Неразрушающий контроль внутренней структуры электронных компонентов
В статье представлен небольшой обзор трех методов неразрушающего контроля электронных, в т. ч. пассивных компонентов. Эти методы применяются для осуществления контроля с отбраковкой изделий, проверки и анализа неисправностей микросхем в пластиковых корпусах, а также других электрических и электронных компонентов.
Стандартные меры неразрушающих испытаний, включая тестирование электрических и электронных компонентов, условно делятся на три основные категории:
- проверка функционирования (электрические испытания на наличие функциональных сбоев);
- наружный осмотр корпуса;
- внутренний контроль конструкции.
Мы рассмотрим и сравним три распространенных метода неразрушающего контроля:
- акустическую микроскопию;
- рентгеноскопическое просвечивание;
- синхронную инфракрасную термографию (ИКТ).
Эти методы контроля комбинируются с разрушающими и функциональными испытаниями для детального анализа и контроля:
- микросхем в пластиковых корпусах;
- систем Flip-Chip (корпусов CGA, FCBGA, PBGA, FPBGA и т. д.);
- полупроводниковых пластин;
- печатных плат;
- конденсаторов;
- МЭМС.
На рисунке 1 показано, как соотносится пространственное разрешение современных методов неразрушающего контроля с типовыми размерами корпусов микросхем.
Рисунок 1
Рисунок 2
Пространственное разрешение методов неразрушающего контроля
Принцип действия рентгенодефектоскопии и акустической микроскопии
Рентгенодефектоскопия
При прохождении рентгеновского луча сквозь образец часть излучения взаимодействует со средой и поглощается веществом. Интенсивность прошедшего рентгеновского пучка зависит от химического состава материала и формы образца. Таким образом, в приемник поступает рентгеновское излучение меньшей интенсивности, на основе которой определяется плотность материала образца и форма внутренних объектов его структуры. Типовая рентгеноскопическая система состоит из трех компонентов: рентгеновской трубки (источника), рентгеновского детектора и испытательного оборудования для фиксации образца и контроля его положения относительно зонда. В этих системах пространственное разрешение, главным образом, определяется размером пятна излучения и эмитирующей поверхности.
Двумерный рентгенодефектоскопический контроль – один из самых старых и устоявшихся методов неразрушающего внутреннего контроля не только электронных компонентов, но и материалов. Как видно из рисунка 2, где сравнивается рентгеноскопический метод с методом акустической микроскопии, одним из главных преимуществ рентгенодефектоскопии является возможность лучей проходить сквозь объекты большой толщины и определять с их помощью вертикальные субмиллиметровые структуры внутри образцов. Однако такое планарное представление конструкции, полученное путем прохождения лучей сверху вниз (см. рис. 3а), не предоставляет достаточной информации о внутренней структуре сложных объемных сборок. В таких случаях применяются методы 3D-реконструкции, позволяющие в полной мере выполнить контроль внутренних элементов.
Рисунок 3
Рисунок 4
а) результаты использования двумерного и б) трехмерного методов рентгенодефектоскопии
Оценка состояния ПЛИС методом САМ
Сканирующая акустическая микроскопия
Метод сканирующей акустической микроскопии (САМ), или сканирующей акустической томографии, в настоящее время широко применяется во всем мире для неразрушающего контроля, проверки микроэлектронных компонентов и материалов. Данный метод используется для контроля качества, оценки состояния и анализа отказов, а также в процессе испытаний, например, микросхем в пластиковых корпусах (см. рис. 4).
Как видно из рисунка 5, принцип действия этого метода основан на отражении акустических волн от поверхности раздела между разными средами и в местах неоднородной плотности материала. В этом методе используются сфокусированные ультразвуковые импульсы в диапазоне от МГц до ГГц. По отраженным сигналам определяются границы раздела между разными материалами и скрытые физические дефекты (полости, трещины, расслоения и т. д.) которые появились в процессе производства, после испытаний на воздействие внешних факторов или в результате продолжительной эксплуатации. Наиболее важной частью акустического микроскопа является преобразователь, который используется как источник и приемник для преобразования акустических сигналов в электрические.
Чтобы получить представление о внутренней структуре образца, в этом методе анализируется задержка между отраженными импульсами, появившимися на границах раздела материалов, и сравниваются относительные величины интенсивности сигналов. Кроме того, данный метод предоставляет очень надежную информацию о других характеристиках поверхностей раздела. Таким образом, отражения с высокой амплитудой обусловлены большими различиями в свойствах материалов. Благодаря тому, что наибольшая амплитуда сигналов наблюдается при их отражении от границ раздела с воздухом, этот метод, в частности, пригоден для выявления очень тонких плоских полостей с воздухом в расслоившихся материалах.
Рисунок 5
Рисунок 6
Физический принцип неразрушающего контроля методом САМ
Проверка состояния разъемов с помощью метода синхронного термографического контроля
Синхронная термография
Инфракрасная термография – еще один широко распространенный метод неразрушающего контроля для проверки электрических и электронных компонентов, а также материалов. В этом методе осуществляется точное измерение излучаемого поверхностью тепла в диапазоне 2–14 мкм. Как и в случае с другими методами тепловой микроскопии, результаты этих измерений используются для анализа и записи распределения температуры по поверхности. Диапазон разрешения метода составляет 0,020–0,075°C в зависимости от используемого детектора.
Методы активной или пассивной термографии применяются для контроля микроэлектронных, а также пассивных компонентов. С одной стороны, пассивные методы позволяют анализировать естественное тепловое излучение от разных структур внутри компонентов в отсутствие внешних источников. С другой стороны, в активных методах применяется внешний источник тепла, которое направляется на проверяемый объект. Тепловые волны, генерируемые на поверхности образца, рассеиваются на ее дефектах и детектируются. Методы активной термографии, позволяющие обнаружить трещины и влагу в композитных материалах, используются для контроля корпусов высокоплотных микросхем (см. рис. 6).
Импульсные и синхронные методы являются основными средствами контроля с помощью активной термографии. В импульсной термографии применяется единичный тепловой импульс, а в синхронной поверхность образца подвергается периодическому нагреву. Тепловая волна отражается от неоднородностей (трещин или включений) структуры, меняя распределение температуры на поверхности образца. Поскольку частота отраженной волны та же, что и у волны возмущения, отраженный сигнал легко идентифицируется.
Стресс-тесты
Многие компании используют методы неразрушающего контроля вместе со стресс-тестами и испытаниями на воздействие внешних условий для анализа целостности системы и ее рабочих параметров. К стресс-тестам относятся:
- испытания на влагостойкость, влажность и температурные испытания;
- термовакуумные испытания;
- термоциклирование;
- температурные удары;
- виброиспытания.