A study about the methodology and theoretic-analytical approaches for non-destructive inspection and non-contact measurement using terahertz electro-magnetic wave

Abstract

Nondestructive evaluation (NDE) has received considerable attention over the past few decades because of its efficiency, low-cost test system, and safety. Therefore, NDE techniques such as tests based on optical inspection, scanning acoustic tomography (SAT), and X-ray were recently developed; these techniques are employed to obtain the desired information without damaging materials and components. They have become the mainstream technologies for detecting defects. However, these NDE methods have its own pros and cons. Optical observation methods, which can provide the three-dimensional characteristics of materials, cannot provide sufficient information about concealed defects. In SAT methods, an ultrasound source is used to scan across the surface of a sample. The reflected waves indicate the internal characteristics of the component. However, the drawbacks of this method result are attributed to the edge effects and the requirement of a liquid couplant. Furthermore, the thickness of the delamination layer and the voids cannot be measured (only location can be determined) because it is difficult to transmit ultrasonic waves into both the delamination layer and the voids. Further, X-rays can damage materials and are harmful to the human body. Therefore, methods using X-rays may be inappropriate as NDE methods. Against this background, a terahertz time-domain spectroscopy inspection method was recently developed to address these issues. Terahertz (THz) waves can penetrate common nonmetallic materials. The use of these waves offers a noninvasive, noncontact, nonionizing method for evaluating material damage and obtaining a broad range of information about material properties. Further, THz waves are not harmful to biological tissues owing to their low photon energy. These waves can provide high spatial resolution owing to their wavelength. Furthermore, no liquid coupling medium is required during the scanning, enabling easy inspection and real-time, in-line monitoring. By using a THz-time domain spectroscopy (TDS) inspection method, we first successfully detected artificially fabricated multi-delamination, which were composed of delamination of different shapes, including rectangular top delamination, circular middle delamination, and triangular bottom delamination, in glass-fiber-reinforced plastic composite laminates. In addition, the thickness and locations of each delamination in the z-direction were analytically analyzed using the Fresnel equation and were compared to the experimental results. Second, the internal voids in semiconductor packages that were detected by the SAT method were also successfully detected and imaged using thickness and location information obtained by calculations based on the Fresnel equation; for this purpose, the reflection mode of the THz-TDS inspection system. Third, as an alternative method, the THz-TDS inspection method was used for non-contact measurement of the conductivity and coverage density of silver nanowires. The correlations between the THz reflection ratio and sheet resistance were defined. Further, the coverage density was evaluated using THz waveforms by employing a general refractivity formula. This result matched well the results of a conventional approximation method based on scanning electron microscope images. In conclusion, the THz-TDS inspection method is expected to be an effective alternative method for detecting inner defects and measuring the conductivity and physical properties of most materials and components|비파괴 검사 기술은 안전과 안정에 대한 중요성과 효율적이고 값싼시스템으로 구축할 수 있다는 이유로 최근 20년동안 많은 관심과 기대를 받아왔다. 이에 따라, 최근 광학영상(optical vision)법과 엑스레이(X-ray)법, 초음파 주사 촬영법 (scanning acoustic tomographs)과 같은 비파괴 검사법이 물질 및 소자에 대한 데미지없이 필요한 정보들을 제공하기 위해 개발 및 사용되고 있다; 이러한 방법들은 현재 결함의 발견 및 감지를 위한 주요한 기술이 되었다. 하지만, 이러한 비파괴 검사법들은 각각의 장단점이 존재하는데 먼저, 광학영상법은 물질의 3차원적인 특성을 제공할 수 있으나 그 정보들이 내부결함들을 감지하는데는 유용하지 않다. 초음파 주사 촬영법의 경우, 투과 및 반사가 모두 가능하다는 측면에서 물질 및 소자의 내부 특성을 확인할 수 있다는 장점이 있으나 액체형태의 매개체가 필요하고 그로 인한 모서리 음영효과 (edge effect)이 발생한다는 몇 가지 단점들이 존재한다. 더군다나, 초음파는 박리(delamination)나 공공(void)같은 공기층을 투과할 수 없기 때문에 그것의 두께를 측정할 수 없다는 단점이 있다. 마지막으로, 엑스레이법은 검사하고자 하는 물질 및 소자에 데미지를 줄 뿐만 아니라, 사람에게도 해롭다. 따라서, 엑스레이법도 비파괴 검사법으로 적절하지 않은 것으로 판단된다. 이에 따라, 최근 테라헤르츠 시간분광 검사법이 이러한 문제점들을 해결하기 위해 개발되었다; 테라헤르츠 파는 대부분의 비금속 물질을 투과할 뿐만 아니라 물질의 특성에 대한 다방면의 정보를 제공함과 동시에 물질의 결함을 평가할 수 있는 비침투성, 비접촉성 비이온화법으로 활용될 수 있다. 또한, 테라헤르츠파는 그것의 낮은 양자에너지로 인해 생물학적인 세포 및 물질에 해롭지 않으며 그것의 파장대역으로 인해 높은 공간 분해능을 제공할 수 있다. 게다가, 테라헤르츠 파는 검사시에 액체 매개체가 필요없어 실시간, 실공정 검사가 가능하다는 장점이 있다. 이러한 테라헤르츠 시간 분광 검사법을 이용하여 유리섬유감화 플라스틱 복합재료 안에 사각형모양의 1층박리, 원형모양의 2층박리, 삼각형 모양의 3층박리로 구성된 인공적으로 만든 다층박리를 검출하는데 성공하였다. 또한, 각각의 박리의 두께방향의 위치와 두께를 프레즈넬 방정식(Fresnel’s equation)을 이용하여 분석하였으며 이를 실험결과와 비교하였다. 두번째로 반도체 패키지 안에 존재하는 내부 공공들을 성공적으로 검출 및 영상화하는데 성공하였으며 이 또한 각각의 두께와 두께방향의 위치를 프레즈넬 방정식(Fresnel’s equation)을 이용하여 분석하는데 성공하였다. 세번째로 테라헤르츠 시간분광 검사법을 이용하여 은 나노와이어의 전도성과 적용범위 밀도를 비접촉식 방법으로 측정하였으며 그 결과로 테라헤르츠 반사도와 면저항과의 선형적인 관계를 정의하였다. 또한, 일반 굴절관계식을 이용하여 테라헤르츠 파형분석을 통해 적용범위 밀도를 평가한 결과, 전자주사현미경 (SEM; scanning electron microscope) 영상을 이용한 상용 예측법을 통해 구한 결과와 상당히 일치한다는 것을 밝혀냈다. 결론적으로, 테라헤르츠 시간분광 검사법은 대부분의 물질과 소자의 내부 결함들을 검출하고 전도성과 물리적 특성을 측정하는 하나의 대안법이 될 수 있을 것으로 판단된다.; for this purpose, the reflection mode of the THz-TDS inspection system. Third, as an alternative method, the THz-TDS inspection method was used for non-contact measurement of the conductivity and coverage density of silver nanowires. The correlations between the THz reflection ratio and sheet resistance were defined. Further, the coverage density was evaluated using THz waveforms by employing a general refractivity formula. This result matched well the results of a conventional approximation method based on scanning electron microscope images. In conclusion, the THz-TDS inspection method is expected to be an effective alternative method for detecting inner defects and measuring the conductivity and physical properties of most materials and components