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3D X射線顯微鏡（XRM）的原理及應用

來源：時間：2022-10-24 15:46:59 瀏覽：6475次

引言

近幾年來，X-RAY射線三維透視成像檢測技術3D X-RAY取到了迅猛發(fā)展，并一步步發(fā)展為高集成度電子器件制造行業(yè)必備的檢測方式。X光三維透視成像檢測技術相較于傳統(tǒng)X射線二維成像檢測X-RAY，它能夠全方位無盲區(qū)再現被測物內部構造，不會有結構影像重疊現象，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，對瑕疵精確定位和判定，信息完善，在微納制造技術、電子器件科學等領域有非常重要和普遍的運用。

01

工作原理

working principle

上海交大平湖智能光電研究院擁有蔡司Xradia Versa XRM，是基于光學放大的微米CT。CT成像的原理是當X射線透過樣本時，樣本的各個部位對X射線的吸收率不同。X射線源發(fā)射X射線，穿透樣本，最終在X射線檢測器上成像。對樣本進行180°以上的不同角度成像，與臨床CT普遍采用的扇形X線束不同的是，Micro-CT通常采用錐形X線束。采用錐形束不僅能夠獲得真正各向同性的容積圖像，提高空間分辨率，提高射線利用率，而且在采集相同3D圖像時速度遠遠快于扇形束。通過計算機軟件，將每個角度的圖像進行重構，還原成在電腦中可分析的3D圖像。通過軟件：觀察樣本內部各個截面的信息；對樣本感興趣部分進行2D和3D分析；還可以制作直觀的3D動畫等。

02

技術特征

The technical features

1、3D空間分辨率<0.7μm, 探測器光學放大和X射線幾何放大兩級放大效應, 保證即使在大工作距離條件下的高分辨率。

2、封閉式微聚焦X射線管，高壓范圍從30-160 keV，最大功率: 10W。

3、2K×2K CCD相機

4、多探測器(物鏡0.4X、4X、20X), 根據分辨率要求自動切換，20X探測器(物鏡): 像素尺寸0.65-0.68μm。

5、X射線源移動范圍: 215mm，探測器移動范圍: 290mm。

6、基于邊緣折射傳播的相襯度成像。

03

應用范圍

Range of application

1、電子元器件：獲取完整芯片或者封裝器件的非破壞性3D形貌，用于缺陷定位和表征，對金線鍵合、BGA焊球等位置做失效分析。

2、材料科學：復合材料內部增強體的定量可視化表征；電池內部構造與缺陷的三維無損表征；斷裂樣品內部裂紋分布、尺寸、體積分數的定量表征；材料在加載條件下斷裂行為的原位表征等。

3、生命科學：虛擬組織學成像、觀察細胞和亞細胞結構特性、表征尺寸大小從毫米到厘米的樣品內的亞微米結構。

4、地質科學：表征和定量分析孔隙結構、測量滲流、研究儲碳過程、分析尾礦、提高開采效率以及了解鋼和其它金屬的顆粒定向。提供精準的三維亞微米成像，用于數字巖石物理模擬、原位多相滲流研究、三維礦物學及金屬的研發(fā)與開發(fā)。

04

應用案例簡介

Case description

1

失效電路引腳觀察

在電路板使用過程中會遇到芯片管腳信號無法接收的失效情況，可以通過XRM對失效芯片的管腳進行掃描。確定失效位置和失效原因，為修復電路板提供一定的參考。（如圖1和圖2）

圖1 失效PCB管腳

整體掃描定位

圖2 失效PCB管腳

定位掃描確定失效模式

2

失效模塊金線觀察

如今新的封裝模塊越來越復雜，由于引腳數目多，工藝復雜、難度大。金線鍵合往往會出現電路失效問題（短路、斷路）。XRM可以無損地分析金線的失效位置，對實現高可靠性封裝工藝至關重要。（如圖3和圖4）

圖3 金線斷路位置

圖4 金線短路位置

3

失效模塊焊球觀察

球柵陣列(BGA)封裝技術是當前主流的IC集成電路封裝技術，市場對BGA芯片及其關鍵設備的需求也在不斷增加。由于焊球的數量不斷增加，工藝難度也隨之增加，失效的概率也在增大。利用XRM可以檢查BGA焊球的3D形貌，確定焊球的失效模式，為改善工藝提供指導性的方向。（如圖5）

圖5 BGA焊球二維切片觀察

4

封裝模塊點膠和內部氣泡觀察

近幾年來工業(yè)自動化發(fā)展迅速，許多企業(yè)使用自動點膠機代替人工。自動點膠機的使用可以節(jié)省勞動力，提高生產效率，但膠水中有氣泡會影響點膠代加工產品的質量。利用XRM可以觀察點膠區(qū)域氣泡的分布和數量大小，為優(yōu)化點膠工藝提供幫助。（如圖6和圖7）

圖6 封裝模塊點膠氣泡觀察

圖7 封裝模塊錫焊氣泡觀察

5

芯片內部結構觀察和尺寸測量

硅通孔技術（Through Silicon Via，TSV）技術是一項高密度封裝技術。它通過垂直互連減小互聯長度，減小信號延遲，降低電容/電感，實現芯片間的低功耗，高速通訊，對增加寬帶和實現器件集成的小型化具有非常明顯的效果。XRM可以測試TSV和3D封裝中通孔、凸點等結構參數，對提高封裝工藝可靠性和良率，實現實用化3D TSV 堆疊集成至關重要。（如圖8和9）