Cosa c'è nella mia unità USB?
Radiografia e tomografia a raggi X per l'imballaggio 3D e il Nano-AVT
In questo articolo:
- La tomografia a raggi X rivela la microstruttura di una chiavetta USB: Waygate Technologies ha utilizzato la radiografia a raggi X ad alta risoluzione e la tomografia computerizzata (CT) per ispezionare in modo non distruttivo la struttura interna di una chiavetta USB da 32 GB, mettendo in mostra le capacità di ispezione elettronica avanzata.
- Analisi della progettazione di un sistema in un pacchetto (SiP): Lo studio evidenzia come la tomografia computerizzata abbia messo a nudo il layout interno di un dispositivo USB, comprese le matrici di memoria impilate, i fili di collegamento e i componenti passivi: un aspetto critico per la valutazione del moderno packaging SiP.
- Valutazione tecnologica comparativa: Confrontando le unità USB del 2008 e del 2012, il caso di studio dimostra come i progressi della tomografia computerizzata abbiano migliorato la visibilità del nano-packaging e degli assemblaggi microelettronici.
- La tomografia computerizzata supera la radiografia tradizionale: Mentre la radiografia a raggi X forniva una visione limitata in 2D, le scansioni TC fornivano ricostruzioni dettagliate in 3D, consentendo una visualizzazione precisa delle caratteristiche interne e dei difetti.
- Benchmark per NDT nell'elettronica: L'unità USB è servita come oggetto di riferimento per l'analisi comparativa dei metodi di controllo non distruttivo (NDT), aiutando i ricercatori a valutare le capacità e i limiti delle varie tecnologie di ispezione.
Valutazione dei metodi di controllo non distruttivo per le nanotecnologie di imballaggio
I nuovi imballaggi e le nuove tecnologie di confezionamento necessitano di corrispondenti metodi di controllo non distruttivo ad alta risoluzione. Ma quali sono i metodi di controllo in grado di rilevare i difetti dei nano imballaggi? È necessario sviluppare tecniche di valutazione per scoprire le possibilità e i limiti delle diverse tecnologie di ispezione. Alcuni modi sono l'uso dei cosiddetti oggetti di riferimento e di campioni di difetti. Un terzo modo per valutare i metodi di controllo non distruttivo è l'uso di sistemi elettronici di volume e complessità limitati, come un dispositivo di memoria USB.
Valutazione di un dispositivo di memoria USB - stato dell'arte nel 2008 - con tecniche a raggi X
Un esempio interessante di valutazione dei metodi NDT è stato un dispositivo di memoria micro USB da 2 GB. Queste indagini sono state condotte presso la Dresden University of Technology, in Germania. La parte elettronica all'interno di questo dispositivo di memoria è stata progettata come System-in-Package (SiP) alloggiata in una gabbia metallica con copertura polimerica. Per valutare la struttura interna sono state utilizzate la radiografia a raggi X e la tomografia computerizzata a raggi X (sistemi Phoenix Nanome|x e Nanotom a 180 kV). I risultati della radiografia a raggi X hanno mostrato i componenti interni, ma anche nell'ispezione in vista obliqua sono state fornite solo scarse informazioni sulla terza dimensione.
Erano visibili il circuito stampato, alcuni componenti passivi (condensatori e resistenze), i fili di collegamento del die del controllore e delle memorie (materiale Au), l'oscillatore a cristallo e il LED di attività. Per maggiori informazioni sulla struttura interna e sulla posizione dei componenti, i risultati della tomografia computerizzata hanno rivelato l'area di incollaggio di quattro die di memoria impilati. Questo era lo stato dell'arte della tecnologia di confezionamento per prodotti relativamente poco costosi - il prezzo di questo dispositivo di memoria USB era di circa 23 dollari nel 2008.
Valutazione di un dispositivo di memoria USB - stato dell'arte nel 2012 - con tecniche a raggi X
Durante una discussione tra i colleghi dell'Università di Tecnologia di Dresda e Waygate Technologies è nata l'idea di confrontare i risultati delle indagini del 2008 con i dispositivi di memoria USB del 2012. Le domande erano:
- Quali tecnologie sono state utilizzate per produrre gli attuali dispositivi di memoria?
- Le dichiarazioni delle roadmap tecnologiche sono valide per questo mercato?
- Quali dettagli sono visibili con le più recenti tecnologie di ispezione a raggi X?
Per questa valutazione è stato scelto un dispositivo di memoria USB da 32 GB e sono state eseguite diverse scansioni TC con diverse risoluzioni presso lo stabilimento di Waygate Technologies a Wunstorf (Germania). La visualizzazione dei risultati della TC è stata eseguita da Volume Graphics di Heidelberg (Germania).
Le viste dettagliate e le sezioni trasversali virtuali hanno permesso di ottenere maggiori informazioni sulla costruzione del dispositivo e sulle tecnologie utilizzate. Nelle immagini della tomografia computerizzata sono visibili il circuito stampato, un piccolo numero di passivi, il die del controller e due die di memoria impilati. L'analisi dei risultati della tomografia computerizzata ha mostrato che le tecnologie di packaging sono pressoché le stesse dal 2008. I progressi nello sviluppo sono influenzati dall'industria dei semiconduttori, in questo caso dal produttore di memorie. Ma un dettaglio è stato molto sorprendente:
Il punto culminante: i legami tra i fili sulle piazzole di incollaggio del die
Durante l'analisi dei risultati della tomografia computerizzata, in particolare delle sezioni trasversali virtuali 2D, sono state rilevate strutture sulla superficie del die del controllore. Una valutazione più dettagliata delle immagini ha mostrato strati di metallizzazione e connessioni di collegamento dei fili sul die, che sono stati successivamente identificati dall'analisi EDX come tracce di tungsteno con un rivestimento di alluminio.
Questi risultati sorprendenti dimostrano il rapido sviluppo dei rivelatori a raggi X negli ultimi anni. La registrazione della TC è stata effettuata con il rivelatore di raggi X DXR a 14 bit in scala di grigi stabilizzato in temperatura con scintillatore CsI. Dopo aver constatato questi risultati, è stata eseguita un'ulteriore scansione CT con un rivelatore di raggi X a 12 bit con scintillatore Gd2O3 sullo stesso dispositivo di memoria USB per motivi di confronto. Questa TC ha mostrato le strutture sulla superficie del die solo in modo insufficiente - quasi il rumore nelle immagini.
Conclusioni
Le tecniche non distruttive a raggi X (in particolare la tomografia computerizzata) sono molto importanti ed essenziali per la valutazione e la caratterizzazione di pacchetti elettronici miniaturizzati. Per ottenere risultati eccellenti con questi metodi sono necessari un buon contrasto del materiale del campione e un'elevata risoluzione del sistema a raggi X. L'uso di campioni con strutture interne note è un modo utile per valutare i metodi di controllo non distruttivi.
L'ispezione di diversi dispositivi di memoria USB in diverse epoche tecnologiche mostra il predominio dello sviluppo dei semiconduttori. L'evoluzione del packaging elettronico procede a ondate, come i semiconduttori.
Un ulteriore risultato di queste indagini è la valutazione dei più recenti rivelatori di raggi X a 14 bit stabilizzati in temperatura. Questi rivelatori sono in grado di fornire immagini a raggi X con un contrasto molto elevato e un basso rumore. È possibile rilevare strutture molto sottili su matrici di silicio.
Per vedere un affascinante filmato di valutazione 3D ad alta risoluzione basato sui dati voxel delle scansioni TC descritte in questo articolo, seguite il link sottostante!