Запись электрического эха решает сложные проблемы

Когда электронный компонент выходит из строя, отказ может вызвать структурное повреждение, которое уничтожит любую возможную подсказку о причине отказа. Инструменты акустической микроскопии могут помочь решить эту проблему заранее.

Когда ультразвук попадает в твердый материал, он проходит через материал с предсказуемой скоростью, пока не встретит границу раздела с другим материалом. В таком случае часть импульса пересекает границу сред, в то время как другая часть создает эхо, которое возвращается к датчику, который генерирует ультразвук, а также во многих других возможных направлениях. Существует бесчисленное множество эхо-сигналов, и они могут отличаться друг от друга по амплитуде, акустической частоте, времени прибытия на датчик, который их запустил, и полярности.

Чтобы получить неразрушающее изображение внутренней части электронных компонентов, ультразвуковой импульсный преобразователь инструмента акустического микроизображения перемещается прямо над поверхностью компонента. Десятки тысяч раз в секунду он запускает импульс в заданную точку x-y, собирает отраженные эхо-сигналы с интересующей глубины или глубин и переходит к следующему местоположению. Ответные эхо-сигналы из каждого положения x-y определяют один пиксель в акустическом изображении.

Если большое количество компонентов проверяется для определения их пригодности для сборки, для создания акустических изображений будут собираться только те эхо-сигналы, которые исходят из мест, где чаще всего возникают дефекты. Большинство дефектов связаны с содержанием воздуха между границами компонента; таким образом, их легко визуализировать, потому что граница раздела твердое тело-воздух отражает почти весь ультразвук, который на нее попадает, и является сильным сигналом.

Генерация и «сбор эха»

В перевернутом кристалле (flip-chip) пустоты или отслоения рядом с паяными швами и непосредственно сами швы представляют опасность. В BGA дефекты над или под кристаллом представляют опасность. В многослойном керамическом чип-конденсаторе любой воздушный зазор между слоями на любой глубине может вызвать проблемы. Чтобы удалить дефектные компоненты из сборки, автоматическая акустическая визуализация обычно собирает эхо-сигналы с точек системы, где наиболее вероятны дефекты ожидаемого типа.

Каждый компонент может генерировать гораздо больше эхо-сигналов, чем можно использовать для обычного скрининга. Но все эти эхо-сигналы можно использовать для менее часто выполняемой, но очень полезной цели: вскрытия неисправного компонента, даже если физический компонент не видим.

Режим виртуального повторного сканирования (VRM) и матрица

Режим визуализации назван режимом виртуального повторного сканирования (VRM) от Nordson SONOSCAN, его разработчика и производителя. Он используется в инструментах C-SAM для сканирования отдельных компонентов, которые будут использоваться в очень важных приложениях.

Используя ультразвуковой преобразователь, который проникает достаточно «глубоко», чтобы отобразить весь значимый объем компонента, модуль просто собирает и сохраняет каждую отдельную форму эхо-сигнала вместе с его точным местоположением. Данные сканирования отдельного компонента хранятся в очень большом «матричном» файле на случай, если они понадобятся (что-то похожее на базу данных).

Многие файлы матриц никогда не используются. Только когда произошел отказ электронного компонента, файл матрицы исследуется, чтобы понять какие причины могли вызвать отказ компонента (рисунок ниже). Файлы матрицы обычно создаются только для компонентов, входящих в состав высокопроизводительных приложений, где сбой имеет серьезные последствия.

Последовательность событий обычно приводит к использованию режима виртуального повторного сканирования VRM

Файл матрицы можно использовать для существенного повторного изображения компонента, как если бы это был оригинальный, неповрежденный физический компонент. Он имеет все необработанные данные эха, отраженные всеми внутренними интерфейсами материалов во всех точках x-y. Физический компонент мог быть отображен только одним или несколькими из 15 или около того режимов визуализации, которые были разработаны для инструментов C-SAM, и некоторые из них могли быть проигнорированы.

В файле матрицы можно отобразить все глубины и в любом возможном режиме отображения. Виртуальный компонент может, например, иметь неразрушающее поперечное сечение по линии, имеющей любую ориентацию. Он может быть отображен одновременно в виде очень тонких срезов или в трех измерениях, или в любом другом режиме изображения. Все структурные особенности, включая дефекты, будут отображены.

Новые пользователи VRM иногда удивляются тому, что изображение VRM идентично изображению физического компонента, использующего те же параметры изображения. Но файл матрицы просто содержит все эхо от компонента. Коллекция матричных эхо-сигналов содержит в неизменном виде все эхо-сигналы, использованные в исходном скрининге компонента, а также многие другие.

Эхо-сигналы от исходного изображения или в файле матрицы несут одни и те же типы информации о каждой координате x-y на интерфейсе — его глубина, амплитуда эха, частотный диапазон и полярность (положительная или отрицательная) эхо. Это означает, среди прочего, что эхо-сигнал, имеющий диапазон частотного содержания от 70 до 120 МГц, может быть отображен отдельно на каждой частоте от 88 до 91 МГц, например, или от 92 до 95 МГц.

Этот режим формирования изображения известен как БПФ (быстрое преобразование Фурье) или просто как «частотный режим». Тесная работа с файлом матрицы с использованием этого режима или одного из других режимов может дать ответ на многие вопросы после сбоя.

Примеры матриц Flip-Chip

Рисунок ниже был сделан из файла матрицы flip-flop, который позже вышел из строя. Вероятная причина выхода из строя — пузырек воздуха среди группы паяных швов, обведенной на рисунке кружком. Наиболее вероятный сценарий состоит в том, что воздух постепенно позволял частям одного или обоих соседних слоев припоя стекать в пузырек, пока они «не встретились». Возникшее в результате короткое замыкание вызвало неисправность перевернутого кристалла (flip-chip) и, следовательно, неисправность в системе.

Между электрическими слоями находятся две пустоты

Еще одно небольшое примечание: паяный шов в левой части овала имеет яркое пятно рядом с его центром. Воздушный пузырь между двумя слоями припоя кажется черным, потому что небольшая область на его верхней поверхности, которая отражает более 99% ультразвука, слишком мала для визуализации. Однако видимый пузырь воздуха на выступе слева может быть сглажен и, следовательно, иметь большую площадь для отражения ультразвука.

Рисунок ниже — изображение VRM, созданное из файла матрицы другого перевернутого кристалла. Этот флип-чип вышел из строя во время тестирования. Вероятная причина — более яркий «выступ» припоя слева от центра изображения и под ним. Этот более яркий тон контрастирует с другими паяными швами, по сути, одного цвета. На пораженной неровности не видно много мелких деталей, но вполне вероятно, что воздух, вызывающий яркое отражение, в конечном итоге разорвал электрический контакт и спровоцировал отказ компонента.

Яркий вид одного выступа под пайку предполагает наличие пустоты

Оба проиллюстрированных здесь примера представляют собой перевернутые микросхемы, но любой визуализируемый компонент может использовать VRM. Например, многослойные керамические конденсаторы для микросхем, используемые в критических областях, не дороги, но их стоит визуализировать, потому что даже небольшой воздушный зазор может расширяться, пока не образуется проводящий канал, соединяющий два слоя электродов.

Не воздухом единым

Однако не всегда причинами возможного отказа являются воздушные зазоры. Например, пластиковый корпус ИС может пройти обычную автоматическую проверку, поскольку в нем нет признаков зазора. Однако после сбоя изображения VRM могут не обнаружить воздушных зазоров, а «немного покосившийся» элемент, который, помимо прочего, окажет давление на соединительные элементы (провода или дорожки печатной платы) и вызовет разъединения контакта.

Дефекты в компоновке элементов можно найти, используя файл матрицы для создания небольшого или большого количества последовательных, вертикально тонких изображений. При просмотре по порядку они будут отображать часть кристалла, которая на мгновение находится в фокусе, медленно перемещаясь от самого верхнего угла кристалла к низу.

VRM — это ответ инженерам, которые после серьезного отказа компонента часто думали: «Хотелось бы, чтобы у нас был компонент прямо сейчас, в его исходном состоянии, чтобы искать действительно скрытые структурные аномалии». При правильном планировании VRM выполняет это желание.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *