Сканирующая СКВИД-микроскопия - Scanning SQUID microscopy

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 техника, в которой сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (SQUID) используется для изображения напряженности магнитного поля поверхности с разрешением в микрометрах. 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 Блэком. и другие.^[2] С тех пор этот метод используется для подтверждения нетрадиционная сверхпроводимость в нескольких высокотемпературные сверхпроводники в том числе YBCO и BSCCO соединения.

Принцип работы

Схема СКВИДа постоянного тока. Электрический ток ${\displaystyle I}$ входит и разделяется на два пути, каждый с токами ${\displaystyle I_{a}}$ и ${\displaystyle I_{b}}$. Тонкие барьеры на каждом пути представляют собой джозефсоновские переходы, которые вместе разделяют две сверхпроводящие области. ${\displaystyle \Phi }$ представляет собой магнитный поток, входящий внутрь контура СКВИДа постоянного тока.

Сканирующий СКВИД-микроскоп основан на тонкопленочной ОКРУГ КОЛУМБИЯ КАЛЬМАР. СКВИД постоянного тока состоит из сверхпроводящих электродов в кольцевой схеме, соединенных двумя слабыми звеньями. Джозефсоновские переходы (см. рисунок). Выше критический ток джозефсоновских контактов идеализированная разность Напряжение между электродами определяется выражением^[3]

${\displaystyle {\begin{aligned}V&={\frac {R}{2}}{\sqrt {I^{2}-I_{0}^{2}}},\\&={\frac {R}{2}}\left(I^{2}-\left(2I_{c}\cos \left(\pi {\frac {\Phi }{\Phi _{0}}}\right)\right)^{2}\right)^{\frac {1}{2}},\end{aligned}}}$

где р это сопротивление между электродами, я это текущий, я₀ это максимум сверхток, я_c - критический ток джозефсоновских контактов, Φ - полная магнитный поток через кольцо, а Φ₀ это квант магнитного потока.

Следовательно, СКВИД постоянного тока может использоваться как преобразователь потока к напряжению. преобразователь. Однако, как показано на рисунке, напряжение на электродах колеблется. синусоидально относительно количества 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 <Φ₀. 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 СКВИДа, поскольку шум обычно является проблемой при измерениях постоянного тока, переменный ток техника используется. В дополнение к постоянному магнитному полю смещения, переменное магнитное поле постоянной амплитуды с напряженностью поля, создающей Φ << Φ₀, также излучается в катушке смещения. 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.

Приборы

А Сканирующий микроскоп SQUID представляет собой чувствительную систему визуализации ближнего поля для измерения слабых магнитные поля перемещая сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (КАЛЬМАР ) по площади. В микроскоп может составлять карту скрытых проводов с током путем измерения магнитных полей, создаваемых токами, или может использоваться для изображения полей, создаваемых магнитными материалами. Отображая ток в Интегральная схема или корпус, короткие замыкания могут быть локализованы, а конструкция микросхемы может быть проверена, чтобы увидеть, что ток течет там, где ожидается.

Поскольку материал СКВИДа должен быть сверхпроводящим, измерения следует проводить при низких температурах. Обычно эксперименты проводят ниже жидкий гелий температура (4,2 К) в гелий-3 холодильник или холодильник для разбавления. Однако достижения в области высокотемпературных сверхпроводников рост тонкой пленки позволили относительно недорогие жидкий азот вместо этого будет использоваться охлаждение. Можно даже измерять образцы при комнатной температуре, только охлаждая Т_c кальмара и поддержания термического разделения с образцом. В любом случае, из-за чрезвычайной чувствительности зонда СКВИДа к паразитным магнитным полям, в общем случае магнитное экранирование используется. Чаще всего встречается щит из мю-металл, возможно, в сочетании со сверхпроводящей «банкой» (все сверхпроводники отталкивают магнитные поля через Эффект Мейснера ).

Фактический зонд SQUID обычно делается через осаждение тонких пленок с областью СКВИДа, обозначенной через литография. Могут использоваться самые разные сверхпроводящие материалы, но два наиболее распространенных: Ниобий, благодаря относительно хорошей устойчивости к повреждениям от термоциклирование, и YBCO, за его высокий Т_c > 77 K и относительная простота осаждения по сравнению с другими Т_c сверхпроводники. В любом случае сверхпроводник с критической температурой выше, чем у Рабочая Температура следует 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 большему внешнему сверхпроводящему контуру, расположенному 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 индуктивность устройства, а также ограничения в управлении подмагничивающим магнитным полем, 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. Через электронно-лучевая литография техники возможно изготовление устройств общей площадью 1–10 мкм.², хотя чаще встречаются устройства размером от десятков до сотен квадратных микрометров.

Сам СКВИД устанавливается на консоль и работали либо в непосредственном контакте с поверхностью образца, либо непосредственно над ней. Положение СКВИДа обычно контролируется каким-либо электрическим шаговый двигатель. 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 обширного вибрация увлажнение, если требуется точный контроль высоты.

Высокотемпературный сканирующий СКВИД-микроскоп

Сканирующий СКВИД-микроскоп

Высокотемпературный сканирующий микроскоп SQUID с использованием YBCO SQUID способен измерять магнитные поля величиной до 20 pT (примерно в 2 миллиона раз слабее магнитного поля Земли). Датчик SQUID достаточно чувствителен, чтобы обнаружить провод, даже если на нем только 10 nA 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 токов затем можно сравнить со 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

Рисунок 1: Электрическая схема СКВИДа, где я_б ток смещения, I₀ - 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 nΦ₀ и (n + 1/2) Φ₀ соответственно. Рисунок 2 б) Периодическая реакция напряжения из-за потока через СКВИД. Периодичность равна одному кванту потока Φ₀

Работа сканирующего СКВИД-микроскопа заключается в простом охлаждении зонда и образца и растрирование наконечник поперек 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.₂Cu₃О₇, 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 какого-либо падения напряжения до максимального значения, называемого критическим током, I_о. 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 рисунке 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 Φ₀=2.07×10⁻¹⁵ Тм² (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

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:

${\displaystyle d{\vec {B}}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {Id{\vec {l}}\times {\vec {r}}}{r^{3}}}\,.}$

B - магнитная индукция, Idℓ - элемент тока, постоянная µ₀ - 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 расчета 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 быть выполнены очень быстро. Изображение магнитного поля можно преобразовать в изображение плотности тока примерно за 1 или 2 секунды.

Приложения

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 изотропный относительно их сверхпроводящих свойств, то есть для любого направления импульса электрона k в сверхпроводнике величина параметр порядка и, следовательно, сверхпроводящие энергетический разрыв будет то же самое. Однако в высокотемпературных купратных сверхпроводниках параметр порядка подчиняется уравнению Δ (k) = Δ₀(cos (k_Икса) -cos (k_уа)), что означает, что при пересечении любого из направлений [110] в импульсном пространстве будет наблюдаться изменение знака параметра порядка. По форме эта функция совпадает с формой л = 2 сферическая гармоника функция, дав ей название сверхпроводимость d-волны. Поскольку сверхпроводящие электроны описываются одной когерентной волновой функцией, пропорциональной exp (-яφ), где φ известна как фаза волновой функции это свойство также можно интерпретировать как фазовый сдвиг π при повороте на 90 градусов.

Это свойство эксплуатировалось Цуэем. и другие.^[13] путем изготовления серии кольцевых джозефсоновских контактов YBCO, которые пересекали [110] Самолеты Брэгга одиночного 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 в месте пересечения этой плоскости (2п+1), количество раз, разность фаз (2п+1) π будет наблюдаться между двумя переходами. Для 2п, или даже количество пересечений, как в B, C и D, разность фаз (2п) π будет соблюдаться. 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 = 2пπ 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 (Φ₀). Как и предсказывали Сигрист и Райс,^[14] тогда фазовое состояние может поддерживаться в переходе за счет спонтанного потока в переходе величиной Φ₀/2.

Цуэй и другие. использовал сканирующий СКВИД-микроскоп для измерения локального магнитного поля на каждом из устройств на рисунке и наблюдал поле в кольце A, примерно равное по величине Φ₀/2А, где А 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, отслоившиеся переходные отверстия, потрескавшиеся следы /укусы мышей и сквозные отверстия с гальваническим покрытием (PTH). Он может отображать распределение мощности в пакетах, а также в 3D Интегральные схемы (IC) с Через кремниевый переходник (TSV), Система в пакете (Глоток), Многочиповый модуль (MCM) и сложенный штамп. Сквид-сканирование также может выявить дефектные компоненты в собранных устройствах или Печатная плата (Печатная плата).^[15]

Краткая локализация в усовершенствованном полупроводниковом корпусе Wirebond ^[16]

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 путей с файлами САПР, такими как схемы соединений или изображения RTX, для точного определения места неисправности. Чтобы сделать совмещение наложения возможным, выполняется оптическое совмещение по двум точкам. Край упаковки и реперный знак упаковки - это наиболее удобные для совмещения маркировки упаковки. 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]

Рисунок 1 (a) Схема, показывающая типичные соединительные провода в корпусе кристаллов с тройным набором кристаллов, Рисунок 1 (b) - рентгеновский вид сбоку фактического пакета кристаллов с тройным набором.

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 конкретной 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 формовочной смеси ^[18]

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. На изображении показана нить накала, проходящая 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, чтобы можно было 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 (СКВИД)

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 уже много лет используется для анализа отказов,^[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. SQUID-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 с низким увеличением

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, а также обнаруживать их присутствие или отсутствие улучшилась до такой степени, что теперь рентгенографию можно использовать для выявления особенностей, которые ранее 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 разрушение) 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 заключается в том, что глубина резкости чрезвычайно мала, что требует множества «надрезов» на данном образце для обнаружения очень мелких частиц или нитей. При большом увеличении, необходимом для разрешения деталей размером в микрометр, эта техника может стать непомерно дорогостоящей 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

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.

Рис. 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 x-y.

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 x-y модуля. Вид сбоку показывает плоскость x-z, а вид с торца показывает плоскость y-z. 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 вырезанные лазером траншеи создают на устройстве внешнюю цепь, которая используется для включения, чтения или записи любого 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 контакты Vss были закорочены на контакты Vcc с сопротивлением, определяемым наклоном ВАХ примерно 1,74 Ом, низкое сопротивление указывает на что-то иное, чем дефект электростатического разряда. Аналогичным образом электрическое перенапряжение считалось маловероятной причиной отказа, поскольку деталь не была повреждена. под напряжением с тех пор, как прошел квалификацию на заводе. Трехмерная геометрия модуля EEPROM предполагала использование магнитно-токового изображения (MCI) на трех или более плоских сторонах, чтобы построить путь тока короткого замыкания внутри модуля. Как уже отмечалось, оси координат, выбранные для этого анализа, показаны на рисунке 1.

Магнитно-токовая визуализация

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]

Смотрите также

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

использованная литература

1. Шибата, Юсуке; Номура, Синтаро; Кашивайя, Хироми; Кашивайя, Сатоши; Исигуро, Рёске; Такаянаги, Хидеаки (2015). «Визуализация распределения плотности тока с помощью сканирующего микроскопа Nb со слабым звеном Nb». Научные отчеты. 5: 15097. Bibcode:2015НатСР ... 515097С. Дои:10.1038 / srep15097. ЧВК  4602221. PMID  26459874.
2. Black, R.C .; А. Матхай; и Ф. К. Хорошо понятый; Э. Данцкер; А. Х. Миклич; Д. Т. Немет; Дж. Дж. Кингстон; Дж. Кларк (1993). «Магнитная микроскопия с использованием охлаждаемого жидким азотом YBa.₂Cu₃О₇ сверхпроводящее устройство квантовой интерференции ". Appl. Phys. Латыш. 62 (17): 2128–2130. Bibcode:1993АпФЛ..62.2128Б. Дои: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. Дж. П. Виксво, младший, «Магнитная обратная задача для NDE», в Х. Вайнстоке (ред.), Датчики SQUID: основы, изготовление и применение, Kluwer Academic Publishers, стр. 629-695, (1996)
5. E.F. Fleet et al., "HTS Scanning SQUID Microscopy of Active Circules", Appl. Конференция по сверхпроводимости (1998)
6. Л. А. Кнаусс, Б. М. Фрейзер, Х. М. Кристен, С. Д. Силлиман и К. С. Харшавардхан, Neocera LLC, 10000 Virginia Manor Rd. Beltsville, MD 20705, E. F. Fleet и F. C. Wellstand, Центр исследований сверхпроводимости, Мэрилендский университет в Колледж-Парк-Колледж-Парк, MD 20742, M. Mahanpour и A. Ghaemmaghami, Advanced Micro Devices, One AMD Place Sunnyvale, CA 94088
7. «Визуализация тока с использованием датчиков магнитного поля» Л. А. Кнаусс, С. И. Вудс и А. Ороско
8. Fleet, E.F .; Chatraphorn, S .; Хорошо понят, F.C .; Грин, S.M .; 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. Дои:10.1109/77.783833. ISSN  1051-8223.
9. Дж. Кертли, IEEE Spectrum стр. 40 декабря (1996)
10. Хорошо понят, F.C .; Gim, Y .; Amar, A .; Black, R.C .; 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 .... 7,3134 Вт. Дои:10.1109/77.621996. ISSN  1051-8223.
11. Chatraphorn, S .; Флит, Э. Ф .; Хорошо понят, F. C .; Knauss, L.A .; Эйлс, Т. М. (17 апреля 2000 г.). «Сканирующая СКВИД-микроскопия интегральных схем». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 76 (16): 2304–2306. Bibcode:2000АпФЛ..76.2304С. Дои:10.1063/1.126327. ISSN  0003-6951.
12. Wells, Frederick S .; Пан, Алексей В .; Ван, X. Реншоу; Федосеев, Сергей А .; Хильгенкамп, Ганс (2015). «Анализ низкополевого изотропного вихревого стекла, содержащего вихревые группы в YBa.₂Cu₃О_7-х тонкие пленки, визуализируемые с помощью сканирующей СКВИД-микроскопии ». Научные отчеты. 5: 8677. arXiv:1807.06746. Bibcode:2015НатСР ... 5E8677W. Дои:10.1038 / srep08677. ЧВК  4345321. PMID  25728772.
13. Tsuei, C.C .; Дж. Р. Кертли; C. C. Chi; Lock See Yu-Jahnes; А. Гупта; Т. Шоу; Дж. З. Сан; М. Б. Кетчен (1994). «Симметрия пар и квантование потока в трикристаллическом сверхпроводящем кольце YBa.₂Cu₃О_{7 − δ}". Phys. Rev. Lett. 73 (4): 593–596. Bibcode:1994ПхРвЛ..73..593Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.73.593.
14. Сигрист, Манфред; Т. М. Райс (1992). «Парамагнитный эффект в высокотемпературных сверхпроводниках - подсказка для d-волновой сверхпроводимости». J. Phys. Soc. JPN. 61 (12): 4283. Bibcode:1992JPSJ ... 61.4283S. Дои: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. Дои: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 замыканий на усовершенствованных корпусах с проволочным соединением и флип-чипом с помощью сканирующей сквидовой микроскопии (PDF). ИРПС 2004.
17. "Сканирующая SQUID-микроскопия 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 пластмассовых форм», ISTFA 2008, Карл Наиль, Хесус Роча и Национальная полупроводниковая корпорация Лоуренса Вонга, Санта-Клара, Калифорния, США
19. Уиллс, К.С., Диас де Леон, О., Рамануджачар, К., и Тодд, К., «Техника сверхпроводящего устройства квантовой интерференции: трехмерная локализация короткого замыкания в сборке флип-чипа», Труды 27-го Международного Симпозиум по тестированию и анализу отказов, Сан-Хосе, Калифорния, ноябрь 2001 г., стр. 69–76.
20. «Построение трехмерного пути тока с использованием магнитно-токовой визуализации», ISTFA 2007, Фредерик Фелт, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА, Гринбелт, Мэриленд, США, Ли Кнаусс, Неосера, Белтсвилл, Мэриленд, США, Андерс Гилбертсон, Неосера, Белтсвилл , Мэриленд, США, Антонио Ороско, Неосера, Белтсвилл, Мэриленд, США
21. Л. А. Кнаусс и др., "Визуализация тока с помощью датчиков магнитного поля". Справочник по анализу отказов микроэлектроники, 5-е изд., Страницы 303-311 (2004).

внешние ссылки

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