Was befindet sich in meinem USB-Stick?
Röntgenradiographie und Röntgentomographie für 3D-Packaging und Nano-AVT
In diesem Artikel:
- Röntgen-CT enthüllt die Mikrostruktur eines USB-Laufwerks: Waygate Technologies setzt hochauflösende Röntgenradiographie und Computertomographie (CT) ein, um die innere Struktur eines 32-GB-USB-Sticks zerstörungsfrei zu untersuchen und zeigt damit die fortschrittlichen Möglichkeiten der Elektronikprüfung auf
- System-in-Package (SiP)-Designanalyse: Die Studie zeigt, wie die CT-Bildgebung das interne Layout eines USB-Geräts, einschließlich gestapelter Speicherchips, Bonddrähte und passiver Komponenten, sichtbar macht - eine wichtige Voraussetzung für die Bewertung moderner SiP-Gehäuse.
- Vergleichende Technologiebewertung: Durch den Vergleich von USB-Laufwerken aus den Jahren 2008 und 2012 zeigt die Fallstudie, wie CT-Fortschritte die Sichtbarkeit von Nanopackungen und mikroelektronischen Baugruppen verbessert haben
- Die CT-Bildgebung übertrifft die herkömmliche Radiographie: Während Röntgenaufnahmen nur begrenzte 2D-Einsichten lieferten, lieferten CT-Scans detaillierte 3D-Rekonstruktionen, die eine präzise Visualisierung von inneren Merkmalen und Defekten ermöglichten
- Benchmark für die zerstörungsfreie Prüfung in der Elektronik: Das USB-Laufwerk diente als Referenzobjekt für den Vergleich zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfP) und half den Forschern, die Möglichkeiten und Grenzen verschiedener Prüftechnologien zu bewerten
Bewertung von zerstörungsfreien Prüfverfahren für Nano-Verpackungstechnologien
Neue Verpackungen und neue Verpackungstechnologien benötigen entsprechende hochauflösende zerstörungsfreie Prüfverfahren. Doch welche Prüfverfahren sind in der Lage, Nano-Verpackungsfehler abzubilden? Es ist notwendig, Bewertungstechniken zu entwickeln, um die Möglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Prüftechnologien herauszufinden. Einige Möglichkeiten sind die Verwendung von sogenannten Referenzobjekten und Fehlerproben. Eine dritte Möglichkeit, zerstörungsfreie Prüfverfahren zu bewerten, ist die Verwendung elektronischer Systeme mit begrenztem Volumen und begrenzter Komplexität, wie z. B. ein USB-Speichergerät.
Bewertung eines USB-Speichergeräts - Stand der Technik im Jahr 2008 - mit Röntgentechniken
Ein interessantes Beispiel für die Bewertung von ZfP-Methoden war ein Mikro-USB-Speichergerät mit 2 GB Speichergröße. Diese Untersuchungen wurden an der Technischen Universität Dresden, Deutschland, durchgeführt. Der elektronische Teil im Inneren dieses Speicherbausteins wurde als System-in-Package (SiP) in einem Metallkäfig mit Polymerabdeckung konzipiert. Zur Beurteilung der inneren Struktur wurden Röntgenradiographie und Röntgen-CT verwendet (180 kV Phoenix Nanome|x und Nanotom Systeme). Die Röntgenergebnisse zeigten die inneren Komponenten, aber selbst in der Schrägansicht waren die Informationen über die dritte Dimension nur dürftig.
Die Leiterplatte, einige passive Bauteile (Kondensatoren und Widerstände), die Bonddrähte des Controller-Die und der Speicher (Material Au), der Kristalloszillator und die Aktivitäts-LED waren sichtbar. Weitere Informationen über die innere Struktur und die Lage der Bauteile lieferten die CT-Ergebnisse, die den Bondbereich von vier gestapelten Speicherchips zeigten. Dies war der Stand der Technik in der Verpackungstechnik für relativ preiswerte Waren - der Preis dieses USB-Speichergeräts lag 2008 bei ca. 23 US$.
Auswertung eines USB-Speichers - Stand der Technik im Jahr 2012 - mit Röntgentechnik
Während einer Diskussion zwischen Kollegen der Technischen Universität Dresden und Waygate Technologies entstand die Idee, die Untersuchungsergebnisse von 2008 mit USB-Speichergeräten von 2012 zu vergleichen. Die Fragen waren:
- Welche Technologien wurden bei der Herstellung aktueller Speichergeräte eingesetzt?
- Sind die Aussagen von Technologie-Roadmaps für diesen Markt gültig?
- Welche Details sind mit den neuesten Röntgeninspektionstechnologien sichtbar?
Für diese Bewertung wurde ein 32-GB-USB-Speichergerät ausgewählt und verschiedene CT-Scans mit unterschiedlichen Auflösungen wurden in der Anlage von Waygate Technologies in Wunstorf (Deutschland) durchgeführt. Die Visualisierung der CT-Ergebnisse wurde von Volume Graphics in Heidelberg (Deutschland) durchgeführt.
Detailansichten und virtuelle Querschnitte lieferten weitere Informationen über den Aufbau des Geräts und die verwendeten Technologien. Auf den CT-Bildern sind die Leiterplatte, eine geringe Anzahl passiver Bauelemente, der Controller-Die und zwei gestapelte Speicher-Dies zu sehen. Die Analyse der CT-Ergebnisse ergab, dass die Gehäusetechnologien seit 2008 nahezu gleich geblieben sind. Die Fortschritte in der Entwicklung werden von der Halbleiterindustrie beeinflusst - in diesem Fall vom Speicherhersteller. Aber ein Detail war sehr überraschend:
Das Highlight - Drahtbonds auf den Bonding Pads des Chips
Bei der Analyse der CT-Ergebnisse, insbesondere der virtuellen 2D-Querschnitte, wurden Strukturen auf der Oberfläche des Controller-Dies gefunden. Eine genauere Auswertung der Bilder zeigte Metallisierungsschichten und die Drahtbondverbindungen auf dem Die, die später durch EDX-Analyse als Wolframspuren mit einer Aluminiumbeschichtung identifiziert wurden.
Diese überraschenden Ergebnisse zeigen die rasante Entwicklung der Röntgendetektoren in den letzten Jahren. Die CT-Aufnahme wurde mit dem temperaturstabilisierten 14-Bit-Graustufen-DXR-Röntgendetektor von Phoenix mit CsI-Szintillator durchgeführt. Nach diesen Ergebnissen wurde zum Vergleich eine zusätzliche CT-Aufnahme mit einem 12-Bit-Röntgendetektor mit Gd2O3-Szintillator auf demselben USB-Speichergerät durchgeführt. Dieses CT zeigte die Strukturen auf der Oberfläche des Würfels nur unzureichend - fast das Rauschen in den Bildern.
Schlussfolgerungen
Die zerstörungsfreien Röntgentechniken (insbesondere CT) sind sehr wichtig und unerlässlich für die Bewertung und Charakterisierung von miniaturisierten elektronischen Gehäusen. Um mit diesen Methoden hervorragende Ergebnisse zu erzielen, sind ein guter Materialkontrast der Probe und eine hohe Auflösung des Röntgensystems erforderlich. Die Verwendung von Proben mit bekannten inneren Strukturen ist ein nützlicher Weg, um zerstörungsfreie Prüfmethoden zu bewerten.
Die Prüfung verschiedener USB-Speichergeräte unterschiedlichen technologischen Alters zeigt die Dominanz der Halbleiterentwicklung. Die Elektronikgehäuse-Evolution verläuft eher in Wellen - wie bei Halbleitern gefordert.
Ein weiteres Ergebnis dieser Untersuchungen ist die Evaluierung neuester 14-bit temperaturstabilisierter Röntgendetektoren. Diese Detektoren sind in der Lage, Röntgenbilder mit einem sehr hohen Kontrast und geringem Rauschen zu liefern. Sehr dünne Strukturen auf Siliziumchips sind detektierbar.
Um einen faszinierenden hochauflösenden 3D-Auswertungsfilm zu sehen, der auf den Voxeldaten der in diesem Artikel beschriebenen CT-Scans basiert, folgen Sie dem untenstehenden Link!