CC BY
41Андреас ЛЕХНЕР
[email protected] Енс Питер ШТЕФФАН [email protected] Торстен РОТЕР
Технология У.ОшскБсап —
оперативная микрофокусная компьютерная томография (^СТ) для серийных полупроводниковых устройств и БМТ-приложений
Уменьшение размеров устройств, используемых в электронных и электромеханических компонентах и микросистемах, позволяет создавать еще более сложные и комплексные решения. Помимо других современных тенденций, трехмерные (3й) технологии компоновки определяют необходимость в проведении проверок качества с помощью микрофокусной компьютерной томографии (нСТ). На данный момент ^СТ 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, У.ОшскБсап, которое позволяет проводить ^СТ-сканирование всего за несколько минут. Данное решение можно успешно использовать в индустрии производства полупроводниковых компонентов и БМТ. Например, для анализа компоновки, который позволяет провести полную оценку расположения проводных соединений и целостности стековых кристаллов. Кроме того, это решение можно использовать для проверки бессвинцо-вых 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 опи-
саны 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 парамет-
ры компоновки должны масштабироваться соответственно.
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(автома-тизированные) 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
Таблица 1. Международный технологический план выпуска полупроводников на 2006 г. [2]
Год производства
2007 2010 2015 2020
Полушаг DRAM/микропроцессора (нм) 65/68 45 25 14
Физическая длина затвора микропроцессора (нм) 25 18 10 6
Число выводов в корпусе 148-4000 170—4851 218—6191 278—7902
Кол-во кристаллов на один стек (система в корпусе) 3—7/6—8 4—10/7—11 5—14/8—14 7—17/10—17
Шаг проводных соединений (^м) 40 30 25 25
Шаг пайки в корпусе БЭА (^м) 300—650 150—650 100—650 100—500
Диаметр глухих переходных отверстий (^м) 40—60 30—40 25—30 25—30
Ширина шины 15—35 10—25 8—20 8—20
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 УХЬО№ БеМосш, пионер в области технологий мик-рофокусного 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 БОА. 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 БОА. Тем не менее, принимая во внимание вышеописанные тенденции, необходимость трехмерных проверок становится очевидной.
Традиционный метод проведения ^СТ
Компания УХШЫ/БешГосш уже более четырех лет предлагает решения для микрофо-кусного рентгеновского контроля для трехмерной цСТ. Методология, разработанная УХЬОЫ/РешГосш и другими компаниями, основана на алгоритме реконструкции конического луча, так называемом методе Фельд-кампа (Бе№атр) [3]. Источник радиоактивного излучения от локальной точки создает изображение объекта на рентгеновском детекторе (рис. 1).
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 цСТ 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 излу-
чения 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 цСТ: оптическое искажение усилителей изображения или возможные ограничения при определении отдельного региона цСТ.
Технологические преимущества оперативной ^СТ
Для внедрения проверок с помощью оперативной цСТ стратегия компании YXLON/ Feinfocus включала в себя следующее:
• получение высокой интенсивности рент-геновскиго 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 цСТ.
В данном разделе описываются основные компоненты необходимые для цСТ.
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 УХШЫ/РешГосш разработала технологию, которая позволяет оценивать реальное значение тока, которое достигает цели. Основанная на принципе постоянной обратной связи, технология ТХ1 регулирует ток выброса для того, чтобы обеспечить стабильность рентгеновского излучения и, таким образом, высокое качество снимка. Это позволяет понизить требования цСТ 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 цСТ, ограничения по теплопроводности приводят к необходимости расфокусировки луча электронов и, как следствие, к уменьшению разрешения изображения по причине более высокого размера точки фокусировки.
Компания УХЬОШБет^сш 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 цСТ. Как правило, реконструкция куба с 512x512x512 элементами объема (воксе-лами) 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 цСТ. 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 ^СТ
Компания YXLON/Feinfocus представила Y.QuickScan — разработку для сверхскоростной цСТ 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 цСТ, начиная от этапа сканирования до проверки виртуальных пересечений реконструированной объемной модели, за две минуты, как это указано в таблице 2.
На рис. 2 показано сравнение для BGA. Для стандартной цСТ, которая отображена с левой стороны, были получены 1024 про-
Таблица 2. Скорость работы Y.QuickScan
Количество проекций
540 720 1080
Получение/сканирование изображения, с 18 24 36
Время реконструкции,с 84 106 162
Всего,с 102 130 198
Рис. 2. Стандартная рСТ (слева) и У.ОшскБсап (справа) ВОД с объемными видами (сверху) и видами в разрезе (снизу)
екции, а для У^шск8сап — 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 БОЛ показано, что даже незначительные пустоты могут быть одинаково хорошо визуализированы, причем У^шсквсап делает это гораздо быстрее.
Дополнительные примеры использования У^шск8сап с высоким разрешением приведены на рис. 3. Объемные виды позволяют проводить детальную проверку БОЛ и соединений. На разрезе 3x3 БОЛ-сегмента отображаются паяные соединения, микроперемычки и пустоты. На разрезе отдельного «шарика» БОЛ видно даже покрытие и заполнение микроперемычек.
Благодаря значительному снижению времени проверок с помощью цСТ, которое сократилось с нескольких часов до нескольких минут, инновационное решение У^шсквсап позволяет:
• в значительной степени увеличить оперативность проверок;
• сократить расходы на проверки;
• создавать более широко распространенные приложения цСТ;
• снизить зависимость от смещений по геометрии или производительности;
• обеспечить большую уверенность в отношении целостности, качества и надежности продукции.
Компания УХЬОЫ предлагает решение У^шсквсап — ультрабыстрое сканирование цСТ — на своих системах рентгеновского контроля БеМосш. ■
Литература
Краткое описание
Постоянное увеличение сложности электрических и электромеханических систем и использование трехмерных отображений приводят к увеличению потребности в трехмерной компьютерной томографии (цСТ). Описаны технологические преимущества, призванные устранить недостатки стандартных длительных цСТ-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.
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/
