Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №4

Технология Y.QuickScan — оперативная микрофокусная компьютерная томография (μСТ) для серийных полупроводниковых устройств и SMT-приложений

Лехнер Андреас  
Штеффан Енс Питер  
Ротер Торстен  

Уменьшение размеров устройств, используемых в электронных и электромеханических компонентах и микросистемах, позволяет создавать еще более сложные и комплексные решения. Помимо других современных тенденций, трехмерные (3D) технологии компоновки определяют необходимость в проведении проверок качества с помощью микрофокусной компьютерной томографии (μСТ). На данный момент μСТ наиболее широко используется для контроля качества продукции, в исследовательской деятельности, при разработке новой продукции и для мониторинга высокотехнологичных процессов обработки, так как длительность проведения данной проверки не позволяет использовать ее для больших объемов образцов и для заводских испытаний. В данной статье описывается инновационное технологическое решение, Y.QuickScan, которое позволяет проводить μСТ-сканирование всего за несколько минут. Данное решение можно успешно использовать в индустрии производства полупроводниковых компонентов и SMT. Например, для анализа компоновки, который позволяет провести полную оценку расположения проводных соединений и целостности стековых кристаллов. Кроме того, это решение можно использовать для проверки бессвинцовых паяных соединений, даже тогда, когда они располагаются внутри сенсорных систем.

Введение

Постоянное уменьшение размеров компонентов и ужесточение контроля их качества и надежности требует создания решений для оперативного рентгеновского контроля с высоким разрешением. Наиболее широко распространенные параметры технологии для рентгеновского контроля описаны в таблице 1. При уменьшении размеров может быть увеличена комплексность систем, но развитие технологий компоновки приводит и к увеличению числа выводов. Количество кристаллов, которые пакетируются или интегрируются в систему в корпусе (system-in-package), увеличивается ежегодно. При увеличении комплексности схемы соединений ключевые параметры компоновки должны масштабироваться соответственно.

Таблица 1. Международный технологический план выпуска полупроводников на 2006 г. [2]
Международный технологический план выпуска полупроводников на 2006 г.

Новые подходы, такие как высокоплотная пайка на подложке или кубообразная компоновка модулей, позволяют активно использовать третье измерение при интеграции систем [1].

Вне зависимости от области использования, будь то заводские испытания, мониторинг процесса технологической обработки, контроль качества, анализ дефектов или исследования и разработки, данные технологические усовершенствования приведут к значительным изменениям в требованиях в отношении проверки. Для того чтобы контролировать целостность точки пайки, широко используются различные(автоматизированные) способы оптического контроля. Однако с увеличением количества скрытых соединений и точек пайки, которые могут быть выполнены как по технологии шариковых выводов, так и представлять собой контакты в герметизированных компонентах (SiP), методики проведения проверки должны постоянно развиваться, чтобы была возможность отображать внутренние структуры компонентов и их состав.

Проверки с помощью рентгеновского контроля высокого разрешения позволяют «заглянуть» внутрь компонентов. Двухмерный микрофокусный рентгеновский контроль внедрила в начале 1980-х компания YXLON/Feinfocus, пионер в области технологий микрофокусного рентгеновского контроля. Сейчас по всему миру используется более 2500 подобных систем. Двухмерный контроль позволяет оценить скрытые точки пайки, включая проведение автоматизированных подсчетов количества пустот или проведение детального тестирования различных параметров корпусов BGA. При помощи наклонного просмотра, когда рентгеновский снимок может быть сделан практически под любым углом, можно проводить усовершенствованные проверки целостности монтажных соединений или наличия открытых контактов в корпусах BGA. Тем не менее, принимая во внимание вышеописанные тенденции, необходимость трехмерных проверок становится очевидной.

Традиционный метод проведения μСТ

Компания YXLON/Feinfocus уже более четырех лет предлагает решения для микрофокусного рентгеновского контроля для трехмерной μСТ. Методология, разработанная YXLON/Feinfocus и другими компаниями, основана на алгоритме реконструкции конического луча, так называемом методе Фельдкампа (Feldkamp) [3]. Источник радиоактивного излучения от локальной точки создает изображение объекта на рентгеновском детекторе (рис. 1).

Реконструкция конического луча

Необходимое количество изображений, так называемых проекций, создается в ходе вращения образца на 360°. Трехмерная модель создается и визуализируется в средах САПР.

Основным ограничивающим фактором широкого использования μСТ является время проверки, которое составляет от 1 до 8 часов. При этом время реконструкции имеет гораздо меньшее значение. Длительное время сканирования определяется качеством двухмерного изображения. Среди многих других факторов, таких как размер фокусной точки, геометрическое увеличение, быстрые и чувствительные детекторы и пр., существуют два основных требования по качеству изображения, которые непосредственно связаны со временем сканирования:

  • снижение влияния помех;
  • ограничение значительных смещений по геометрии или производительности.

По причине ограничений в интенсивности микрофокусного рентгеновского излучения для необходимых небольших размеров фокусных точек, интеграции изображения для уменьшения влияния помех время сканирования значительно увеличивается. С другой стороны, это приводит к необходимости создания ряда мер для ограничения смещений по геометрии или изменения производительности по времени (стабильность фокусной точки, интенсивности рентгеновского излучения, теплового расширения и пр.). Другие аспекты также оказывают влияние на качество и разрешение μСТ: оптическое искажение усилителей изображения или возможные ограничения при определении отдельного региона μСТ.

Технологические преимущества оперативной μСТ

Для внедрения проверок с помощью оперативной μСТ стратегия компании YXLON/Feinfocus включала в себя следующее:

  • получение высокой интенсивности рентгеновскиго излучения для фокальных точек небольшого размера для того, чтобы уменьшить уровень помех;
  • создание методик для обеспечения максимальной стабильности интенсивности рентгеновских снимков и качества изображения;
  • внедрение современных детекторов и реконструкции для использования оперативной μСТ.

В данном разделе описываются основные компоненты необходимые для μСТ.

Технология True X-ray Intensity (TXI)

В микрофокусных рентгеновских трубках электроны, которые испускаются иглой, ускоряются по направлению к прострельной мишени с фокусировкой луча электронов. В материале мишени небольшая часть кинетической энергии электронов преобразуется в рентгеновские лучи. Тогда как в закрытых микрофокусных рентгеновских трубках ток излучения на игле, и напряжение ускорения контролируется. Компания YXLON/Feinfocus разработала технологию, которая позволяет оценивать реальное значение тока, которое достигает цели. Основанная на принципе постоянной обратной связи, технология TXI регулирует ток выброса для того, чтобы обеспечить стабильность рентгеновского излучения и, таким образом, высокое качество снимка. Это позволяет понизить требования μСТ необходимые для получения отдельной проекции и, что более важно, для более стабильного качества проекции при вращении образца на 360°.

Высокомощная мишень

По причине того, что до 98% кинетической энергии электронов трансформируется в тепло в непосредственной близости от точки фокусировки, тепловая нагрузка может привести к повреждению мишени. Если необходима более высокая интенсивность излучения рентгеновских лучей, как и в случае с оперативной μСТ, ограничения по теплопроводности приводят к необходимости расфокусировки луча электронов и, как следствие, к уменьшению разрешения изображения по причине более высокого размера точки фокусировки.

Компания YXLON/Feinfocus смогла решить эту проблему путем разработки высокомощных мишеней. По сравнению со стандартными целями было достигнуто десятикратное увеличение теплопроводности. Поэтому электроны с высокой энергией могут быть хорошо сфокусированы, что создает небольшой размер точки фокусировки для высокого разрешения изображения. Немецкий государственный институт по исследованию и тестированию материалов [4] провел специальное исследование для проверки данной технологии. Используя маску JIMA [5], тестовый образец с размером 2 мкм2 может быть эффективно исследован с мощностью мишени в 23 Вт; подробное описание приводится в [6].

Технология обнаружения и реконструкции

Время реконструкции в значительной степени различается в зависимости от количества проекций и необходимого разрешения μСТ. Как правило, реконструкция куба с 512×512×512 элементами объема (вокселами) может занять от 15 до 30 минут при использовании стандартного ПО. Применив разработку поставщика, а также отдельные платы аппаратного ускорения, в результате значительно сократилось время: реконструкция 5123 вокселов для 540 проекций заняла менее 2 минут.

Новые разработки в технологии цифровых рентгеновских детекторов продемонстрировали, что современные массивы датчиков могут обеспечить высокую динамику и разрешения необходимые для проведения оперативной μСТ. Было принято решение использовать высокоскоростной рентгеновский детектор, который имеет размер в пикселях намного меньше 150 мкм и динамический диапазон выше 2000:1 (контрастное разрешение превышает 0,5%).

Y.QuickScan — сверхскоростная μСТ

Компания YXLON/Feinfocus представила Y.QuickScan — разработку для сверхскоростной μСТ для своей системы высокой точности Y.Fox и компактной и универсальной системы Y.Cougar.

Y.QuickScan включает в себя ряд ключевых технологических усовершенствований, таких как:

  • технология True X-ray Intensity;
  • технология высокомощных мишений;
  • высокоскоростные цифровые детекторы;
  • специализированная разработка для реконструкции.

Y.QuickScan проводит полную μСТ, начиная от этапа сканирования до проверки виртуальных пересечений реконструированной объемной модели, за две минуты, как это указано в таблице 2.

Таблица 2. Скорость работы Y.QuickScan
Скорость работы Y.QuickScan

На рис. 2 показано сравнение для BGA. Для стандартной μСТ, которая отображена с левой стороны, были получены 1024 проекции, а для Y.QuickScan — 880. На объемном изображении видно, что оба сканирования позволяют проводить глубинную проверку паяных «шариков» и поверхности соединений. Незначительные различия могут быть обнаружены в отношении гладкости поверхности. На разрезах BGA показано, что даже незначительные пустоты могут быть одинаково хорошо визуализированы, причем Y.QuickScan делает это гораздо быстрее.

Стандартная μСТ и Y.QuickScan BGA с объемными видами и видами в разрезе

Дополнительные примеры использования Y.QuickScan с высоким разрешением приведены на рис. 3. Объемные виды позволяют проводить детальную проверку BGA и соединений. На разрезе 3×3 BGA-сегмента отображаются паяные соединения, микроперемычки и пустоты. На разрезе отдельного «шарика» BGA видно даже покрытие и заполнение микроперемычек.

Примеры использования Y.QuickScan с высоким разрешением

Краткое описание

Постоянное увеличение сложности электрических и электромеханических систем и использование трехмерных отображений приводят к увеличению потребности в трехмерной компьютерной томографии (μСТ). Описаны технологические преимущества, призванные устранить недостатки стандартных длительных μСТ-проверок. Они включают в себя:

  • технологию True X-ray Intensity для максимальной стабильности рентгеновского излучения и высокого качества изображения;
  • технологию высокомощных мишеней — для обеспечения небольшого размера фокусной точки для высокого разрешения при высокой интенсивности рентгеновского излучения;
  • высокоскоростные детекторы для быстрого захвата изображения и специализированные решения для оперативной реконструкции.

Благодаря значительному снижению времени проверок с помощью μСТ, которое сократилось с нескольких часов до нескольких минут, инновационное решение Y.QuickScan позволяет:

  • в значительной степени увеличить оперативность проверок;
  • сократить расходы на проверки;
  • создавать более широко распространенные приложения μСТ;
  • снизить зависимость от смещений по геометрии или производительности;
  • обеспечить большую уверенность в отношении целостности, качества и надежности продукции.

Компания YXLON предлагает решение Y.QuickScan — ультрабыстрое сканирование μСТ — на своих системах рентгеновского контроля Feinfocus.

Литература

  1. International Workshop 3D System Integration. 1–2 октября 2007 г., Мюнхен, Германия.
  2. Ассоциация промышленности по производству полупроводниковых компонентов: Международный технологический план выпуска полупроводников. 2005-2006 гг. http://www.itrs.net/
  3. Фельдкамп Л. А., Дейвис Л. К., Кресс Дж. В. Практический алгоритм конических лучей // Журнал оптического американского общества. А: Оптика, наука об изображениях и видении. Т. 1, № 6, июнь 1984 г.
  4. Bundesanstalt fur Materialforschung und -prufung — Arbeitsgruppe Computertomographie (Федеральный институт по исследованию и тестированию материалов — рабочая группа по компьютерной томографии). http://www.ct.bam.de/
  5. Японская ассоциация производителей проверочной аппаратуры. http://www.jima.jp/
  6. Рейдмейкер Г., Лехнер А. Мультифокусные рентгеновские трубки и высокомощные цели для осевой микро-СТ. 229-й семинар Федерального бюро Германии по физическим техническим дисциплинам. http://www.ptb.de/CT2007/

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке