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3D X射线显微镜（XRM）的原理及应用

来源：时间：2022-10-24 15:46:59 浏览：7955次

引言

近几年来，X-RAY射线三维透视成像检测技术3D X-RAY取到了迅猛发展，并一步步发展为高集成度电子器件制造行业必备的检测方式。X光三维透视成像检测技术相较于传统X射线二维成像检测X-RAY，它能够全方位无盲区再现被测物内部构造，不会有结构影像重叠现象，以二维断层图像或三维立体图像的形式，对瑕疵精确定位和判定，信息完善，在微纳制造技术、电子器件科学等领域有非常重要和普遍的运用。

01

工作原理

working principle

上海交大平湖智能光电研究院拥有蔡司Xradia Versa XRM，是基于光学放大的微米CT。CT成像的原理是当X射线透过样本时，样本的各个部位对X射线的吸收率不同。X射线源发射X射线，穿透样本，最终在X射线检测器上成像。对样本进行180°以上的不同角度成像，与临床CT普遍采用的扇形X线束不同的是，Micro-CT通常采用锥形X线束。采用锥形束不仅能够获得真正各向同性的容积图像，提高空间分辨率，提高射线利用率，而且在采集相同3D图像时速度远远快于扇形束。通过计算机软件，将每个角度的图像进行重构，还原成在电脑中可分析的3D图像。通过软件：观察样本内部各个截面的信息；对样本感兴趣部分进行2D和3D分析；还可以制作直观的3D动画等。

02

技术特征

The technical features

1、3D空间分辨率<0.7μm, 探测器光学放大和X射线几何放大两级放大效应, 保证即使在大工作距离条件下的高分辨率。

2、封闭式微聚焦X射线管，高压范围从30-160 keV，最大功率: 10W。

3、2K×2K CCD相机

4、多探测器(物镜0.4X、4X、20X), 根据分辨率要求自动切换，20X探测器(物镜): 像素尺寸0.65-0.68μm。

5、X射线源移动范围: 215mm，探测器移动范围: 290mm。

6、基于边缘折射传播的相衬度成像。

03

应用范围

Range of application

1、电子元器件：获取完整芯片或者封装器件的非破坏性3D形貌，用于缺陷定位和表征，对金线键合、BGA焊球等位置做失效分析。

2、材料科学：复合材料内部增强体的定量可视化表征；电池内部构造与缺陷的三维无损表征；断裂样品内部裂纹分布、尺寸、体积分数的定量表征；材料在加载条件下断裂行为的原位表征等。

3、生命科学：虚拟组织学成像、观察细胞和亚细胞结构特性、表征尺寸大小从毫米到厘米的样品内的亚微米结构。

4、地质科学：表征和定量分析孔隙结构、测量渗流、研究储碳过程、分析尾矿、提高开采效率以及了解钢和其它金属的颗粒定向。提供精准的三维亚微米成像，用于数字岩石物理模拟、原位多相渗流研究、三维矿物学及金属的研发与开发。

04

应用案例简介

Case description

1

失效电路引脚观察

在电路板使用过程中会遇到芯片管脚信号无法接收的失效情况，可以通过XRM对失效芯片的管脚进行扫描。确定失效位置和失效原因，为修复电路板提供一定的参考。（如图1和图2）

图1 失效PCB管脚

整体扫描定位

图2 失效PCB管脚

定位扫描确定失效模式

2

失效模块金线观察

如今新的封装模块越来越复杂，由于引脚数目多，工艺复杂、难度大。金线键合往往会出现电路失效问题（短路、断路）。XRM可以无损地分析金线的失效位置，对实现高可靠性封装工艺至关重要。（如图3和图4）

图3 金线断路位置

图4 金线短路位置

3

失效模块焊球观察

球栅阵列(BGA)封装技术是当前主流的IC集成电路封装技术，市场对BGA芯片及其关键设备的需求也在不断增加。由于焊球的数量不断增加，工艺难度也随之增加，失效的概率也在增大。利用XRM可以检查BGA焊球的3D形貌，确定焊球的失效模式，为改善工艺提供指导性的方向。（如图5）

图5 BGA焊球二维切片观察

4

封装模块点胶和内部气泡观察

近几年来工业自动化发展迅速，许多企业使用自动点胶机代替人工。自动点胶机的使用可以节省劳动力，提高生产效率，但胶水中有气泡会影响点胶代加工产品的质量。利用XRM可以观察点胶区域气泡的分布和数量大小，为优化点胶工艺提供帮助。（如图6和图7）

图6 封装模块点胶气泡观察

图7 封装模块锡焊气泡观察

5

芯片内部结构观察和尺寸测量

硅通孔技术（Through Silicon Via，TSV）技术是一项高密度封装技术。它通过垂直互连减小互联长度，减小信号延迟，降低电容/电感，实现芯片间的低功耗，高速通讯，对增加宽带和实现器件集成的小型化具有非常明显的效果。XRM可以测试TSV和3D封装中通孔、凸点等结构参数，对提高封装工艺可靠性和良率，实现实用化3D TSV 堆叠集成至关重要。（如图8和9）

图8 硅通孔的形貌观察

图9 封装模块通孔尺寸测量

05

小结

Summary

本文简单的介绍了X射线显微镜的基本原理、应用范围和应用实例。3D X-ray无论是在电子器件生产制造、材料的性能研究、生物科学等领域都扮演着越来越重要的角色。

来源：上海交大平湖智能光电研究院

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