Лазерная фотоакустическая диагностика

Владимир Авербах ведущий инженер-исследователь УП «КБТЭМ-СО» концерна «Планар»; Сергей Волкенштейн начальник лаборатории ТИиМ УП «КБТЭМ-СО» концерна «Планар»; Святослав Школык генеральный директор ГНПК «Планар»

Лазерная фотоакустическая диагностика

Технологические дефекты в исходных материалах, полуфабрикатах и изделиях, дефекты при соединении материалов с различными физическими, химическими и механическими параметрами негативно влияют на один из основных показателей, характеризующих качество изделий электронной техники — надежность. В современной электронной промышленности одновременно с усложнением изделий и технологических процессов многократно возросло значение инструментов неразрушающего контроля микроструктуры материалов и устройств.

Традиционные методы исследования, такие как оптическая и электронная микроскопия, имеют ряд ограничений. Например, оптический и растровый электронный микроскопы обладают высокой разрешающей способностью, но малопригодны для изучения внутренних областей непрозрачных материалов. Для анализа внутренней структуры изделий электронной техники широко применяются рент-генотелевизионные микроскопы. Однако при их использовании также возникают сложности. На это раз они связаны с расшифровкой получаемых изображений, а также с изучением слабоконтрастных объектов. Кроме сказанного всем перечисленным системам микроскопов присущ один общий недостаток — невозможность определения тепловых свойств микроструктур, изучение которых представляет большой интерес, поскольку дает важную информацию о составе и строении объектов.

Ведущее место среди методов неразрушающего контроля занимают акустические. Это обусловлено многообразием задач, которые могут быть решены с их помощью. Акустические методы позволяют обнаруживать дефекты малых размеров (единицы микрон) в металлических и неметаллических материалах, определять размеры изделий, ориентацию и координаты дефектов, выявлять дефекты типа нарушений сплошности, расслоений, непроклеев, трещин, инородных включений и т.д., а также определять физико-механические характеристики материалов (модуль упругости, коэффициент внутреннего трения, твердость, зернистость и др.). Эти методы обеспечивают высокую разрешающую способность, точность, надежность, производительность и полную безопасность процесса контроля. Более 50 % всех приборов неразрушающего контроля, выпускаемых в настоящее время в мире, являются акустическими (ультразвуковые дефектоскопы, толщиномеры и приборы для измерения физико-механических характеристик).

Для бесконтактного возбуждения и приема акустических колебаний в исследуемых объектах часто используются различные термо— и

оптико-акустические эффекты. Если быстро нагреть какой-либо участок твердого тела, то другие его участки нагреваются спустя некоторое время. Локальный нагрев изделия вызовет появление термомеханических напряжений и акустических волн, так как тепловое возмущение распространяется значительно медленнее упругого. В качестве источников нагрева могут быть использованы любые модулированные по интенсивности источники электромагнитного излучения: лазерные [1], электронные [2, 3], ионные [4, 5]. Выбор источника нагрева и частоты модуляции определяется свойствами объекта, необходимой мощностью, чувствительностью и разрешающей способностью аппаратуры, размерами пятна, в которое необходимо сфокусировать излучение [6—8].

При воздействии электромагнитного излучения на объект возникают следующие физические процессы: нагрев поверхности объекта, диффузионный нагрев окружающей газовой среды, термоупругие деформации и тепловые волны в объекте. Каждый из перечисленных процессов вызывает изменение одного или нескольких параметров объекта или окружающей среды, которые могут служить источником информации о теплофизических свойствах. Так, диффузионный нагрев окружающей объект газовой среды приводит к изменению давления и показателя преломления газовой среды над областью нагрева. Регистрацию первого параметра — изменения давления — осуществляют с помощью микрофонов различного типа, помещаемых в газовую герметизированную ячейку вместе с контролируемым объектом [9]. Регистрация второго параметра — изменения показателя преломления газовой среды над областью нагрева — производится по отклонению проходящего над объектом луча вспомогательного лазера с помощью интерферометра или координатного детектора (метод «мираж-эффекта») [10, 11].

Термоупругие деформации объекта приводят к возникновению акустических колебаний, регистрация которых происходит с помощью пьезоэлектрических датчиков [12], регистрация деформации обла-

сти нагрева — с помощью интерферометров и координатных приемников, однако в отличие от «мираж-эффекта» вспомогательный лазерный луч отражается от поверхности в области нагрева [13, 14].

Потребность исследования тепловых свойств вещества в микромасштабах привела к созданию принципиально нового типа микроскопа — фотоакустического. Этот прибор позволяет существенно расширить и дополнить традиционные методы диагностики и контроля [15].

Принцип действия фотоакустического микроскопа основан на явлении генерации и распространения в объекте тепловых волн, возбуждаемых зондирующим лазерным излучением и модулированных по интенсивности ^(рис. 1). Поглощенное излучение 1а приводит к нагреву освещенной области и генерации периодических тепловых потоков Qs и Q распространяющихся соответственно в объекте и от его границы в окружающую газовую среду (рис. 1, а). Решением уравнения термодиффузии, отвечающим данной ситуации, являются температурные волны, затухающие в е раз на длине распространения тепла р в твердом теле и окружающей среде (рис. 1, б):

И,.« =

2к,

где к — теплопроводность, р$ — плотность, — теплоемкость твердо го тела и газа соответственно, ш = 2 П — угловая частота модуляции излучения.

а б

Рис. 1. Механизм формирования фотоакустического сигнала

Вследствие периодических нагрева и тепловой деформации локальной области объекта в нем также возбуждаются и распространяются акустические волны той же частоты, что и температурные. Это явление получило название фотоакустического эффекта в твердом теле. Существует также фотоакустический эффект в газе. Акустические колебания объекта регистрируются датчиком. Снимаемый с него фотоакустический сигнал для каждой выделенной области объекта зависит от ее локальных физических свойств. При сканировании лазерным лучом в двух взаимно ортогональных направлениях формируется фотоакустическое изображение объекта. В общем случае оно является результатом наложения трех различных процессов [16, 17]:

• вариации поглощенной мощности излучения вследствие изменения от точки к точке оптических свойств объекта;

• взаимодействия температурных волн с тепловыми неоднородно-стями объекта;

• взаимодействия акустических волн с упругими неоднородностя-ми объекта.

Первый процесс несет информацию только об абсорбционно-отра-жательных свойствах образца. При доминировании этого процесса фотоакустическое изображение по существу идентично оптическому. Разрешающая способность определяется диаметром зондирующего луча, а глубина визуализации подповерхностной структуры — глубиной проникновения фотонов.

Второй процесс не встречается ни в оптической, ни в акустической микроскопии и характеризуется переходом к новому типу волн, взаимодействующих с микронеоднородностями объекта и определяющих формирование изображения. Такой переход дает качественно новую информацию и позволяет существенно расширить наши познания о физических свойствах материалов. Определяется этот процесс термическими свойствами объекта: теплопроводностью, температуропроводностью ^ _ , коэффициентом теплового расширения а(8. ' Рл

Несмотря на сильное затухание (например, для меди 2 мм^ ^ ^2 мкм при изменении частоты модуляции в диапазоне 10 Гц — 10 МГц (рис. 2), [18]), температурные волны обладают характеристиками обычных, и поэтому их взаимодействие с тепловыми неоднородно-стями твердого тела, по аналогии с оптическими и акустическими волнами, можно рассматривать математически: как процессы рассеяния и отражения. Для практически используемых частот модуляции (до 10 МГц) длинные, по сравнению с толщиной объекта, генерируемые наряду с температурными, акустические волны не взаимодействуют с объектом и служат лишь носителями информации, полученной за счет распространения температурных волн. Микроскоп, изображение в котором формируется главным образом вследствие взаимодействия температурных волн с тепловыми не-однородностями объекта, наряду с фотоакустическим получил на-

Рис. 2. Зависимость величины от частоты модуляции зондирующего излучения для материалов с различным Р5

звание термоволнового микроскопа (ТВМ). Разрешающая способность ТВМ зависит от размера зондирующего луча и величины и определяется большим из этих двух параметров, а глубина визуализации оценивается значением р8.

Третий процесс несет информацию о механических параметрах объекта. Его необходимо учитывать, если длина акустической волны того же порядка, что и размеры неоднородностей в объекте (обычно это происходит на частотах модуляции, превышающих 100 МГц). При определяющем вкладе данного процесса фотоакустическое изображение идентично акустическому, а разрешающая способность имеет порядок длины звуковой волны.

Акустические методы диагностики—акустическая микроскопия (АМ), сканирующая лазерная акустическая микроскопия (СЛАМ) и фотоакустическая микроскопия (ФАМ) — наиболее перспективны при контроле контактных микросоединений в изделиях микроэлектроники и электронной техники как на этапе разработки, так и в их производстве.

В акустической и сканирующей лазерной микроскопии первичная информация получается в результате генерации, взаимодействия и приема чисто акустических колебаний, а в лазерной фотоакустической микроскопии — при оптическом взаимодействии импульсного лазерного излучения с поверхностью твердого тела. Амплитуда генерируемых акустических колебаний в ФАМ определяется, во-первых, коэффициентом оптического поглощения лазерного излучения в каждой точке поверхности сканируемого объекта и, во-вторых, мощным фоновым сигналом, который возникает вследствие удаления с поверхности объекта различных окислов и загрязнений при первичном сканировании лазерным лучом.

Лазерная фотоакустическая микроскопия имеет следующие преимущества перед акустической и сканирующей лазерной акустической микроскопией [19]:

• бесконтактное возбуждение акустических колебаний в твердом теле сфокусированным лучом лазера открывает широкие возможности сканирования объектов сложной конфигурации и относительно больших площадей;

• во многих случаях зависимость фотоакустического сигнала от величины оптического поглощения сканируемой поверхности позволяет получать одновременно и топограммы распределения оптического поглощения, а при использовании лазера с перестройкой по длине волны — видеоспектральные топограммы поглощения;

• конструкции АМ и СЛАМ и методики их применения требуют иммерсионного контакта акустической части с объектом, что в случае применения АМ значительно ограничивает площадь сканирования (не более 2 х 2 см), а для СЛАМ требует полного погружения объекта в ванну с жидкостью. Эти требования исключаются при исследованиях с использованием фАм.

Хотя все три метода контроля контактных микросоединений (ФАМ, АМ и СЛАМ) могут дать в известных пределах идентичные результаты, при оценке реализуемости их в производственных условиях предпочтителен лазерный фотоакустический метод благодаря перечисленным преимуществам и простоте конструкции и эксплуатации.

Практика эксплуатации фотоакустических микроскопов показала, что благодаря их высокой чувствительности можно обнаруживать не выявляемые ранее неоднородности адгезии металлизационных покрытий, сцепления паяных, сварных диффузионных микросоединений. Это открывает путь к решению двух важных задач:

• установления связей обнаруживаемых неоднородностей и дефектов с технологией и надежностью в целях отработки технологии и конструкции диагностируемых соединений;

• выработки критериев и норм браковки или оперативной корректировки технологии.

По диапазону возможных применений в электронике фотоакустическая микроскопия является универсальным методом, обеспечивающим решение множества задач контроля, ранее требовавших использования многих и к тому же разрушающих методов.

Бесконтактность, локальность и прицельность оптического возбуждения акустических колебаний позволяют производить быстрое зондирование ответственных зон и участков изделия, а также топо-графировать распределение характеристик.

Благодаря запоминанию различных промежуточных состояний контролируемого образца, последовательно подвергаемого различным воздействиям, открываются возможности исследования динамики разрушения соединений и определения запасов их прочности.

Факторами экономической эффективности лазерного фотоакустического метода являются:

• возможность коренного повышения качества деталей и изделий по ранее не контролируемым характеристикам;

• однозначность получаемой информации, полностью отражающей физическую сущность контролируемой характеристики или свойства;

• универсальность применения для решения многих задач, исключающая разработку других, узкоспециальных средств контроля;

• возможность контроля на ранних стадиях производства в процессе оптимизации технологий, когда стоимость бракуемых изделий невелика;

• однократность (во многих случаях) применения метода для стабилизации или корректировки технологии до уровня, исключающего необходимость введения контроля.

Серьезная проблема фотоакустических систем — отсутствие метрологической базы, затрудняющее расшифровку получаемых фотоакустических изображений и интерпретацию результатов контроля. Однако отмеченные недостатки фотоакустических систем ни в коей мере не умаляют достоинств и высокой технико-экономической эффективности фотоакустического метода, что подтверждается опытом эксплуатации отечественного устройства.

В концерне «Планар» создан и эксплуатируется комплекс лазерного фотоакустического диагностирования и неразрушающего контроля качества сварных, паяных и адгезионных микросоединений в изделиях микроэлектроники. В основе данного метода используется фотоакустический эффект, который возникает при точечном сканирующем воздействии модулированного лазерного излучения на исследуемый объект. Вследствие периодического нагрева и тепловой деформации локальных областей объекта в нем возбуждаются и распространяются объемные акустические волны, которые с помощью акустоэлектрического датчика преобразуются в электрический сигнал. Обработка параметров электрического сигнала обеспечива-

Рис. 3. Цветная 16-градационная шкала

ет возможность получения достоверной информации о неоднород-ностях внутренней структуры исследуемого объекта. Для интерпретации результатов контроля данная информация визуализируется в виде цветной 16-градационной двухмерной фотоакустической топо-граммы, на которой уровень максимальной сплошности (диффузия, адгезия, смачиваемость) материалов представлен черным цветом, а по мере увеличения несплошности (расслоения, полости, инородные включения) цветовая гамма меняется вплоть до белого цвета, проходя все цветовые оттенки, показанные на шкале (рис. 3), [20].

Комплекс лазерного фотоакустического диагностирования позволяет производить диагностику и неразрушающий пооперационный

контроль качества:

1) присоединения кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем к основанию корпусов и кристаллодержате-лей с применением эвтектики, припойных и клеевых композиций (рис. 4, 5);

2) микросварных соединений золотой, алюминиевой, медной и др. проволокой методами термозвуковой, термокомпрессионной, ультразвуковой и контактной микросварки (рис. 6, 7, 8);

3) сварных и паяных швов корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (рис. 9, 10);

4) герметизации интегральных микросхем различными пресс-компаундами (рис. 11, 12);

5) монтажа электронных компонентов на различные подложки СОВ) (рис. 13, 14).

ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ФОТОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МИКРОСОЕДИНЕНИЙ

* ч—* я Г Г ;  И ш

Рис. 4

Рис. 5

Монтаж п/п кристаллов методом эвтектической пайки

Рис. 4. Внешний вид изначально кор-пусированного отказавшего демонтированного прибора, предварительно подготовленного к диагностированию посредством вскрытия окна в герметизирующей крышке

Рис. 5. Лазерная фотоакустическая топограмма несплошности припой-ного слоя между непланарной стороной кристаллов и контактными площадками корпуса прибора (указано стрелками), приведенного на рис. 4.

Ультразвуковая микросварка

Рис. 6. Увеличенное оптическое изображение типового микросоединения, выполненного алюминиевой проволокой методом ультразвуковой микросварки внахлест

Рис. 7. Фотоакустическая топограмма локальных зон контактирования микросварного соединения, выполненного методом ультразвука внахлест алюминиевой проволокой 0 250 мкм к алюминиевой металлизации кон-

Рис. 7

Рис. 8

тактной площадки ИС, полученная при зондировании лучом УФ лазера 0 15 мкм со скоростью 0,048 мм/с: зоны отсутствия сцепления соединяемых материалов (светлых тонов) свидетельствуют о некачественном микросоединении

Рис. 8. Фотоакустическая топограмма локальных зон контактирования микросварного соединения, выполненного методом ультразвука внахлест алюминиевой проволокой 0 250 мкм к алюминиевой металлизации контактной площадки, полученная при зондировании лучом УФ лазера 0 15 мкм со скоростью 0,048 мм/с: зоны сцепления соединяемых материалов (темных тонов) обеспечивают омический контакт ~90 % площади микросоединения, что свидетельствует о качественном микросоединении

Герметизация корпусов контактной контурной сваркой

Рис. 9. Оптическое изображение не прошедшего испытание на герметичность полупроводникового прибора в корпусе ТО-3

Рис. 10. Лазерная фотоакустическая топограмма сварного герметизирующего шва между крышкой и ме таллическим корпусом п/п прибора, представленного на рис. 9: дуги АВ CD, EF и G (темных тонов) — участ ки удовлетворительной сплошности шва, остальная часть шва (светлых тонов) — с явным течеобразованием

Рис. 10

Рис. 12

Литература

Герметизация имс пресс-компаундами

Рис. 11. Оптическое изображение двух однотипных интегральных микросхем в пластмассовом корпусе

Рис. 12. Групповая лазерная фотоакустическая топограмма качественной № 1 и некачественной № 2 герметизации представленных на рис. 11 однотипных ИМС в пластмассовом корпусе. Стрелками показаны участки явного течеобразования в местах отсутствия адгезии пресс-компаунда к внешним выводам рамки №6, № 9, № 13, ИМС № 2. Светло-красные области на топограмме свидетельствуют

Рис. 14

о наличии неоднородности в виде воздушных зазоров внутри пластмассовых корпусов

Монтаж smd компонентов

Рис. 13. Фрагмент общего вида смонтированной интегральной микросхемы

Рис. 14. Лазерная фотоакустическая топограмма участка смонтированной интегральной микросхемы, соответствующего представленному на рис. 13 (сборка «Siemens»). Стрелками показана неудовлетворительная пайка внешних выводов ИМС

1. Berhelot J. H, Bush-Vishneat I. Laser-indused thermoacoustic radiation // J. Acoust. Soc. Amer., 1985, vol. 78, № 6. - 2074 p.

2. Brandis E., Rosencwaig A. Thermal wave Microscopy with electron beams / Appl. Phys. Lett., 1980, vol. 37, № 1. - 98 p.

3. Rosencwaig A. Depth profiling in integrated circuits with thermal waveelectron microscopy // Electron. Lett., 1980, vol. 16, № 24. - 928 p.

4. Deachi J., Majina J. Optoacoustic phenomenon in solids. — Proc. FASE-84, 1984. — 117 p.

5. Micoshiba T. Nondestructive observation of microdefects in GaAs // IEEE Ultrason. Symp. Proc., 1985, vol. I. — 436 p.

6. Balk L. J. Scanning acoustic microscopy. // Surfase and Subsurfase Anal.,1986, vol. 9 / 1—6. —47 p.

7. Luukkala M. Photoacoustic Microscopy at low modulation frequencies. // Scanned Image Microscopy, E. A. Ash Ed., London, Academic, 1980. — 271 p.

8. Pousi I. Photoacoustic and photothermal imaging at low modulation frequencies. — IEEE Trans. Son. Ultrason., 1982, v. SU-28, N 2. — P. 378.

9. Willans C. High-resolution thermal probe. // IEEE Trans. Son. Ultrason., 1982, vol. SU-28, № 2. — 365 p.

10. Thomas R L., Pouch J. L., Wong J. N. Subsurfase flaw detection in metals by photoacoustic Microscopy. // J. Appl. Phys., 1980, vol. 51. — 1152 p.

11. Boccara A. C, Fournier D., Bozod J. Thermo-optic Spectroscopy by mirage-effect. // Appl. Phys. Lett., 1980. vol. 36, № 1. — 136 p.

12. Farrow M. M., Burnharm P., K., Olster S. Piezoelectric detection of photoacoustic- signals // Appl. Opt., 1978, vol. 17. — 1093 p.

13. Rosencwaig A., Opsal J., Willenborg D. L. Thermal-wave detection and thin film measurement with laser-beam deflection. // Appl. Opt., 1983, vol. 22. — 3169 p.

14. Amer S., Ash E. A., Newman V. Photo-displasement imaging. — Electron.Lett., 1980. vol. 17. № 10. — 337 p.

15. Морозов А.И., Раевский В.Ю. Фотоакустическая микроскопия // Зарубежная электронная техника, 1982, № 2. С. 46—71.

16. Международный патент № WO 80/01 005.

17. J. Appl. Phys., 1980, T. 51, № 4, 2210 p.

18. 1980 Ultrasonics Symp. Proc., (IEEE cat. N 0090-5607/80/0000-0636). — P.610.

19. Рабодзей Н.В., Борисов В.А., Галина Н.М., Русакова А.К. Применение фотоакустической микроскопии в диагностировании ИЭТ при разработках и в производстве // Электронная промышленность, 1990, вып.7. С .44—46.

20. Авербах В.И., Волкенштейн С.С., Школык С.Б. Метод лазерной фотоакустической диагностики качества монтажа кристаллов, сварных и паяных микросоединений в изделиях микроэлектроники и электронной техники // J. China Integrated Circuit, 2004, vol. 64.

ЛАЗЕР СОБИРАЕТ МАТРИЦЫ ИЗ НАНОЧАСТИЦ

Ученые из Соединенного Королевства создали двумерную матрицу наночастиц с помощью света. Как говорит Колин Бэйн из Дархемского университета, это первое «массовое» упорядочивание наночастиц с помощью света. «Оптическая материя» состоит из наночастиц полистирена, захваченных пучками света, прошедшего через специальную призму. По мнению ученых, за этим методом сборки большое будущее, так как он достаточно точен и сборка с его помощью происходит довольно быстро. Установка состоит из двух лазеров, направленных на призму таким образом, что их лучи падают на поверхность призмы под критическим углом. Далее ученые поместили на поверхность призмы каплю воды с наночастицами полистирена размерами от 300 до 600 нанометров. Под воздействием интерферирующих лучей света наночастицы упорядочились в двумерную матрицу. «Для большинства ученых сама идея о сборке наносистем с помощью света кажется неосуществимой», — говорит Бэйн. — «Однако трудно не признать то, что само существование двумерной матрицы уже является весомым аргументом в пользу методов поляризационной наносборки. Также нами было замечено, что присутствие слабого электрического поля заметно увеличивает размеры собираемых матриц». Самосборка «оптической материи» отличается от технологии манипулирования наночастица-ми с помощью оптического пинцета тем, что упорядочивание наночастиц происходит благодаря отражению от их поверхности рассеянного лазерного света.

По материалам Nanotechnology News Network