Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено со сканирующего СКВИД-микроскопа )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Слева: Схема сканирующего СКВИД-микроскопа в холодильнике с гелием-4. Зеленый держатель для зонда SQUID прикреплен к кварцевой вилке. Нижняя часть - пьезоэлектрический столик для образца. Справа: электронная микрофотография SQUID-зонда и записанное им тестовое изображение полосок Nb / Au. [1]

Сканирующая СКВИД-микроскопия - это метод, в котором сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (СКВИД) используется для получения изображения напряженности поверхностного магнитного поля с разрешением микрометрового масштаба. Крошечный СКВИД устанавливается на наконечник, который затем растягивается возле поверхности измеряемого образца. Поскольку СКВИД является наиболее чувствительным детектором магнитных полей и может быть сконструирован с субмикронной шириной с помощью литографии, сканирующий СКВИД-микроскоп позволяет измерять магнитные поля с беспрецедентным разрешением и чувствительностью. Первый сканирующий СКВИД-микроскоп был построен в 1992 году Black et al. [2] С тех пор этот метод использовался для подтверждения нетрадиционной сверхпроводимости в несколькихвысокотемпературные сверхпроводники, включая соединения YBCO и BSCCO .

Принципы работы [ править ]

Схема СКВИДа постоянного тока. Ток входит и разделяется на два пути, каждый с токами и . Тонкие барьеры на каждом пути представляют собой джозефсоновские переходы, которые вместе разделяют две сверхпроводящие области. представляет собой магнитный поток, входящий внутрь контура СКВИДа постоянного тока.

Сканирующий СКВИД-микроскоп основан на тонкопленочном СКВИДе постоянного тока . СКВИД постоянного тока состоит из сверхпроводящих электродов в виде кольца, соединенных двумя джозефсоновскими переходами со слабыми звеньями (см. Рисунок). Выше критического тока джозефсоновских переходов идеализированная разность напряжений между электродами определяется выражением [3]

где R - сопротивление между электродами, I - ток , I 0 - максимальный сверхток , I c - критический ток джозефсоновских переходов, Φ - полный магнитный поток через кольцо, Φ 0 - квант магнитного потока. .

Следовательно, СКВИД постоянного тока может использоваться в качестве преобразователя потока в напряжение . Однако, как показано на рисунке, напряжение на электродах колеблется синусоидально относительно величины магнитного потока, проходящего через устройство. В результате один только СКВИД может использоваться только для измерения изменения магнитного поля от некоторого известного значения, если только магнитное поле или размер устройства не очень малы, так что Φ <Φ 0. Чтобы использовать СКВИД постоянного тока для измерения стандартных магнитных полей, необходимо либо подсчитать количество колебаний напряжения при изменении поля, что очень сложно на практике, либо использовать отдельное магнитное поле смещения постоянного тока, параллельное устройству, для поддержания постоянное напряжение и, следовательно, постоянный магнитный поток через контур. Тогда напряженность измеряемого поля будет равна напряженности магнитного поля смещения, проходящего через СКВИД.

Хотя можно напрямую считывать напряжение постоянного тока между двумя выводами SQUID, поскольку шум имеет тенденцию быть проблемой при измерениях постоянного тока, используется метод переменного тока . В дополнение к постоянному магнитному полю смещения, в катушке смещения также излучается переменное магнитное поле постоянной амплитуды с силой поля, создающей Φ << Φ 0 . Это поле переменного тока создает напряжение переменного тока с амплитудой, пропорциональной составляющей постоянного тока в СКВИДе. Преимущество этого метода заключается в том, что частота сигнала напряжения может быть выбрана так, чтобы она была далека от частоты любых потенциальных источников шума. Используя синхронный усилитель, устройство может считывать только частоту, соответствующую магнитному полю, игнорируя многие другие источники шума.

Инструменты [ править ]

Сканирование СКВИД микроскоп является чувствительной системой формирования изображения ближнего поля для измерения слабых магнитных полого путем перемещения помех устройства Сверхпроводящего Quantum ( СКВИД ) через область. Микроскоп может наметить погребенные токопроводящие провода путем измерения магнитных полей , создаваемых токами, или может быть использован для полех изображений , полученных с помощью магнитных материалов. Составив карту тока в интегральной схеме или корпусе, можно локализовать короткие замыкания и проверить конструкцию микросхем, чтобы увидеть, течет ли ток там, где это ожидается.

Поскольку материал СКВИДа должен быть сверхпроводящим, измерения следует проводить при низких температурах. Обычно эксперименты проводят при температуре ниже жидкого гелия (4,2 К) в холодильнике с гелием-3 или в холодильнике с разбавлением . Однако достижения в области выращивания тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников позволили вместо этого использовать относительно недорогое охлаждение жидким азотом . Можно даже измерять образцы при комнатной температуре, только охлаждая кальмар с высокой T c и поддерживая термическое разделение с образцом. В любом случае, из-за крайней чувствительности зонда СКВИДа к паразитным магнитным полям, в общем случае используется некоторая форма магнитного экранирования.используется. Чаще всего используется экран из мю-металла , возможно, в сочетании со сверхпроводящей «банкой» (все сверхпроводники отталкивают магнитные поля посредством эффекта Мейснера ).

Настоящий зонд SQUID обычно изготавливается путем осаждения тонких пленок, при этом площадь SQUID очерчивается литографией . Могут использоваться самые разные сверхпроводящие материалы, но два наиболее распространенных - это ниобий из-за его относительно хорошей устойчивости к повреждениям в результате термоциклирования и YBCO из- за его высокой T c  > 77 K и относительной легкости осаждения по сравнению с другими высокими T c сверхпроводники. В любом случае сверхпроводник с критической температурой выше, чем у рабочей температурыследует выбрать. Сам СКВИД может использоваться в качестве измерительной катушки для измерения магнитного поля, и в этом случае разрешение устройства пропорционально размеру СКВИДа. Однако токи внутри или около СКВИДа создают магнитные поля, которые затем регистрируются в катушке и могут быть источником шума. Чтобы уменьшить этот эффект, также можно сделать размер самого сквида очень маленьким, но присоединить устройство к более крупной внешней сверхпроводящей петле, расположенной далеко от сквида. Затем поток через контур будет обнаружен и измерен, вызывая напряжение в СКВИДе.

Разрешение и чувствительность устройства пропорциональны размеру СКВИДа. Устройство меньшего размера будет иметь большее разрешение, но меньшую чувствительность. Изменение индуцированного напряжения пропорционально индуктивности устройства, и ограничения в управлении магнитным полем смещения, а также проблемы с электроникой не позволяют постоянно поддерживать идеально постоянное напряжение. Однако на практике чувствительность в большинстве сквидовых микроскопов SQUID достаточна практически для любого размера SQUID для многих приложений, и поэтому существует тенденция делать SQUID как можно меньше для повышения разрешения. Методами электронно-лучевой литографии можно изготавливать устройства общей площадью 1–10 мкм 2., хотя чаще встречаются устройства размером от десятков до сотен квадратных микрометров.

Сам СКВИД устанавливается на консоль и работает либо в прямом контакте с поверхностью образца, либо прямо над ней. Положение СКВИДа обычно контролируется каким-либо электрическим шаговым двигателем . В зависимости от конкретного применения могут потребоваться разные уровни точности по высоте устройства. Работа на меньших расстояниях между наконечником образца увеличивает чувствительность и разрешение устройства, но требует более совершенных механизмов для управления высотой зонда. Кроме того, такие устройства требуют значительного гашения вибрации, если необходимо поддерживать точный контроль высоты.

Высокотемпературный сканирующий СКВИД-микроскоп [ править ]

Сканирующий СКВИД-микроскоп

Высокотемпературный сканирующий сквид-микроскоп с использованием YBCO SQUID способен измерять магнитные поля величиной до 20 пТл (примерно в 2 миллиона раз слабее, чем магнитное поле Земли). Датчик SQUID достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать провод, даже если он пропускает только 10 нА.тока на расстоянии 100 мкм от SQUID-датчика с усреднением в 1 секунду. В микроскопе используется запатентованная конструкция, позволяющая исследуемому образцу находиться при комнатной температуре и на воздухе, в то время как датчик SQUID находится в вакууме и охлаждается до температуры менее 80 К с помощью криоохладителя. Жидкий азот не используется. Во время бесконтактной неразрушающей визуализации образцов комнатной температуры в воздухе система обеспечивает необработанное, необработанное пространственное разрешение, равное расстоянию, отделяющему датчик от тока, или эффективному размеру датчика, в зависимости от того, что больше. Однако для наилучшего определения места короткого замыкания провода в скрытом слое можно использовать метод обратной эволюции быстрого преобразования Фурье (БПФ) для преобразования изображения магнитного поля в эквивалентную карту тока в интегральной схеме или печатной плате. [4][5] Полученную карту тока можно затем сравнить с принципиальной схемой, чтобы определить место повреждения. С помощью этой постобработки магнитного изображения и низкого уровня шума, присутствующего в изображениях SQUID, можно повысить пространственное разрешение в 5 или более раз по сравнению с магнитным изображением, ограниченным ближним полем. Выходные данные системы отображаются в виде искаженного цвета изображения напряженности магнитного поля или величины тока (после обработки) в зависимости от положения на образце. После обработки для получения величины тока этот микроскоп успешно обнаружил короткие замыкания в проводниках с точностью до ± 16 мкм при расстоянии между датчиком и током 150 мкм. [6]

Операция [ править ]

Рисунок 1: Электрическая схема СКВИДа, где I b - ток смещения, I 0 - критический ток СКВИДа, Φ - поток, протекающий через СКВИД, а V - реакция напряжения на этот поток.
Рисунок 2 а) График зависимости тока от напряжения для СКВИДа. Верхняя и нижняя кривые соответствуют nΦ 0 и (n + 1/2) Φ 0 соответственно. Рисунок 2 б) Периодическая реакция напряжения из-за потока через СКВИД. Периодичность равна одному кванту потока Φ 0

Работа сканирующего СКВИД-микроскопа заключается в простом охлаждении зонда и образца и растрировании кончика по области, где требуются измерения. Поскольку изменение напряжения, соответствующего измеряемому магнитному полю, происходит довольно быстро, напряженность магнитного поля смещения обычно регулируется электроникой с обратной связью. Затем эта напряженность поля записывается компьютерной системой, которая также отслеживает положение зонда. Оптическая камера также может использоваться для отслеживания положения СКВИДа относительно образца.

Как следует из названия, СКВИДы сделаны из сверхпроводящего материала. В результате их необходимо охлаждать до криогенных температур менее 90 К (температуры жидкого азота) для высокотемпературных СКВИДов и менее 9 К (температуры жидкого гелия) для низкотемпературных СКВИДов. Для систем магнитотоковой визуализации используется небольшой (шириной около 30 мкм) высокотемпературный СКВИД. Эта система была разработана для поддержания высокотемпературного сквида, сделанного из YBa 2 Cu 3 O 7., охлаждается ниже 80K и находится в вакууме, в то время как тестируемое устройство находится при комнатной температуре и на воздухе. СКВИД состоит из двух джозефсоновских туннельных переходов, которые соединены в сверхпроводящую петлю (см. Рисунок 1). Джозефсоновский переход образован двумя сверхпроводящими областями, разделенными тонким изолирующим барьером. В переходе существует ток без падения напряжения до максимального значения, называемого критическим током I o. Когда на СКВИД смещается постоянный ток, который превышает критический ток перехода, то изменения магнитного потока Φ, проходящего через петлю СКВИДа, вызывают изменения падения напряжения на СКВИДе (см. Рисунок 1). На рис. 2 (а) показана ВАХ СКВИДа, где ∆V - глубина модуляции СКВИДа из-за внешних магнитных полей. Напряжение на СКВИДе является нелинейной периодической функцией приложенного магнитного поля с периодичностью в один квант потока Φ 0 = 2,07 · 10 −15 Тм 2.(см. рисунок 2 (б)). Чтобы преобразовать этот нелинейный отклик в линейный отклик, используется схема отрицательной обратной связи для подачи потока обратной связи на СКВИД, чтобы поддерживать постоянный общий поток через СКВИД. В таком замкнутом контуре потока величина этого потока обратной связи пропорциональна внешнему магнитному полю, приложенному к СКВИДу. Дальнейшее описание физики СКВИДов и СКВИД-микроскопии можно найти в другом месте. [7] [8] [9] [10]

Обнаружение магнитного поля с помощью SQUID [ править ]

Магнитно-токовая визуализация использует магнитные поля, создаваемые токами в электронных устройствах, для получения изображений этих токов. Это достигается за счет фундаментальной физической взаимосвязи между магнитными полями и током, закона Био-Савара:

B - магнитная индукция, Idℓ - элемент тока, константа µ 0 - проницаемость свободного пространства, а r - расстояние между током и датчиком.

В результате ток может быть вычислен непосредственно из магнитного поля, зная только расстояние между током и датчиком магнитного поля. Подробности этого математического вычисления можно найти в другом месте [11], но здесь важно знать, что это прямой расчет, на который не влияют другие материалы или эффекты, и что благодаря использованию быстрого преобразования Фурье эти вычисления могут выполняться очень быстро. Изображение магнитного поля можно преобразовать в изображение плотности тока примерно за 1 или 2 секунды.

Приложения [ править ]

Квантовые вихри в YBCO, полученные с помощью сканирующей СКВИД-микроскопии [12]

Сканирующий СКВИД-микроскоп был первоначально разработан для эксперимента по проверке симметрии спаривания высокотемпературного купратного сверхпроводника YBCO. Стандартные сверхпроводники изотропны по отношению к своим сверхпроводящим свойствам, то есть для любого направления импульса электрона k в сверхпроводнике величина параметра порядка и, следовательно, сверхпроводящая запрещенная зона будут одинаковыми. Однако в высокотемпературных купратных сверхпроводниках параметр порядка подчиняется уравнению Δ ( k ) = Δ 0 (cos ( k x a ) -cos ( k y a)), что означает, что при пересечении любого из направлений [110] в импульсном пространстве будет наблюдаться изменение знака параметра порядка. Форма этой функции совпадает с формой сферической гармонической функции l  = 2 , что дало ей название d-волновой сверхпроводимости. Поскольку сверхпроводящие электроны описываются одной когерентной волновой функцией, пропорциональной exp (- i φ), где φ известен как фаза волновой функции, это свойство также можно интерпретировать как фазовый сдвиг π при повороте на 90 градусов.

Это свойство было использовано Tsuei et al. [13] путем изготовления серии кольцевых джозефсоновских переходов YBCO, которые пересекали [110] плоскости Брэгга одного кристалла YBCO (рисунок). В переходном кольце Джозефсона сверхпроводящие электроны образуют когерентную волновую функцию, как и в сверхпроводнике. Поскольку волновая функция должна иметь только одно значение в каждой точке, общий фазовый коэффициент, полученный после прохождения всей схемы Джозефсона, должен быть целым числом, кратным 2π, иначе можно было бы получить другое значение плотности вероятности в зависимости от того, сколько раз один пересек кольцо.

В YBCO при пересечении плоскостей [110] в импульсном (и реальном) пространстве волновая функция претерпит фазовый сдвиг на π. Следовательно, если сформировать джозефсоновское кольцевое устройство, где эта плоскость пересекается (2 n +1), количество раз, между двумя переходами будет наблюдаться разность фаз (2 n +1) π. Для 2 n или четного числа пересечений, как в B, C и D, будет наблюдаться разность фаз (2 n ) π. По сравнению со случаем стандартных s-волновых переходов, где не наблюдается фазового сдвига, в случаях B, C и D не ожидалось никаких аномальных эффектов, поскольку однозначное свойство сохраняется, но для устройства A система должна что-то для φ = 2 nπ условие, которое необходимо поддерживать. В том же самом свойстве, что и за сканирующим СКВИД-микроскопом, фаза волновой функции также изменяется количеством магнитного потока, проходящего через переход, в соответствии с соотношением Δφ = π (Φ 0 ). Как было предсказано Сигриста и Райс, [14] условие фазы может затем быть сохранен в соединении с помощью спонтанного потока в соединении значения Ф 0 /2.

Tsuei et al. с помощью сканирующего микроскопа SQUID для измерения локального магнитного поля на каждом из устройств на чертеже, и наблюдали поле в кольце А примерно равны по величине Ф 0 /2 A , где была площадь кольца. Устройство обнаружило нулевое поле в точках B, C и D. Результаты предоставили одно из первых и наиболее прямых экспериментальных подтверждений образования пары d-волн в YBCO.

Сканирующий микроскоп SQUID может обнаруживать все типы коротких замыканий и токопроводящих путей, включая дефекты резистивных разрывов (RO), такие как трещины или пустоты, расслоенные переходные отверстия , потрескавшиеся следы / укусы мыши и потрескавшиеся сквозные отверстия (PTH). Он может отображать распределение мощности в корпусах, а также в трехмерных интегральных схемах (IC) с переходом через кремний (TSV), системой в корпусе (SiP), многочиповым модулем (MCM) и многослойным кристаллом. Сквид-сканирование также может выявить дефектные компоненты в собранных устройствах или печатных платах (PCB). [15]

Краткая локализация в Advanced Wirebond Semiconductor Package [16] [ править ]

Текущее изображение наложено на оптическое изображение детали и макет детали.
Оптическое изображение снятых со штампа проволочных скреплений без колпачков, которые касаются другой проволочной скрепки

Усовершенствованные корпуса с проволочной связкой, в отличие от традиционных корпусов с шариковой решеткой (BGA), имеют несколько рядов контактных площадок на кристалле и несколько уровней на подложке. Эта пакетная технология поставила новые задачи в области анализа отказов. На сегодняшний день сканирующая акустическая микроскопия (SAM), рефлектометрия во временной области (TDR) и рентгеновский контроль в реальном времени (RTX) являются неразрушающими инструментами, используемыми для обнаружения коротких повреждений. К сожалению, эти методы не очень хорошо работают в продвинутых корпусах с проволочной связкой. Из-за высокой плотности соединения проводов в усовершенствованных корпусах для соединения проводов чрезвычайно сложно локализовать короткое замыкание с помощью обычного контроля RTX. Без подробной информации о том, где может произойти короткое замыкание, попытка деструктивной декапсуляции обнажить как поверхность матрицы, так и соединительные провода полна риска.Влажное химическое травление для удаления плесени с большой площади часто приводит к чрезмерному травлению. Более того, даже если упаковка успешно снята с упаковки, визуальный осмотр многоярусных соединительных проводов - это слепой поиск.

Данные сканирующей SQUID-микроскопии (SSM) представляют собой изображения плотности тока и изображения пиков тока. Изображения плотности тока показывают величину тока, а изображения пиков тока показывают путь тока с разрешением ± 3 мкм. Получение данных SSM от сканирования продвинутых пакетов проводов - это только половина задачи; локализация неисправности по-прежнему необходима. Критическим шагом является наложение текущих изображений SSM или текущих изображений пути с файлами САПР, такими как схемы соединений или изображения RTX, для точного определения местоположения неисправности. Чтобы сделать совмещение наложения возможным, выполняется оптическое совмещение по двум точкам. Край упаковки и реперный знак упаковки - это наиболее удобные метки для совмещения. Основываясь на анализе данных, локализация неисправности с помощью SSM должна изолировать короткое замыкание в кристалле, соединительных проводах или подложке корпуса.После того, как все неразрушающие подходы исчерпаны, последним шагом является деструктивная депроцессинг для проверки данных SSM. В зависимости от локализации повреждения, методы депроцессинга включают декапсуляцию, параллельную притирку или поперечное сечение.

Короткие в многослойных упаковках [17] [ править ]

Рисунок 1 (a) Схема, показывающая типичные соединительные провода в корпусе кристаллов с тройным набором кристаллов, Рисунок 1 (b) - рентгеновский вид сбоку реального корпуса кристаллов с тройным набором элементов.
Рисунок 2: Наложение плотности тока, оптических изображений и изображений САПР в корпусе с тремя пакетами кристаллов с режимом короткого замыкания.
Рисунок 3: Изображение в поперечном сечении, показывающее, как соединительный провод касается матрицы, вызывая утечку сигнала на землю.

Электрические короткие замыкания в многослойных корпусах кристаллов очень трудно изолировать неразрушающим способом; особенно, когда как-то закорочено большое количество соединительных проводов. Например, когда короткое замыкание возникает из-за соприкосновения двух соединительных проводов друг с другом, рентгеновский анализ может помочь определить потенциальные места дефектов; однако дефекты, такие как миграция металла, возникающая в контактных площадках проводов, или связующие провода, так или иначе соприкасающиеся с любыми другими проводящими структурами, могут быть очень трудно выявить неразрушающими методами, которые не являются электрическими по своей природе. Здесь наличие аналитических инструментов, которые могут составить карту потока электрического тока внутри упаковки, предоставляют ценную информацию, которая поможет аналитику отказов найти потенциальные места дефектов.

На рис. 1а показана схема нашего первого тематического исследования, состоящего из тройного набора кристаллов. Рентгеновское изображение на рисунке 1b предназначено, чтобы проиллюстрировать задачу поиска потенциальных коротких участков, представленных для аналитиков отказов. В частности, это один из набора модулей, которые периодически выходили из строя и восстанавливались при тестировании надежности. Рефлектометрия во временной области и рентгеновский анализ были выполнены на этих устройствах, но безуспешно в выявлении дефектов. Также не было четкого указания на дефекты, которые потенциально могли вызвать наблюдаемый режим короткого замыкания. Две из этих единиц были проанализированы с помощью SSM.

Электрическое соединение неисправного штифта с контактом заземления привело к возникновению пути электрического тока, показанного на рис. 2. Этот электрический путь убедительно свидетельствует о том, что ток каким-то образом протекает через все заземляющие цепи, хотя токопроводящий путь расположен очень близко к контактным площадкам сверху вниз вид пакета. На основе электрического анализа и анализа компоновки корпуса можно сделать вывод, что ток либо течет через контактные площадки, либо контактные провода каким-то образом касаются проводящей структуры в указанном месте. После получения аналогичных результатов SSM на двух тестируемых единицах дальнейший деструктивный анализ сосредоточился вокруг небольшой потенциальной короткой области, и он показал, что неисправный контактный провод касается нижней части одного из сложенных кубиков в определенной позиции XY, выделенной анализом SSM. .Поперечный разрез одного из этих блоков показан на рисунке 3.

Подобный дефект обнаружен и во втором агрегате.

Короткое замыкание между штифтами в упаковке литьевого компаунда [18] [ править ]

Рисунок 1 Сквид-изображение упаковки с указанием места короткого замыкания.
Рис. 2: Радиографическое изображение нити накала с высоким разрешением, измеренное при ширине 2,9 мкм. Изображение показывает, что нить накала проходит под обоими закороченными выводами.

Отказ в этом примере был охарактеризован как замыкание на восемь Ом между двумя соседними контактами. Проволока, соединяющая интересующие штыри, была обрезана без какого-либо влияния на короткое замыкание, измеренное на внешних контактах, что указывает на наличие короткого замыкания в упаковке. Первоначальные попытки идентифицировать неудачу с помощью обычного рентгенологического анализа были безуспешными. Возможно, самая сложная часть процедуры - это определение физического местоположения короткого замыкания с достаточно высокой степенью уверенности, позволяющей использовать разрушающие методы для выявления материала замыкания. К счастью, сейчас доступны два аналитических метода, которые могут значительно повысить эффективность процесса локализации неисправностей.

Обнаружение сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (SQUID) [ править ]

Общей характеристикой всех шорт является движение электронов от высокого потенциала к более низкому. Это физическое движение электрического заряда создает небольшое магнитное поле вокруг электрона. При достаточном количестве движущихся электронов совокупное магнитное поле может быть обнаружено сверхпроводящими датчиками. Приборы, оснащенные такими датчиками, могут проследить путь короткого замыкания через деталь. Детектор SQUID использовался в анализе отказов в течение многих лет [19]и теперь коммерчески доступен для использования на уровне пакета. Способность SQUID отслеживать течение тока обеспечивает виртуальную дорожную карту короткого замыкания, включая расположение на виде сверху материала для короткого замыкания в упаковке. Мы использовали средства SQUID в Neocera, чтобы исследовать неисправность в интересующем нас корпусе, с выводами на 1,47 мА при 2 вольтах. Сквид-анализ детали показал, что между двумя интересующими штырями имеется четкий путь тока, включая расположение проводящего материала, соединяющего эти два контакта. Сквид детали показан на рисунке 1.

Рентгенография малой мощности [ править ]

Второй метод определения места повреждения будет использован несколько вне очереди, поскольку он использовался для характеристики этого отказа после анализа SQUID в качестве образца оценки для поставщика оборудования. Способность фокусировать и разрешать рентгеновские лучи малой мощности и обнаруживать их присутствие или отсутствие улучшилась до такой степени, что теперь рентгенографию можно использовать для выявления особенностей, которые до сих пор невозможно было обнаружить. Оборудование в Xradia использовалось для проверки сбоя в этом анализе. Пример их результатов показан на рисунке 2. Показанная особенность (которая также является материалом, ответственным за отказ) представляет собой медную нить накала шириной примерно три микрометра в поперечном сечении, которую невозможно было устранить с помощью нашего собственного рентгенографического оборудования. .

Главный недостаток этого метода состоит в том, что глубина резкости чрезвычайно мала, что требует множества «разрезов» на данном образце для обнаружения очень мелких частиц или нитей. При большом увеличении, необходимом для разрешения деталей микрометрового размера, этот метод может стать непомерно дорогим как по времени, так и по деньгам. Фактически, чтобы извлечь из этого максимальную пользу, аналитику действительно необходимо знать, где находится сбой. Это делает маломощную рентгенографию полезным дополнением к SQUID, но в целом неэффективной заменой. Скорее всего, его лучше всего использовать сразу после SQUID, чтобы охарактеризовать морфологию и глубину закорачивающего материала, как только SQUID точно определит его местоположение.

Короткое описание в 3D-пакете [ править ]

Рисунок 1: Внешний вид модуля EEPROM показывает ось координат, используемую при выполнении визуализации ортогональным магнитным током. Эти оси используются для определения плоскостей сканирования в основной части бумаги.
Рисунок 2: Рентгенография, показывающая три ортогональных вида детали, показывает внутреннюю конструкцию модуля.
Рисунок 3: Наложение изображения магнитного тока на рентгеновское изображение модуля EEPROM. Пороговое значение использовалось, чтобы показать только самый сильный ток на конденсаторе мини-платы TSOP08. Стрелки указывают контакты Vcc и Vss. Это изображение находится в плоскости xy.

Проверка модуля, показанного на Рисунке 1, в Лаборатории анализа отказов не обнаружила никаких внешних свидетельств отказа. [20]Координатные оси устройства были выбраны, как показано на рисунке 1. Рентгенография была выполнена на модуле в трех ортогональных проекциях: сбоку, с торца и сверху вниз; как показано на рисунке 2. Для целей данной статьи рентгеновский снимок сверху вниз показывает плоскость xy модуля. Вид сбоку показывает плоскость xz, а вид с торца показывает плоскость yz. На рентгенографических изображениях аномалий не отмечено. Превосходное расположение компонентов на мини-платах позволило беспрепятственно видеть мини-платы сверху вниз. Внутренняя конструкция модуля представляла собой восемь уложенных друг на друга мини-плат, каждая с одной микросхемой и конденсатором. Мини-платы соединяются с выводами внешнего модуля с помощью позолоченной внешней части корпуса. Внешний осмотр показал, что траншеи, вырезанные лазером, создают внешнюю цепь на устройстве,который используется для включения, чтения или записи в любое из восьми устройств EEPROM в инкапсулированном вертикальном стеке. Что касается номенклатуры, то на нанесенных лазером золотых панелях на внешних стенках упаковки были нанесены номера контактов. Восемь мини-плат были помечены от TSOP01 до TSOP08, начиная с нижней части упаковки рядом с контактами устройства.

Электрические испытания между выводами подтвердили, что выводы 12, 13, 14 и 15 Vcc являются электрически общими, предположительно через общую внешнюю золотую панель на стенке корпуса. Аналогично, Vss-пины 24, 25, 26 и 27 были обычными. Сравнение с рентгеновскими изображениями показало, что эти четыре контакта переходят в одну широкую дорожку на мини-платах. Все выводы Vss были закорочены на выводы Vcc с сопротивлением, определяемым наклоном ВАХ, примерно 1,74 Ом, низкое сопротивление указывает на что-то иное, чем дефект электростатического разряда. Точно так же электрическое перенапряжение считалось маловероятной причиной выхода из строя, поскольку деталь не находилась под напряжением с того момента, как она была аттестована на заводе. Трехмерная геометрия модуля EEPROM предполагала использование магнитотоковой визуализации (MCI) на трех,или более плоских сторон, чтобы построить текущий путь короткого замыкания в модуле. Как уже отмечалось, оси координат, выбранные для этого анализа, показаны на рисунке 1.

Магнитно-токовая визуализация [ править ]

СКВИДы - самые чувствительные известные магнитные датчики. [4] Это позволяет сканировать токи 500 нА на рабочем расстоянии около 400 микрометров. Что касается всех ситуаций ближнего поля, разрешение ограничено расстоянием сканирования или, в конечном итоге, размером сенсора (типичные сквиды имеют ширину около 30 мкм), хотя улучшения программного обеспечения и сбора данных позволяют определять токи в пределах 3 микрометров. Для работы SQUID-сенсор необходимо хранить в прохладном месте (около 77 K) и в вакууме, в то время как образец при комнатной температуре сканируется в растровом формате под сенсором на некотором рабочем расстоянии z, отделенном от корпуса SQUID тонкой прозрачной алмазное окно. Это позволяет уменьшить расстояние сканирования до десятков микрометров от самого датчика, улучшая разрешающую способность инструмента.

Типичная конфигурация датчика MCI чувствительна к магнитным полям в перпендикулярном направлении z (т. Е. Чувствительна к распределению тока в плоскости xy в ИУ). Это не означает, что нам не хватает вертикальной информации; В простейшей ситуации, если путь тока перескакивает из одной плоскости в другую, приближаясь к датчику в процессе, это будет проявляться как более сильная напряженность магнитного поля для участка, расположенного ближе к датчику, а также как более высокая интенсивность в плотности тока. карта. Таким образом, вертикальная информация может быть извлечена из изображений текущей плотности. Более подробную информацию о MCI можно найти в другом месте. [21]

См. Также [ править ]

  • Эффект Джозефсона
  • Теория BCS
  • Физика низких температур
  • КАЛЬМАР
  • Анализ отказов
  • Полупроводник

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Шибата, Юске; Номура, Синтаро; Кашивайя, Хироми; Кашивайя, Сатоши; Исигуро, Рёске; Такаянаги, Хидеаки (2015). «Получение изображений распределения плотности тока с помощью сканирующего нано-СКВИД микроскопа слабой связи Nb» . Научные отчеты . 5 : 15097. Bibcode : 2015NatSR ... 515097S . DOI : 10.1038 / srep15097 . PMC  4602221 . PMID  26459874 .
  2. ^ Черный, RC; А. Матхай; и ФК «Хорошо устроился»; Э. Данцкер; А. Х. Миклич; DT Nemeth; Джей Джей Кингстон; Дж. Кларк (1993). «Магнитная микроскопия с использованием охлаждаемого жидким азотом сверхпроводящего устройства квантовой интерференции YBa 2 Cu 3 O 7 ». Appl. Phys. Lett . 62 (17): 2128–2130. Bibcode : 1993ApPhL..62.2128B . DOI : 10.1063 / 1.109448 .
  3. ↑ Борис Ческа; Райнхольд Кляйнер; Дитер Коэлле (2004). Дж. Кларк; А.И. Брагинский (ред.). Справочник по SQUID . Vol. I: Основы и технология СКВИДов и СКВИД-систем. Вайнхайм: Wiley-VCH. С. 46–48. ISBN 3-527-40229-2.
  4. ^ a b Дж. П. Виксво, младший «Магнитная обратная задача для NDE», в Х. Вайнштоке (редактор), SQUID Sensors: Fundamentals, Fabrication, and Applications, Kluwer Academic Publishers, стр. 629-695, (1996)
  5. ^ EF Fleet et al., "HTS Scanning SQUID Microscopy of Active Circuits", Appl. Конференция по сверхпроводимости (1998)
  6. ^ Л. Knauss, Б. М. Фрейзер, HM Крестят, SD Silliman и KS Harshavardhan, Neocera LLC, 10000 Virginia Manor Rd. Beltsville, MD 20705, EF Fleet и FC Wellstand, Центр исследований сверхпроводимости, Университет Мэриленда в Колледж-Парк, Колледж-Парк, MD 20742, М. Маханпур и А. Геммагами, Advanced Micro Devices, One AMD Place, Саннивейл, Калифорния 94088
  7. ^ "Визуализация тока с использованием датчиков магнитного поля" Л. А. Кнаусс, С. И. Вудс и А. Ороско
  8. ^ Флот, EF; Chatraphorn, S .; Хорошо, ФК; Грин, СМ; Кнаусс, Л.А. (1999). «Сканирующий СКВИД-микроскоп HTS, охлаждаемый рефрижератором замкнутого цикла». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 9 (2): 3704–3707. Bibcode : 1999ITAS .... 9.3704F . DOI : 10.1109 / 77.783833 . ISSN 1051-8223 . 
  9. ^ Дж. Киртли, IEEE Spectrum стр. 40 декабря (1996)
  10. ^ Хорошо понят, FC; Gim, Y .; Amar, A .; Черный, RC; Матхай, А. (1997). «Магнитная микроскопия с использованием СКВИДов». IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 7 (2): 3134–3138. Bibcode : 1997ITAS .... 7.3134W . DOI : 10.1109 / 77.621996 . ISSN 1051-8223 . 
  11. ^ Chatraphorn, S .; Флот, EF; Хорошо, ФК; Knauss, LA; Эйлс, Т.М. (17 апреля 2000 г.). «Сканирующая СКВИД-микроскопия интегральных схем». Письма по прикладной физике . Издательство AIP. 76 (16): 2304–2306. Bibcode : 2000ApPhL..76.2304C . DOI : 10.1063 / 1.126327 . ISSN 0003-6951 . 
  12. ^ Уэллс, Фредерик С .; Пан, Алексей В .; Ван, X. Реншоу; Федосеев, Сергей А .; Хильгенкамп, Ганс (2015). «Анализ низкопольного изотропного вихревого стекла, содержащего вихревые группы в тонких пленках YBa 2 Cu 3 O 7-x, визуализированных с помощью сканирующей СКВИД-микроскопии» . Научные отчеты . 5 : 8677. arXiv : 1807.06746 . Bibcode : 2015NatSR ... 5E8677W . DOI : 10.1038 / srep08677 . PMC 4345321 . PMID 25728772 .  
  13. ^ Цуэй, CC; JR Kirtley; CC Chi; Lock See Yu-Jahnes; А. Гупта; Т. Шоу; JZ Sun; МБ Кетчен (1994). «Симметрия пар и квантование потока в трикристаллическом сверхпроводящем кольце YBa 2 Cu 3 O 7-δ ». Phys. Rev. Lett . 73 (4): 593–596. Bibcode : 1994PhRvL..73..593T . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.73.593 .
  14. ^ Сигрист, Манфред; TM Rice (1992). «Парамагнитный эффект в высокотемпературных сверхпроводниках - подсказка для d-волновой сверхпроводимости». J. Phys. Soc. Jpn . 61 (12): 4283. Bibcode : 1992JPSJ ... 61.4283S . DOI : 10,1143 / JPSJ.61.4283 .
  15. ^ Суд, Бхану; Печт, Майкл (11.08.2011). «Образование проводящей нити в печатных платах: влияние условий оплавления и антипиренов». Журнал материаловедения: материалы в электронике . 22 (10): 1602–1615. DOI : 10.1007 / s10854-011-0449-Z . ISSN 0957-4522 . 
  16. ^ Стив К. Сюн; Кеван В. Тан; Эндрю Дж. Комровски; Дэниел Дж. Д. Салливан. Анализ отказов коротких неисправностей в усовершенствованных корпусах с проволочным соединением и флип-чипом с помощью сканирующей SQUID-микроскопии (PDF) . ИРПС 2004.
  17. ^ "Сканирующая микроскопия SQUID для новых упаковочных технологий", ISTFA 2004, Марио Пачеко и Чжийонг Ван Intel Corporation, 5000 W. Chandler Blvd., Chandler, AZ, USA, 85226
  18. ^ «Процедура определения механизма отказа, ответственного за короткое замыкание между контактами в корпусах интегральных схем из пластиковых форм», ISTFA 2008, Карл Наиль, Хесус Роча и Национальная корпорация полупроводников Лоуренса Вонга, Санта-Клара, Калифорния, США
  19. ^ Уиллс, К.С., Диас де Леон, О., Рамануджачар, К., и Тодд, С., «Техника сверхпроводящего квантового устройства интерференции: трехмерная локализация короткого замыкания в сборке флип-чипа», Труды 27-го Международный симпозиум по испытаниям и анализу отказов, Сан-Хосе, Калифорния, ноябрь 2001 г., стр. 69–76.
  20. ^ «Построение трехмерного пути тока с использованием изображений магнитного тока», ISTFA 2007, Фредерик Фелт, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, Гринбелт, Мэриленд, США, Ли Кнаусс, Neocera, Белтсвилл, Мэриленд, США, Андерс Гилбертсон, Neocera, Белтсвилл, Мэриленд, США, Антонио Ороско, Неосера, Белтсвилль, Мэриленд, США
  21. ^ Л.А. Кнаусс и др., «Визуализация тока с использованием датчиков магнитного поля». Справочник по анализу отказов микроэлектроники, 5-е изд., Страницы 303-311 (2004).

Внешние ссылки [ править ]

  • Джон Кертли , один из пионеров сканирующей СКВИД-микроскопии.
  • Устройство и применение сканирующего СКВИД-микроскопа
  • Центр исследований сверхпроводимости, Мэрилендский университет
  • ООО «Неосера»