X 射线技术新进展

摘要

以 x 射线图像可追溯 100 多年。自那时以来，已取得长足进步的 x 射线技术和这些已越来越多地应用，在帮助制造的电子部件和组件，以及在其失效分析。

最近，这已被迅速赶到还原法在设备和特征尺寸和运动使用较新、 较低密度材料的结构，例如铜线作为选择组件内的互连材料取代金线内。事态发展的另一个驱动程序是工程中单一 3D 封装与多芯片堆叠起来垂直等导致的设备更小和更有效的包装。

为了应付这些挑战和那些在未来，一直内 x 射线系统的重要组件的最新关键改进数目。

选择使用现有的技术，然而，手段选择的管/探测器组合，是优化用于特定电子检测应用，不再是这么明确的。例如，一种配置可能会提供某些福利所适用的电子检验一个地区，虽然被别人不那么有效。本文将审查各种 x 射线管和可用的探测器类型和解释电子检验方面的他们提供关于图像分辨率、 放大、 管功率、 探测器像素大小的探测器的辐射损伤，除其他外影响检查这些选项的影响。

本文将还详细地了解一下高端 CT 的功能系统，以检查硅片颠簸、 铜支柱和 TSV 的、 新的设计减少关键尺寸的所有这些相互联系的挑战 x 射线系统，以产生清晰的图像。

关键词︰ x 射线、 半导体、 图像链、 PCB 检查、 CT 方法

介绍

X 射线系统的电子组件检测中所起的作用是众所周知的。与机器视觉和光学检测设备许可证的视线检测元件和电路，x 射线的穿透材料揭露隐藏不同焊点接触侧的倒装芯片和球栅阵列封装等设备。

随着元件密度的增加，互连线变得更加模糊，和 x-射线成像增长更关键，检测的缺陷。为此，x 射线系统的制造商特别重视提高对比度，清晰度和实时检测能力的途径。

幸运的是，x 射线系统跟小特征尺寸的检验要求 (< 1 µ m) 被授权在包装和装配过程中。

微焦点和纳米管的发展和额外的好处，如对管的自动化控制技术的输出强度，斜查看、 旋转图像链和复杂的 GUI （图形用户界面） 软件大大扩展 x 射线系统的成像能力。

管，任何系统的心脏

卡尔 H.F.穆勒在 1896 年开发第一个 x 射线管，随着时间的推移一直不变的基本工作原理。在所有管电子束从阴极发射进入目标和与目标材料颗粒的碰撞。当电子束击中目标时，电子进入靶材料 （交互层） 与目标物质粒子碰撞是减缓和偏转，在各个方向。他们然后再次与碰撞目标物质粒子直到动能下降到几乎为零。每一次碰撞，电子速度更慢，他们损失的动能转化为辐射能量。碰撞的点被称为焦斑。位置和大小的中心点是确定图像的分辨率和 x 射线图像的质量的关键因素。

早期的 x-射线系统在电子工业中使用了”封闭”或”密封”的 x 射线管。

密封的管技术是 100 岁以上和仍然使用在低成本的系统，由于其低廉的维护成本。然而，那些密封管的图像质量恶化其一生作为 x 射线目标 （阳极） 不能旋转或改变。当这种类型的管耗尽其资源时，它就需要更换相当大的代价。另一个限制定向 x 射线管是机械施工。X 射线聚焦光斑位置最接近的位置，样品可以放置到管也严重限制了这种 x 射线系统可能有放大。在一起，这意味着特征识别，能够看到小的物体，也很有限，是有同被很好的一个新的系统和 20 微米典型 8 微米。

密封的传输管是封闭的定向管的发展。它使用灯丝无技术来产生 x 射线束工作和管仍然是密封件厂。它允许更高的放大倍数要实现因为焦斑可以更接近于像开放的传输管中的示例。

由于大型 x 射线锥角 (> 170 度) 角度的检查意见，如此重要的联合检查的球栅阵列封装，可以实现不损失放大。然而，闭管的缺点仍然是 — — 这些管子是无法提供服务，因此要求，整管需予以更换的故障或磨损。因此功率通常减少延长管的使用寿命。

“开放”的传输 x 射线管是 x 射线检测向前迈进一大步。这项技术本身是几乎 55 岁，但已被使用在电子行业在 1982 年，当德国公司 Feinfocus 介绍了第一次打开微焦点管。最现代的高科技电子系统使用开放管。

图 3。开放的传输 x 射线管

打开微焦点管 — — 不锈钢管，可随时打开，清洁和维修，并在每次使用之前撤离 — — 可用于高分辨率应用的电子组装及包装。这种管子可以提供空间分辨率为 1 μ m，小于与几何的多达数千倍的放大倍数。

管开放可能会产生一些维护的关注在过去。这些已由领先的开放管制造商︰

• 预抽真空水泵是免费维修
• 管内的真空是高提高特征识别
• 灯丝寿命已扩展约 4 倍
• 交换是灯丝的预先调整快速变更单位可以快速单击到位最快的速度和容易

一切的一切，开管技术的益处对维护的需要︰

1. 没有有限的终身
2. 最佳的”新”表现后灯丝的交流
3. 更高的目标大国提供更高的图像强度
4. 不同的目标，为特定的应用程序高功率目标高分辨力靶锥形靶的可用性

X 射线管技术研究进展

更小和更密集的电子元器件和 MEMS 和 MOEMS，出现的趋势导致纳米焦点 x 射线技术的发展。纳米技术定义为具有小于 1 毫米的直径，这使级别的细节和解析所需的低密度结构和超小功能检查在今天的电子元器件中常见的焦斑。技术是管和复杂的软件，例如短期和长期稳定性、 图像对比度、 亮度和辐射量的控制性能方面的一体化。

现代的开式 x 射线管技术包括以下功能︰

真正的 x 射线强度 (TXI) 控制。不尝试测量和控制 x 射线管的输入的高电压水平和当前的技术，像 TXI 控制，确保控制和稳定输出 x 射线的强度。其结果是在每次进行检查整个一致和锋利的 x 射线图像。TXI 期间自动的分析例程，一种能力，在生产环境中特别感兴趣的是确保可重复性。

图 4。X 线图像质量没有真正的 x 射线强度 (TXI) 控制。

由于不同的 x 射线强度输出随着检查过程的时间的推移，图像的对比度和亮度在 24 小时期间差别很大。

图 5。X 线图像质量与真实的 x 射线强度 (TXI) 控制。

由于处于恒定的长期稳定输出的 x 射线的强度、 图像的对比度和亮度是 100%一致，甚至一段长的时间。

多聚焦 x 射线能力

需要存在微焦点和纳米管用于实时 x 射线检测。对于合同制造商，在那里检验要求可以从微焦点的应用程序要求高 x 射线输出到纳米焦点的应用程序需求高放大率和高分辨率，多聚焦 x 射线管是非常理想的。他们把大功率模式 (> 15W 目标电源) 为检验需要高强度的致密结构。绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 是具有挑战性的应用之一。没有高目标电源变得难以得到有意义的信息，进行分析。

图 6。X 射线图像的 IGBT，130 kV，61µA

高功率模式可以还提供附加价值，如果最终产品的检验要求。尤其是如果在高密度情况下隐藏的 ROI （感兴趣区域）。图 7a 显示拍摄的多聚焦图像管在微焦点模式。有些信息是由于缺乏强度而丢失。图 7b 显示相同的投资回报率，但图像采取与大功率模式。

Figure7a。在最终产品、 微焦点模式、 160kV、 55 µ A IC x 射线图像

Figure7b。在最终产品、 高功率模式、 160kV、 54 µ A IC x 射线图像

典型的微焦点 x 射线设备不一定符合复杂的电子设备，如 MEMS （微机电系统） 和 MOEMS （微型光机电系统） 的独特视察的挑战。MEMS 和 MOEMS 的出现是纳米焦点 x 射线技术的发展的驱动力。与焦斑直径小于 1 微米，纳米焦点 x 射线检测系统可以提供的细节和分辨率需检查超小组件。

除了检查的 MEMS 和 MOEMS 器件，纳米焦点系统用于检查亚微米元件、 电路及晶圆级封装中的程序集。在这些应用中，纳米管设计和系统技术是唯一的检查选项，它提供的分辨率和清晰度检测中的缺陷需焊锡凸块和互连。

图 8。X 射线图像的焊料裂纹在 50μm 铜支柱，样本量︰ 300 毫米晶圆

纳米技术也用来检查非填充模具的包附加材料，包括固定到位的微芯片的热粘合。纳米管需要检测相比之下归因于该胶粘剂上的微小差异。此外，纳米管可以用于检查加载在导电胶粘剂的银粒子。这将确保材料是均匀的充满足够的粒子来实现所需的电导率。

纳米焦点系统还可以检查︰

• 封装分层，可以去”看不见”的微焦点 x 射线系统;
• 亚微米裂纹和缺陷在硅包装和优良的粘结作用电线 (下 25 µ m);
• 在高分子材料中纤维的取向

图 9。X 射线图像的一种高分子材料、 空隙率和不同图层中的纤维取向是可见的

主动冷却管和目标

CT 应用的质量取决于很多其他因素，管性能的稳定。如小于 2%的电子能量的 x 射线的形式出现。剩余的能量是主要应有效地控制系统的热。为具有较长的扫描时间的高端 CT 应用程序，使用主动冷却的目标，并在 x 射线管里面线圈至关重要。主动冷却的好处是︰

• 快速温度平衡允许更高的生产率
• 最小化的漂移的焦斑保证图像清晰、 分辨率最高

图 10。3-5 μ m 的 x 射线图像裂纹 500μm 外国大会。样本大小︰ 0.5 m m 无切削

新类型的目标

透射式的目标，在开放和密封管，使用要求的 x 射线，一旦产生在焦斑，必须通过厚度的目标要退出管和照射样品 (图 3)。。钨是最常用的靶材料。随着焦斑的大小缩小，在目标能量密度迅速增加。例如，如果管产生的功率 1W 到 1 微米的位置然后实现相同能量密度与 20 微米现场需要 400W。如此大的能量密度在小焦斑尺寸产生热量，应通过增加焦斑大小平衡。否则，我们可能会破坏目标和管成为非业务。由于更大的焦斑大小我们失去系统的分辨率。这是被称为几何 unsharpess 或半影图 11 效应。

图 11。焦斑大小对图像质量的分辨率的影响

由于几何不清晰度，它将难以检查高密集芯片组件 1 微米以下的决议是必需。

开管设计允许使用专用的、 基于钻石的指标，专门为要求苛刻的应用开发。相比传统的传播目标，取得了热导率增加了 10 倍。因此高能电子束可以保存在维持小焦斑大小的图像分辨率高的焦点︰

• 高功率目标 — — 提供了一项决议，在一个高功率因素 2 3 x 高相比标准目标 (图 12)
• 高分辨率目标 — — 提供一项决议，在纳米焦点因子 2 x 高直到 8 W 相比标准目标

图 12。高功率目标保持焦点 （左） 和常规目标周立伟除名 （右）

探测器

传统上，模拟探测器已被使用，并深受仍然今天申请该决议是令人满意为检验所需的水平。模拟的探测器是由加上高分辨率 CCD （电荷耦合器件） 相机，感官 x 光片并将它们转换成模拟信号，然后送入计算机 x 射线图像增强器 （放大器） 组成。由模拟到数字转换器的计算机结果中一些正在失去对固有噪声和形象，达到显示器是不能够显示的灰色色调的完整范围的信号处理。最佳的图像增强器有 8 位图像链。因此，尽管有微焦点或纳米焦点的光斑尺寸 x 射线管，图像在显示器的分辨率被退化到哪里材料密度的微妙变化不能被检测到，出血成区域密度更高的低密度区域的点。

由于模拟探测器这些已知的限制，数字平板探测器已成为行业标准。数字平板液晶显示器是一个巨大的飞跃批转，从 0.3 到 1 MPixels MPixels。

从原理的角度来看，数字探测器是有点类似于模拟探测器。数字探测器不同的模拟信号转换为数字内检测器，相对于计算机内的范围内。x 射线光子醒目荧光粉转换为可见光，是反过来，被转换成电荷的光电二极管。光子产生电荷在数组中的每个像素的光的强度成正比。

数字的探测器，可在各种配置中，最常见的是非晶态硅成像阵列与铯碘化物 (CsI) 闪烁体沉积在成像阵列。

数字探测器的研究进展

图像质量和检查有缺陷的能力是把测试在哪里密度变化不大的焊料球和垫之间或内部有缺陷的互连的情况。根据这种条件下，对 x 射线的吸收提供了几乎难以分辨的边缘检测，小特征尺寸要求可以加剧的条件下，，，查看可以是困难的甚至与纳米管。

因此，虽然目标电源和 x 射线管的焦斑大小是图像质量的主要因素，空间分辨率、 特征识别、 对比度和清晰度也是依赖于数字探测器的质量。它因为它是负责处理 x 射线波成一个图像，可见光，可以看到和审查通过人的眼中，或通过自动的视觉系统有重要的作用。

现代非晶硅平板探测器 (FPD) 设有一个 16 位格式，超过 65,000 深浅的灰色和一些百万像素。这些探测器还提供可选的帧速率从 1 到 60 fps (图 13)。帧速率，是的速度的探测器可以获得的图像，使无定形硅探测器提供图像数据在实时，这意味着结果显示在显示器上作为一个活的形象，而不是被”冻结”延迟分析。

图 13。在运动中的图像质量。实时图像 127μm 像素 30 帧每秒 （左）。标准模式 127μm 10 fps （右）。

探测器的空间分辨率变得更好。尽管 x 射线管的焦斑大小是图像质量的主要因素不能用于为基准不同 x 射线系统，由于没有可靠/统一方法测量焦斑大小。只有可靠和独立方法 x 射线系统的性能是比较的测量探测器的空间分辨率。使用最广泛的测试仪为此岛面具 — — 3 线对︰ 0.4 — — 15 μ m。对最小的可见差距显示系统 （日本检验仪器制造商协会; www.jima.jp/english） 的空间分辨率

图 14。岛的面具

它是重要的是提及空间分辨率还取决于许多因素，比如几何放大系统的信噪比 (SNR) 的探测器。此主题将不会延长在本文中，但应指出的是，为更好的空间分辨率这两个特性值越高越好。

探测器的另一个重要特点是对比度分辨率 AKA 特征识别。它指示的最小的物质差别，可以解决在图像 (图 15)。X 射线系统一些制造商已经开发出他们自己测试量规特征识别，高对比度材料制成。然而，是没有独立的量规基准。对比敏感度”工程”中的 x 射线束方向 （z 轴） 和直接依赖于所用的探测器级灰度的色调。行业标准是灰色的 16 位，给出了大约 65000 深浅。

根据类型和测试的制造商衡量特征识别到 100 毫微米可以实现。

图 15。蚀刻的标志均匀的陶瓷衬底上的厚度 0.8 毫米

空间分辨率、 特征识别与焦斑大小近似比例如下 — — x 射线管的空间分辨率是大约一个半焦斑尺寸。特征识别管大约是一半的空间分辨率。因此，在 125 毫微米范围内的单一功能，为 x 射线管必须具有 500 焦斑大小毫微米 (0.5 µ m)。

提高图像链

图像链由更多比数字探测器组成。计算机处理的图像数据和显示器本身都在发挥作用的图像质量和实时查看图像的能力。

在帧速率是足够的 (30 到 60 fps)，图像可以被查看和操作在显示器上。通常情况下，在更高的质量为特定图像的渴望在哪里的情况下，帧捕获和处理由计算机生成预期的结果。

图像链更先进的发展允许图像处理中的图像流，和结果，查看显示器上的所有图像的都增强。区别非常明显。查看时裂纹的焊料球 (图 16)，例如，而不是选择显示以最佳方式显示裂纹的图像，然后处理这些图像，观赏性增强后的图像的裂纹可以发生在实时，而传感器 （或样品） 的位置更改为提供多角度观看。

图 16。与 16 位 DFP BGA 斜看法

实时图像分析的另一个高值工具是 μHDR (图 17)，平均的整体形象曝光并显示在眼结构的示例对象。

图 17。ΜHDR 即时滤镜

计算机断层扫描的研究进展

随着需求的增加更多的功能和较小的电子设备 （如手机、 控制器等） 的性能和印刷电路板和个人电子组件 （如不同的 3D 包） 的大小已成为关键。

这些复杂的程序集开车到几乎截面样品需要简化检验。计算机断层扫描 (CT) 是 3 维分析的复杂电子组件的首选的方法。

本文将不地址作为这 CT 理论的基本知识已述及几篇论文，因此重点将是可用 — — 的各种技术质量扫描 CT、 快速扫描 CT，AKA 斜/斜 CT 成像体层摄影有限角度 ct。

质量扫描和快速扫描 CT 对照观察

微焦点 x 射线技术的 µ3D 应用程序用于已超过十年。这种方法基于锥束重建算法，称为 Feldkamp 方法。在锥束 CT，整个卷生成使用一个单一的 360 度扫描阵列探测器上。

尽管有一些限制，稍后介绍此方法提供了最好的可能的 CT 扫描质量。根据系统配置 （管、 探测器和操纵型） 2 微米以下决议是可以实现的。

图 18。切片的微突起 （60µm 直径）

此方法允许数据的快速采集多个切片所需的数据可以获得一次旋转。然而扫描/重建时间仍然可以从 30 分钟到几小时。

为了铺平道路更快 µCT 检查履行了以下目标︰

• 同时保持小焦斑大小减少噪音水平和平均达到高 x‑ray 强度
• 为最大的稳定性，在 x‑ray 强度和图像质量开发技术
• 采用先进的探测器和快速 µCT 执行重建解决方案

先进的 x 射线系统，配备多聚焦管高功率目标和 TXI 技术、 16 位实时平板探测器，与先进的重建软件可以在几分钟内交付快速扫描 CT 结果。

图 19 bga 器件的比较质量扫描 (CT) 和快速扫描 (快速 CT) 之间详细显示轻微的变化。为 1024年左边所示的常规 µCT 获得了预测和 880 的快速扫描。卷视图显示两个扫描启用在深度的焊料球和互连表面检查。微小的差异可以见于表面平整度。通过 BGA 切片显示即使是很小的空隙可以进行可视化处理速度大大加快快速扫描得同样好。

图 19︰ 常规 µCT （左） 和快速扫描 （右） 的 BGA 的卷视图 （顶部） 和景色一片 （底部）

高分辨率快速扫描应用程序进一步举例进行描述。卷视图允许球栅阵列封装和焊线的详细的检查。通过插图 3 × 3 BGA 段显示焊料切片互连线微通孔和排尿。通过一个单一的 BGA 球切片甚至显示微电镀充-通过下面。

图 20︰ 快速扫描 — — 卷视图和虚拟截面的微型 BGA 与微通孔，楔键合

Aka 倾斜或斜 CT 成像体层摄影

虽然锥束方法可以提供最好的 CT 质量与最快的时间，它被有限的样品的宽度。很多时候该地区的利益 (率 ROI) 是切断板则更大。否则最大放大倍率，因此该决议不会足够有效的失效分析，董事会或硅片的托盘上。

作为样品的破坏是不能接受在许多情况下，成像体层摄影方法是第二个最好的替代和可以被称为真正的非破坏性试验方法。

它是最有益的多层板检查或甚至 3D 包在哪里贴面结构不允许分配的缺陷像空洞，裂纹等。

图 21 显示标准的单双面的线路板无效计算是不可能在 2D 模式下，不可能由于样本的大小 3D 扫描。

成像体层摄影方法允许通过使用管、 探测器和样品托盘复杂和同步运动分离样品的水平切片。与传统的锥束扫描样品不会水平旋转。由于其目的调用此方法可以也 Micro3D 切片。

图 22: Micro3D 片，图 21 的水平层分隔和无效的计算可以做

需要复杂的板和样品自动的检测时，这种方法变得尤为有用。Micro3D 切片可以集成到哪里我们生成 3D 体积的 ROI 区域，并且定义什么以后为 void 或 BGA 分析使用的重点层 FNC 序列。

图 23︰ 多地区虚空计算算法用于定义在 Micro3D 切片扫描切片

微电子技术的挑战

所有的最新进展的 x 射线技术，前文所述，解决需要验证的质量较小和较小的 3D 包。

3D 封装是通用的术语，涵盖堆叠的组件，3D IC、 封装上的包，包内的系统，和其他许多人。 3D 封装的主要驱动因素是技术相结合在单个包的独立芯片节省空间。一般期望的是能够保持或降低 Z-高度的包，要求减薄的模，低级互连技术等通过硅通过 (TSV)，铜支柱、 microbumps 叠的包。这些技术承诺增加的系统集成以较低成本和减少的足迹。

所有的叠的包有 TSV 无效，凹凸均匀性等的所有正常的可靠性问题，倒装芯片焊点可靠性 （见图 8），包翘曲变形和热应力。

虽然大部分的这些缺陷很难检测到亚微米级大小的缺陷，或由于薄、 低密度材料，现代 x 射线系统，使它成为可能，由 2D、 µ3D 扫描或 Micro3D 切片方法相结合。

用于微电子应用推荐 x 射线系统会有纳米焦点 x 射线管 TXI 功能和至少 16 位数字平板探测器与平衡空间与对比各项决议。

此外，探测器、 管和样品托盘的操控性很重要。如果管和探测器可以独立地移动它允许运营商找到最佳可能的信号噪声比在特定目标电源及放大 (图 24) 和敏感设备减少潜在损失的风险。

图 24︰ 提高强度而无需更改管参数，管和探测器移动同步在一起或分开

当晶片和单质量检测死 (图 8，25，26，27)，这些组件的重要性变得清晰。

图 25:10 μ m TSV，样本大小的 1 毫微米裂纹︰ 300 毫米晶圆

图 26︰ 微空隙在 30 微米的 TSV，样本大小︰ 50 毫米的晶圆的一部分

图 27︰ 切片的铜柱 （30µm 直径）

结论

随着当前和未来在电子和半导体封装技术的进步，从 2D 到 3D 的 x 射线检测的重大移动已预计占继续的小型化和扩展到第三个层面。

经得起未来考验 x 射线系统应解决的某些特征︰

• 多功能 x 射线管通用应用程序，从 3D 包到 IGBT 类型的组件
• 真正的 X‑ray 强度 (TXI) 控制，最大 x‑ray 性能稳定及因此一致的图像质量
• 大功率的目标 — — 实现小焦光斑尺寸为高分辨率高 x‑ray 强度
• 支持快速重建的专用解决方案的快速图像捕获的高速数字平板探测器
• 实时图像处理什么允许快速和轻松的故障检测
• 无损探伤检验的每个样本的多功能 CT 工具

 

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来 · 莫尔 — — YXLON，亚洲区经理销售电子

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