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纳米级X射线检测技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-11  浏览次数:709
核心提示: 摘 要:微米聚焦束X射线在许多应用领域的目标检测提供有效的分辩率,对比反差与放大倍率。对微型化的器件,高密度组装电路特
         要:微米聚焦束X射线在许多应用领域的目标检测提供有效的分辩率,对比反差与放大倍率。对微型化的器件,高密度组装电路特证的识别确认需要比微米聚焦束X射线更小的焦斑,而纳米聚焦束X射线发射管是一种具有优越性能的解决方案。随MEMSMOEMS的发展标志着微型化的趋势,这也证明纳米聚焦束X射线检测技术的美好前景。多级聚焦束X射线管的在检测过程可随时使用鼠标或键盘转换工作模式。

关键词:微米聚焦束X射线,纳米级X射线检测技术

1、

电子及微机械领域中的器件与封装的微型化趋势正在加快,如光电子,微机电系统(MEMS),微光机电系统(MOEMS)的设计与制造提出了更新的应用需要与更精确的检测技术的要求。在有些场合只能使用焦斑 = ,< 1μmX射线发射管,才能达到检测目的。由此导致了纳米级聚焦束,多级聚焦束X射线源的研发。多级聚焦束X射线管允许操作者可以根据检测对象在高功率,纳米级聚焦束,多级聚焦束间进行转换。按需要的焦斑尺寸选择使用纳米级聚焦束还是多级聚焦束。多级聚焦束X射线管的高功率模式取决于图像与高密度器件的要求,这类X射线管的设计具有独特的优点,使得160kvX射线管能提供最高的发射强度。

2、X射线检测的工作原理

X射线是一种高能电磁波辐射—通常光子能量为100ev1,000kevX射线的波长要比紫外光短很多,比伽玛射线的波长长得多。X射线的波长范围在10-8  10-10m

X射线是电磁波辐射,其在真空中的速度与可见光相同(186,000英里/秒)。高穿透性,硬X射线是高频短波长,软X射线频率较低,能量较小。

X射线管,电子回旋加速器,线性加速器用来产生X射线。X射线的穿透强度取决于电磁波的能量,也受到被穿透材料的密度与原子核电符的影响。例如;硅是一种密度较低的材料,X射线容易穿透。铅密度大,X射线就不容易穿透。

X射线穿过材料,撞击照相底板或萤光屏幕就产生材料内部结构的可视图像。根据样品不同位置的相对密度显示阴影。例如,一颗焊球有裂纹,就容易见到,这因为焊球的密度要裂纹产生的空孔高得多。

3、微米聚焦束X射线检测系统

X射线检测系统基本上是由封闭式或开放式X射线管,固定与操纵被检测样品的夹具,辐射探测器组成(图 1)。

1 工业X射线检测系统基本结构

X射线管有各种结构与不同性能,开放式X射线管(能在任何时间打开不锈钢管进行清洗维修,每次使用前需要抽真空)是用于电子组件与封装的高分辩检测。开放式X射线管具有小于< 1μm的空间分辩率,视像放大倍率达数千之多。

高压发生器 —— 高压发生器供给X射线管的电子枪发射电子,系统控制,计算机系统及图像处理软件的能源。基本部件安装在X射线室或辐射屏蔽机箱内。

操纵系统 —— X射线检测系统的‘操纵系统’的功能是精确控制检测样品的X,Y,Z轴位置,转动与角度倾斜。操纵系统能在低放大倍率时,快速图像扫描的定向与转动速度,以及在高放大倍率时,慢速的定向与转动速度。X射线的扫描速度可从每秒几微米到几百毫米。

X射线探测器 —— X射线探测器的功能是实时处理X射线的数据,转换为人眼可见的光学图像或传输到电子视象系统。大多数常用的X射线探测器是图像倍增器/X射线转换为可见光的视像摄像机。其他最新型的探测器有;高动态摄像机与平面数字探测器。

高功率X射线管 ——高功率X射线管采用固体靶发射X射线。用于电子组装检测的微米聚焦束X射线管有一个X射线发射靶,其是由两种不同材料构成(图 2)。

2 焦点-被测目标-图像间的距离是放大倍率的重要函数关系

这些发射靶大多数由低密度,低原子序数与原子量的材料如铍,铝制成背撑,作为封闭管体保持真空的结构材料,其也作为加强激发X射线靶层强度的背撑材料。激发靶层通常是5μm的钨,,铜薄膜材料,这些薄膜材料具有高密度,高原子序数与原子量。靶层采用溅射工艺沉积在背撑材料表面。

相对于定向X射线发射管,微米聚焦束X射线发射管的X射线可任选30º,60º,90º方向发射,这种设计以X射线发射方向为特证。电子进入发射靶的背撑材料,X射线从背撑材料的前面辐射出去。(图 3

3微米聚焦束X射线发射管与定向X射线发射管

所有X射线发射管的原理是相同的,从阴极发射的电子以一定的速度与动能轰击靶材表面,与靶材粒子发生碰撞。当电子束轰击靶材表面时,电子进入靶的交互层,与靶材粒子发生碰撞,这些电子的速度降慢,以不同方向折返,这些电子又一而再,再而三多次与靶材碰撞,直到动能全部丧失尽止。

每一次碰撞,电子会降满速度,损失的动能转化为辐射能。其中不到2%的能量形成X射线,余下大多数转为热量。因此大多数发射管使用耐熔金属钨。

X射线的焦斑是确定图像分辩率与X射线图像质量的关键因素(图 4)如焦斑尺寸减小,分辩率与检测缺陷细部的能力可得到改进—

不存在周边阴影,几何形状或投影放大能力(图 5)。理想的是焦斑的直径接近另,但实际上根据X射线发射管的设计,X射线焦斑的

直径等于或小于1μm

X射线发射管的空间分辩率近似于焦斑直径的一半。X射线发射管对目标特证的确认是空间分辩率的一半。如目标特证是125μm左右,X射线发射管的焦斑必须是500μm

4 电子轰击交互面的大小,

决定X射线聚焦束焦斑的尺寸。

5 焦板尺寸与图像投影阴影的关系。

4、纳米聚焦束X射线检测系统

电子及微机械领域中的器件与封装的微型化趋势正在加快,MEMSMOEMS的出现,导致纳米聚焦束X射线技术的发展。纳米聚焦束技

术的定义是焦斑的直径必须小于1μm,为今天电子制造业常见的超小型器件与高密度结构的分辩率与细部的检测能力。纳米聚焦束X射线技术是纳米聚焦束X射线发射管与用于控制性能(短期/长期稳定性,图像反差度,亮度,辐射量)的先进软件系统的总成。

纳米聚焦束X射线检测系统特别适用于由亚微米器件,电路与组件组合的应用领域,如MEMSMOEMS及晶圆级封装等。在这些领域中凸点与互连检测所需要的分辩率及清晰度只有纳米聚焦束X射线发射管与检测系统的设计与技术才能满足要求。

值的引人兴趣的,纳米聚焦束X射线技术是检测非注填芯片粘接,如固定微片贴装的热胶。检测被测粘接胶反差的细微差别,求助于纳米聚焦束X射线技术得以解决。纳米聚焦束X射线发射管可检查导电粘接胶内所载的银粒子,这样保证导电胶胶体是允质的,所含的银组分能达到要求的导电性能。

根据脱层程度不同,使用微米聚焦束X射线检测系统对有些封装中的脱层问题是‘看不见的’。如X射线检测这些缺陷不被确认,在功能测试时会造成缺陷。当X射线焦斑尺寸小于1μm,纳米聚焦束X射线检测系统可检测亚微米裂纹,硅封装与引线键合线的瑕痞(小于25μm),以及常规X射线检测系统观察不到的焊锡晶须。

最后,纳米聚焦束X射线技术的发展,促使微米聚焦束X射线发射管与检测系统设计的改进。由此带来通过很少的变形,电子束能更好得到控制,图像更清晰。

5、结 论

X射线实时射频图像技术的应用,微米聚焦束X射线检测与纳米聚焦束X射线检测共存,互补。电子合同制造厂的检测需要从高功率X射线微米聚焦束到高分辩率的纳米聚焦束X射线检测,多级聚焦束X射线发射管可完全适合这种应用。在检测如铸件,焊缝与机器部件等一类高密度结构时需要X射线高的强度,X射线发射管转为高功率状态。在检测过程可随时使用鼠标或键盘进行状态模式转换。

状态。

微米聚焦束X射线在许多应用领域的目标检测提供有效的分辩率,对比反差与放大倍率。对微型化的器件,高密度组装电路特证的识别确认需要比微米聚焦束X射线更小的焦斑,而纳米聚焦束X射线发射管是一种具有优越性能的解决方案。随MEMSMOEMS的发展标志着微型化的趋势,这也证明纳米聚焦束X射线检测技术的美好前景。

 
 
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