)28的區(qū)別部分。因?yàn)榛夭?5和26較大地分離，所以它們彼此可以清楚地區(qū)分。應(yīng)該理解，在該圖2中，極性是示例性的，而且信號(hào)25和26的幅度和時(shí)間位置沒(méi)有進(jìn)行定標(biāo)。
更普通地，可以通過(guò)將任何時(shí)變驅(qū)動(dòng)力施加在層化物體12上來(lái)產(chǎn)生回波25和26，即不必是聲波11。
現(xiàn)在使用計(jì)算機(jī)20以將模擬聲學(xué)信號(hào)28轉(zhuǎn)換或者數(shù)字化為如圖3所示的數(shù)字時(shí)間序列，其中信號(hào)31和32分別是數(shù)字化形式的信號(hào)25和26。該時(shí)間序列30具有在時(shí)間上與每個(gè)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的幅度或者電壓?？梢允褂矛F(xiàn)有技術(shù)中已知的許多技術(shù)中的任何一種來(lái)執(zhí)行這種信號(hào)的數(shù)字化。
現(xiàn)在可以通過(guò)從如圖4中所示的經(jīng)數(shù)字化的信號(hào)中截取數(shù)據(jù)，而將數(shù)字化時(shí)間序列30的獨(dú)立部分31和32容易地分離為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)模型31a和32a。
在圖3中以r[n]表示的數(shù)字化時(shí)間信號(hào)30標(biāo)識(shí)由整數(shù)n所索引的時(shí)間序列，從而數(shù)據(jù)r
在節(jié)點(diǎn)34與初始時(shí)間t0處的信號(hào)幅度對(duì)應(yīng)，而對(duì)于數(shù)字化過(guò)程中的采樣周期Δt，r[n0]在圖3中的節(jié)點(diǎn)34a處與時(shí)間t0+n0Δt處的信號(hào)幅度對(duì)應(yīng)。因此，在圖3、4、7和8中，將關(guān)于它們的整數(shù)時(shí)間索引繪制數(shù)字化的時(shí)間序列。如上面所定義的那樣，下面將使用方括號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)由整數(shù)所索引的時(shí)間序列。假設(shè)r[n]包含L個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的全部。因此，將圖2的較好分離的回波25和26轉(zhuǎn)換為r[n]的兩個(gè)不同的數(shù)字化的、獨(dú)立的子序列或者子時(shí)間序列31和32，它們分別對(duì)應(yīng)于圖2的主和次回波25和26。
數(shù)字化的信號(hào)模型31與主回波25對(duì)應(yīng)，而數(shù)字化的信號(hào)模型32與次回波26對(duì)應(yīng)?，F(xiàn)在可以從圖3的數(shù)字化的時(shí)間序列30中截取這些信號(hào)。應(yīng)該記住，已經(jīng)從壓焊層中獲得了這些數(shù)字化的模型，該壓焊層足夠大以至能夠完全將主和次回波彼此區(qū)分(如圖2中所示)，即，這些回波在時(shí)間上不重疊。因此，將圖4中的截取的數(shù)字化的主回波31a以n＝0、1、2、...、N-1和某個(gè)固定的a表示為p[n]＝r[a+n]，這與圖9中的步驟92對(duì)應(yīng)，同時(shí)在圖4中，將數(shù)字化的次回波32a以n＝0、1、2、...、M-1和某個(gè)固定的b表示為s[n]＝r[b+n]，這與圖9中的步驟93對(duì)應(yīng)。N和M分別是主和次回波的長(zhǎng)度。應(yīng)該再次明確，p[n](圖4的31a)和s[n](圖4的32a)是圖3的30 r[n]的子序列，其自身是圖2中的信號(hào)28的數(shù)字表示。
應(yīng)該理解，替代于帶有較大壓焊層15的物體12，在知道諸如組件12的各個(gè)層的密度和聲阻之類的關(guān)鍵材料特性的情況下，也可以計(jì)算回波25和26的數(shù)字信號(hào)模型。進(jìn)一步，可以用標(biāo)準(zhǔn)的去噪聲(de-noising)技術(shù)選擇性地處理數(shù)字化的回波31a和32a。例如，可以對(duì)數(shù)字化的回波31a和32a進(jìn)行濾波以減少在各種頻帶中的噪聲效應(yīng)。而且還可以將從對(duì)相同部分的度量中或者從對(duì)多個(gè)不同部分的度量中所獲取的一些與信號(hào)28類似的信號(hào)一起平均，以減少噪聲效應(yīng)和其他這種干擾。
當(dāng)圖1中所示的物體具有薄壓焊層15時(shí)，從相應(yīng)界面17和18通過(guò)示波器實(shí)際接收到的反射主回波36和反射次回波37將不能彼此區(qū)分，這是因?yàn)樗鼈儽舜酥丿B，如圖5所示。
因?yàn)檫@些信號(hào)非常重疊，即，在時(shí)間中重疊，所以示波器22不能在它們之間進(jìn)行區(qū)分并且不能將它們顯示為獨(dú)立的信號(hào)，而是將它們顯示為一個(gè)單個(gè)的組合信號(hào)40，如圖6中所示。因此，上述現(xiàn)有技術(shù)的分離技術(shù)不能被用于確定這樣薄的壓焊層的厚度。
根據(jù)本發(fā)明，顯將描述方法和技術(shù)，用于在這種重疊的信號(hào)之間進(jìn)行區(qū)分，從而可以確定產(chǎn)生這種不可區(qū)分的顯示的薄壓焊層的厚度。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明使用唯一匹配濾波技術(shù)，將在下面結(jié)合圖7、8、9和10來(lái)描述這種技術(shù)，其中，圖7示出圖6的、被數(shù)字化為時(shí)間序列的信號(hào)；圖8示出如何通過(guò)圖4中所示的主回波的數(shù)字模型，對(duì)圖6中所示的時(shí)間序列進(jìn)行匹配濾波；圖9是示出本發(fā)明的優(yōu)選過(guò)程的流程圖，該過(guò)程用于確定產(chǎn)生不可區(qū)分的主和次回波的壓焊層的厚度；和圖10是用于確定產(chǎn)生不可區(qū)分的主和次回波的壓焊層的厚度的概括過(guò)程的流程圖。
首先轉(zhuǎn)到圖6和圖7，如之前所描述的，現(xiàn)在將圖6中所示的所顯示的信號(hào)40數(shù)字化，并且將該信號(hào)在圖7中示出作為經(jīng)數(shù)字化的時(shí)間序列40a。
圖8示出匹配濾波算法，其將在這種情況中將主回波模型31a匹配到數(shù)字化的信號(hào)40a。如圖8中所示，當(dāng)主回波模型p[n]31a的開始位置n＝0與數(shù)字序列d[n]40a的如31b所示的n＝c對(duì)準(zhǔn)時(shí)，匹配濾波函數(shù)應(yīng)該被最大化，因此將指示之前不可區(qū)分的主回波的位置。
現(xiàn)在，當(dāng)圖1的壓焊層15非常薄以至圖5中所示的作為36和37的主和次回波重疊并且不能有效區(qū)分時(shí)，創(chuàng)建圖6中所示的聲學(xué)信號(hào)40，該信號(hào)將被數(shù)字化為圖7的40a所示的時(shí)間序列并且被稱為d[n]，令d[n]的長(zhǎng)度被稱為Z，信號(hào)d[n]的獲取與圖9中的步驟90對(duì)應(yīng)。
(1.)將加性偏移添加到d[n]中使得幾乎是0的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)離回波。
(2.)在圖9的步驟94，使用p[n]濾波d[n]以產(chǎn)生序列q[n] n＝0，1，2，....，Z-N 其中 q[n]現(xiàn)在是分離的時(shí)間序列，其包含與時(shí)間的每個(gè)點(diǎn)n對(duì)應(yīng)的求和結(jié)果。例如，在圖8中，當(dāng)以信號(hào)40a d[n]重復(fù)時(shí)，在n＝0的位置處的主回波模型31a將產(chǎn)生大約等于0的q
值，這只是針對(duì)這種情況的例子。
(3.)在圖9的步驟94，將q[n]最大化的索引c與d[n]中的主回波的位置相關(guān)。例如，在圖8中，當(dāng)以信號(hào)40a d[n]重復(fù)時(shí)，在位置31b處的主回波模型將產(chǎn)生在n＝c處的q[n]的最大值，這只是針對(duì)這種情況的例子。類似地，最大值q[c]與要應(yīng)用于p[n]的定標(biāo)相關(guān)以在d[n]中最佳地?cái)M合主回波。注意，不必在q[n]的整個(gè)范圍上計(jì)算最大值，而是可以在與可能物理地存在回波的位置的范圍對(duì)應(yīng)的子部分上進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于符號(hào)， c＝argmax1 q[n] qmax＝maxI q[n]＝q[c] 其中I是與被搜索的位置的范圍對(duì)應(yīng)的0、1、...、Z-1的子集。
(4.)在圖9的步驟95，通過(guò)從d[n]中減去定標(biāo)和時(shí)間偏移的回波p[n]獲得新的序列u[n]
對(duì)于n＝0、1、...、Z-1，下面將u[n]稱為經(jīng)凈化的時(shí)間序列。
(5.)在圖9的步驟96，通過(guò)以與步驟3大部分相同的方式用s[n]濾波u[n]來(lái)獲得次回波的位置以產(chǎn)生 n＝0，1，2，...，Z-M 將t[n]最大化的索引k在u[n]中與次回波的位置相關(guān)。注意，不必在t[n]的整個(gè)范圍上計(jì)算最大值，而是在與可能物理地存在次回波的位置的范圍對(duì)應(yīng)的子部分上進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于符號(hào)， K＝argmaxJ t[n] 其中J是與被搜索的位置的范圍對(duì)應(yīng)的0、1、...、Z-1的子集。
兩個(gè)回波之間的時(shí)間差，即，穿越時(shí)間，是從索引c和k的值中計(jì)算的T＝(k-c)Δt。通過(guò)對(duì)時(shí)間Δt進(jìn)行采樣來(lái)定標(biāo)索引中的差以獲得帶有物理單位的時(shí)間差。使用下面等式 D＝VT/2 將該時(shí)間差T和壓焊層15材料的縱向聲音速度V用于獲得壓焊層厚度D。
現(xiàn)在對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該很明顯，可以對(duì)上面的過(guò)程進(jìn)行變形。具體地說(shuō)，上述優(yōu)選實(shí)施方式僅僅是本專利申請(qǐng)所覆蓋的更加普遍的方法的特殊情況。
圖10是用于確定產(chǎn)生圖5中所示的不可區(qū)分的主和次回波的壓焊層的厚度的概括過(guò)程的流程圖。
如圖10中所示，首先構(gòu)造主和次回波的數(shù)字模型100。可以從上述數(shù)據(jù)(圖331a，32a)，從基于樣本的特性的理論計(jì)算，或者兩者的混合方式中計(jì)算這些模型。
然后從聲學(xué)顯微鏡中獲取和數(shù)字化數(shù)據(jù)?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以減少它們包含的任何噪聲，例如圖10中的101。
然后在這些方法中的一些變型也是可以的。
圖10的第一種變型即步驟102通過(guò)直接同時(shí)尋找兩個(gè)回波模型對(duì)數(shù)據(jù)的最佳匹配或者“擬合”來(lái)尋找主和次回波的時(shí)間位置。通過(guò)使用作為從顯微鏡和回波的模型獲取的時(shí)間序列的參數(shù)(下面稱為固有參數(shù))和作為主和次回波的時(shí)間位置的參數(shù)(下面稱為外來(lái)參數(shù))以及任何數(shù)量的其他參數(shù)(下面稱為可選外來(lái)參數(shù))構(gòu)建數(shù)值函數(shù)，來(lái)完成這項(xiàng)工作。在通過(guò)由數(shù)值函數(shù)的外部參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化的操作變換它們之后，該函數(shù)返回與所述時(shí)間序列和所述回波的模型的擬合優(yōu)度有關(guān)的單個(gè)數(shù)。換句話說(shuō)，外來(lái)參數(shù)和可選外來(lái)參數(shù)控制如何將主和次回波模型進(jìn)行變換，以構(gòu)建盡可能與數(shù)據(jù)時(shí)間序列相像的新時(shí)間序列。上面的數(shù)值函數(shù)計(jì)算單個(gè)數(shù)，即擬合優(yōu)度，其度量數(shù)據(jù)時(shí)間序列和從回波的所變換的模型中構(gòu)建的該新時(shí)間序列之間的距離。將擬合回波模型到數(shù)據(jù)時(shí)間序列稱為通過(guò)對(duì)于上述數(shù)值函數(shù)改變外來(lái)參數(shù)或者可選外來(lái)參數(shù)將該距離最小化。
由外來(lái)參數(shù)所參數(shù)化的變換是主和次回波的時(shí)間平移?；夭Ｐ偷臅r(shí)間平移是以與回波模型的新時(shí)間位置對(duì)應(yīng)的固定量其原點(diǎn)在時(shí)間中的變化。
可選外來(lái)參數(shù)的例子包括每個(gè)回波的幅度、用于一起或者分離地改變每個(gè)回波的寬度的時(shí)間伸展系數(shù)、和用于添加到每個(gè)回波的任意偏移。這些可選外來(lái)參數(shù)是分別控制回波模型的下面變換的參數(shù)在回波時(shí)間序列中的每個(gè)數(shù)據(jù)的乘以恒定數(shù)(下面稱為回波模型的幅度定標(biāo))、在回波時(shí)間序列中在與每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間上的點(diǎn)乘以恒定數(shù)(下面稱為回波模型的時(shí)間搜索)、恒定數(shù)字相加于回波時(shí)間序列中的每個(gè)數(shù)據(jù)(下面稱為回波模型的偏移)。
這種函數(shù)的例子可以是 其中d[n]是數(shù)據(jù)時(shí)間序列40a，
和
是分別表示主和次回波的模型的規(guī)范化的時(shí)間序列[假設(shè)
和
在定義它們的時(shí)間索引的范圍之外為0]，ap和as分別是主和次回波的擬合幅度，而tp和ts分別是主和次回波模型的時(shí)間位置索引。Z是d[n]的長(zhǎng)度。在本例中，d，
和
是對(duì)于函數(shù)的固有參數(shù)，而ap、as、tp和ts是外來(lái)參數(shù)。
然后使用計(jì)算機(jī)上的數(shù)值算法，關(guān)于所述外來(lái)參數(shù)將數(shù)值函數(shù)最小化。在該最小化期間可以允許外來(lái)參數(shù)僅僅在物理上允許的值的范圍中變化。在上面例子中，該算法可以是Nelder-Mead算法。然后將所產(chǎn)生的時(shí)間位置索引之間的差用于在使用上述相同符號(hào)的情況下估計(jì)層厚度。
其中
和
現(xiàn)在分別表示最小化算法所返回的次和主回波的時(shí)間位置。
在上述例子中，如步驟102中所示，將主和次回波同時(shí)進(jìn)行擬合。替代地，在步驟103，可以使用最小化函數(shù)以將單個(gè)回波模型擬合到不可區(qū)分的聲學(xué)數(shù)字信號(hào)中。該回波最好是主回波，但是其也可以是次回波。使用與前面相同的定義，最小化函數(shù)的固有參數(shù)在這種情況下可以是從聲學(xué)顯微鏡中獲取的時(shí)間序列和用于回聲模型的時(shí)間序列。外來(lái)參數(shù)需要包括回聲的時(shí)間位置和幅度，以及任何數(shù)量的諸如加性偏移之類的其他參數(shù)。然后使用計(jì)算機(jī)上的數(shù)值算法關(guān)于所述外來(lái)參數(shù)將所述數(shù)值函數(shù)最小化。將擬合參數(shù)用于定位和定標(biāo)回波模型，然后將其從數(shù)字化數(shù)據(jù)步驟104中減去。相減的結(jié)果是可以針對(duì)次回波的時(shí)間位置進(jìn)行搜索的新的時(shí)間序列。使用峰值尋找方法(圖10步驟105)或者使用其他最小化函數(shù)來(lái)執(zhí)行該搜索以擬合和定位剩余的回波(圖10步驟106)。最小化函數(shù)將針對(duì)固有參數(shù)具有所述新的時(shí)間序列和剩余回波的模型，而且將針對(duì)外來(lái)參數(shù)具有時(shí)間位置和剩余回波的幅度，以及任何數(shù)量的其他參數(shù)。如上所述，然后從兩個(gè)回波的時(shí)間位置的差中估計(jì)壓焊層厚度。
優(yōu)選實(shí)施方式是該后一種方法的例子。使用匹配到主回波的濾波器p[]對(duì)d[]進(jìn)行濾波來(lái)執(zhí)行對(duì)主回波的第一最小化，產(chǎn)生時(shí)間序列q[]。然后從數(shù)據(jù)中減去定標(biāo)和時(shí)間偏移的主回波以產(chǎn)生新的時(shí)間序列u[]。使用匹配于次回波的濾波器s[]對(duì)u[]進(jìn)行濾波以執(zhí)行最后的最小化。從作為第一最小化(c)所估計(jì)的主回波的時(shí)間位置中和從作為第二最小化(k)所估計(jì)的次回波的時(shí)間位置中，使用公式D＝V(k-c)Δt/2來(lái)估計(jì)壓焊層厚度。
雖然優(yōu)選實(shí)施方式包括物體12，其包括第一固態(tài)材料14(具有上表面19和下表面20)，該第一固態(tài)材料14通過(guò)與層14形成第一界面17和與層16形成第二界面18的壓焊層固定到具有上表面18的第二材料16，但是可以有其他變型。例如，本發(fā)明還可以測(cè)量壓焊到物體12的任何薄表面層，其中被壓焊的材料是自由的，也就是，材料14是液態(tài)或者氣態(tài)狀態(tài)(例如，用于被浸泡的物體的水)。
現(xiàn)在完成了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的描述。由于在不偏離這里所描述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以在上述過(guò)程中進(jìn)行變型，所以在上面描述中包含的或者在附圖中示出的所有內(nèi)容都應(yīng)該被理解為示例性的，而不是限制性的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求中所陳述的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，其他的替代和變型對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的。
權(quán)利要求
1.一種用于確定多層物體中的層的厚度的方法，包括步驟
選擇物體，該物體包括具有下表面的第一層和具有上表面的第二層，該第二層的上表面經(jīng)由第三層與所述第一層的下表面接觸，該第三層與所述第一層的所述下表面形成第一界面并且與所述第二層的所述上表面形成第二界面；
施加波到物體，該波將使得主回波從所述第一界面反射而且次回波從所述第二界面反射；
檢測(cè)和數(shù)字化所述主回波和所述次回波以產(chǎn)生包含所述回波兩者的數(shù)字時(shí)間序列，
用作為所述數(shù)字時(shí)間序列的固有參數(shù)、主和次回波模型、和作為主回波和次回波的時(shí)間位置和幅度的外來(lái)參數(shù)，以及其他可選外來(lái)參數(shù)，來(lái)構(gòu)建數(shù)值函數(shù)以產(chǎn)生用于量化所述回波模型的擬合優(yōu)度的函數(shù)，
關(guān)于所述外來(lái)參數(shù)或所述可選外來(lái)參數(shù)將所述數(shù)值函數(shù)所量化的擬合優(yōu)度進(jìn)行最大化；
從主和次回波的時(shí)間位置之間的差中確定在層中的穿越時(shí)間，和
確定所述物體的層的厚度，其等于所測(cè)量的穿越時(shí)間的一半乘以在該層中的波速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述回波模型通過(guò)以下步驟產(chǎn)生
選擇與權(quán)利要求1的所述物體類似的第二物體；
所述第二物體具有所述第三層，該第三層具有足夠的厚度使得當(dāng)將波施加到該物體時(shí)，可在示波器上完全區(qū)分主和次回波；
將波施加到所述第二物體以使得主回波從所述第一界面反射而次回波從所述第二界面反射；
檢測(cè)和數(shù)字化所述回波以產(chǎn)生包含兩個(gè)回波的數(shù)字時(shí)間序列；
選擇所述時(shí)間序列的兩個(gè)子集，所述子集之一與對(duì)應(yīng)于所述主回波的所述時(shí)間序列的部分對(duì)應(yīng)而另一子集與對(duì)應(yīng)于所述次回波的所述時(shí)間序列的部分對(duì)應(yīng)；
使用所述子集以形成與主和次回波的表示對(duì)應(yīng)的兩個(gè)新的較短的子時(shí)間序列；
使用所述子時(shí)間序列作為主和次回波的模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括步驟
處理所述數(shù)字時(shí)間序列以從其中減少噪聲。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其進(jìn)一步包括步驟
將任何數(shù)量的類似數(shù)字時(shí)間序列度量進(jìn)行平均以減少噪聲效應(yīng)；
在所述回波模型產(chǎn)生之后，將兩個(gè)所述子時(shí)間序列的第一和最后數(shù)據(jù)線性內(nèi)插到0以減少邊緣躍遷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或者4的方法，其中
在所述物體中的所述層之一是固態(tài)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或者4的方法，其中
在所述物體中的所述層的兩個(gè)是固態(tài)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或者4的方法，其中
在所述物體中的所述層的三個(gè)是固態(tài)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一的方法，其中
所述所施加的波是聲波。
9.一種用于確定多層物體中的層的厚度的方法，包括步驟
選擇物體，該物體包括具有下表面的第一層和具有上表面的第二層，該第二層的上表面經(jīng)由第三層與所述第一層的下表面接觸，該第三層與所述第一層的所述下表面形成第一界面并且與所述第二層的所述上表面形成第二界面，以將第一層固定到第二層；
施加波到物體，該波將使得主回波從所述第一界面反射而且次回波從所述第二界面反射；
檢測(cè)和數(shù)字化所述主回波和所述次回波以產(chǎn)生包含所述回波兩者的數(shù)字時(shí)間序列，
用作為所述數(shù)字時(shí)間序列的第一固有參數(shù)、第一回波的第一模型、和作為所述第一回波的時(shí)間位置和幅度的第一外來(lái)參數(shù)，以及其他第一可選外來(lái)參數(shù)，來(lái)構(gòu)建第一數(shù)值函數(shù)以產(chǎn)生用于量化所述回波模型的擬合優(yōu)度的函數(shù)，
關(guān)于所述第一外來(lái)參數(shù)或所述第一可選外來(lái)參數(shù)將所述第一數(shù)值函數(shù)所量化的擬合優(yōu)度進(jìn)行最大化；
使用從所述最大化中獲得的參數(shù)來(lái)變換所述第一模型；
從所述時(shí)間序列中減去所述經(jīng)變換的第一模型以獲得新的經(jīng)凈化的時(shí)間序列而不受所述第一回波的影響；
用作為所述經(jīng)凈化的時(shí)間序列的第二固有參數(shù)、第二回波的第二模型、和作為所述第二回波的時(shí)間位置和幅度的第二外來(lái)參數(shù)，以及其他第二可選外來(lái)參數(shù)，來(lái)產(chǎn)生用于量化所述第二模型的擬合優(yōu)度的函數(shù)；
關(guān)于所述第二外來(lái)參數(shù)或者第二可選外來(lái)參數(shù)將所述第二數(shù)值函數(shù)所量化的擬合優(yōu)度進(jìn)行最大化；
從來(lái)自所述第一數(shù)值函數(shù)所量化的擬合優(yōu)度的最大化和所述第二數(shù)值函數(shù)所量化的擬合優(yōu)度的最大化分別獲得的參數(shù)的、所述第一和第二時(shí)間位置之間的差的絕對(duì)值中，確定在層中的穿越時(shí)間；和
確定所述物體的層的厚度，其等于所測(cè)量的穿越時(shí)間的一半乘以該層中的波速。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中回波模型通過(guò)以下步驟產(chǎn)生
選擇與權(quán)利要求1的所述物體類似的第二物體；
所述第二物體具有所述第三層，該第三層足夠厚以至于當(dāng)將波施加到物體時(shí)，在示波器上可完全區(qū)分主回波和次回波；
將波施加到所述第二物體以使得主回波從所述第一界面反射而次回波從所述第二界面反射；
檢測(cè)和數(shù)字化所述回波以產(chǎn)生包含兩個(gè)回波的數(shù)字時(shí)間序列；
選擇所述時(shí)間序列的兩個(gè)子集，所述子集用與對(duì)應(yīng)于所述主回波的所述時(shí)間序列的部分對(duì)應(yīng)而另一子集與對(duì)應(yīng)于所述次回波的所述時(shí)間序列的部分對(duì)應(yīng)；
使用所述子集以形成與主和次回波的表示對(duì)應(yīng)的兩個(gè)新的較短的子時(shí)間序列；
使用所述子時(shí)間序列作為主和次回波的模型。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其還包括步驟
處理所述數(shù)字時(shí)間序列以從其中減少噪聲。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其還包括步驟
將任何數(shù)量的類似數(shù)字時(shí)間序列度量進(jìn)行平均以減少噪聲效應(yīng)；
在所述回波模型產(chǎn)生之后，將兩個(gè)所述子時(shí)間序列的第一和最后數(shù)據(jù)線性內(nèi)插到0以減少邊緣躍遷。
13.根據(jù)權(quán)利要求9、10、11或者12的方法，其中
在所述物體中的所述層之一是固態(tài)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求9、10、11或者12的方法，其中在所述物體中的所述層中的兩個(gè)是固態(tài)的。
15.根據(jù)權(quán)利要求9到14的方法，其中
在所述物體中的所述層中的三個(gè)是固態(tài)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中
將所述第一數(shù)值函數(shù)q[n]定義為下面等式
n＝0，1，2，....，Z-N
其中
其中d[n]是所述數(shù)字時(shí)間序列而p[n]是回波的模型；
所述第一數(shù)值函數(shù)所量化的所述最大化擬合優(yōu)度應(yīng)該涉及定位在q[n]的最大值處的時(shí)間位置c和幅度qmax；
將通過(guò)使用所述時(shí)間位置c和所述幅度qmax以時(shí)間平移和定標(biāo)所述回波的所述模型p[n]控制所述變換步驟來(lái)使得qmax＝q[c]；
所述相減將涉及從所述時(shí)間序列d[n]中減去所述回波p[n]的所述經(jīng)變換的模型，以獲得新的經(jīng)凈化的時(shí)間序列u[n]，而不受所述回波的影響，通過(guò)下面等式控制
其中n＝0、1、....，Z-1，
將所述第二數(shù)值函數(shù)t[n]定義為下面等式
n＝0，1，2，...，Z-M
其中u[n]是所述經(jīng)凈化的時(shí)間序列，而s[n]是所述第二回波模型；
所述第二數(shù)值函數(shù)所量化的擬合優(yōu)度的所述最大化應(yīng)該涉及定位最大化t[n]的時(shí)間位置k；
所述穿越時(shí)間應(yīng)該等于由所述索引c和k所確定的之間的絕對(duì)差乘以所述時(shí)間序列的采樣時(shí)間。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過(guò)以下來(lái)實(shí)現(xiàn)所述第二數(shù)值函數(shù)所量化的擬合優(yōu)度的最大化
使用峰值尋找算法從所述經(jīng)凈化的時(shí)間序列的最大偏移中估計(jì)在所述經(jīng)凈化的時(shí)間序列中的所述回波的時(shí)間位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求9到17的方法，其中
所述施加的波是聲波。
19.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中
所述第一回波的第一模型是主回波模型；
所述第二回波的第二模型是次回波模型。
20.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中
所述第一回波的第一模型是次回波模型，
所述第二回波的第二模型是主回波模型。
全文摘要
使用聲學(xué)信號(hào)來(lái)測(cè)量壓焊層的厚度的方法。該方法通過(guò)以下來(lái)實(shí)現(xiàn)將聲波施加到層化物體，該聲波使得從不同界面反射主回波和次回波；檢測(cè)和數(shù)字化回波以產(chǎn)生數(shù)字時(shí)間序列，處理該數(shù)字時(shí)間序列以去除噪聲；使用與主回波匹配的濾波器濾波該時(shí)間序列；定位經(jīng)濾波的時(shí)間序列的最大值的時(shí)間位置和幅度；使用所獲得的時(shí)間位置和幅度時(shí)間平移和定標(biāo)主回波；從所述時(shí)間序列中減去主回波變換模型以獲得經(jīng)凈化的時(shí)間序列；使用與次回波匹配的濾波器濾波所述經(jīng)凈化的時(shí)間序列；定位所述次回波濾波的時(shí)間序列的最大值的時(shí)間位置；從主和次回波的時(shí)間定位之間的差中確定穿越時(shí)間；和確定壓焊層厚度，其等于所測(cè)量的穿越時(shí)間的一半乘以在壓焊層中聲波或者脈沖的速度。
文檔編號(hào)H01L21/66GK101109628SQ200710112010
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者亞歷山大·布蘭德, 卡爾·薩瓦德, 朱利恩·西爾維斯特 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司