SWIR puslaidininkių patikra: kaip tinkamas SWIR lęšis lemia skirtumą

Puslaidininkių gamyboje nėra vietos klaidoms. Vienas nepastebėtas požeminis įtrūkis, po apverčiamuoju lustu paslėpta tuštuma arba lusto tvirtinimo sluoksnyje paslėpta delaminacija gali sukelti įrenginio gedimą lauke – su pasekmėmis nuo gaminių atšaukimo iki saugos incidentų automobilių ar pramonėje. Lustų architektūroms tampant vis sudėtingesnėms, o korpusų geometrijoms mažėjant, tradicinių optinių tikrinimo metodų nebepakanka.

Trumpabangių infraraudonųjų spindulių (SWIR) vaizdavimas tapo itin svarbia neardomąja tikrinimo technologija šiuolaikinėse puslaidininkių gamyklose ir pakavimo linijose. Jis leidžia inžinieriams ir kokybės komandoms matyti kiaurai silicį – taip atskleidžiant defektus, kurie yra visiškai nematomi matomos šviesos kameroms ir įprastoms AOI sistemoms. Tačiau SWIR tikrinimo sistemos kokybė labai priklauso nuo vieno dažnai nepastebimo komponento: lęšio.

Šiame vadove paaiškinama, kaip veikia SWIR puslaidininkių patikra, ką ji gali aptikti ir kodėl verta rinktis specialiai sukurtą SWIR lęšį, pvz., pateiktą... Wavelength Opto-Electronic„Infra® SWIR“ lęšių serija — yra esminis dalykas norint gauti patikimus, didelės skiriamosios gebos patikrinimo rezultatus.

1. Kas yra SWIR vaizdavimas ir kodėl jis svarbus puslaidininkiams?

SWIR reiškia šviesą trumpųjų bangų infraraudonųjų spindulių spektre, paprastai apibrėžiamame kaip bangos ilgis nuo 0.9 µm iki 1.7 µm (išplėstinis SWIR siekia iki 2.5 µm). Šis diapazonas yra tiesiai už matomos ir artimosios infraraudonosios spinduliuotės (NIR) sričių ir sąveikauja su medžiagomis iš esmės kitaip nei matoma šviesa.

SWIR kameros, dažniausiai konstruojamos su indžio galio arsenido (InGaAs) jutikliais, aptinka atspindėtą arba praleistą SWIR šviesą. Skirtingai nuo terminių infraraudonųjų spindulių kamerų, kurios vaizduoja skleidžiamą šilumą, SWIR vaizdavimas yra atspindžio ir perdavimo technika. Dėl to jis yra labai jautrus struktūrinėms ypatybėms ir medžiagų sąsajoms mėginyje.

Savybė, dėl kurios SWIR yra unikaliai galingas puslaidininkių tyrimui, yra silicio optinis skaidrumas šioje juostoje. Silicio draustminės juostos energija yra maždaug 1.12 eV, atitinkanti maždaug 1100 nm bangos ilgį. Esant ilgesniems nei ši riba bangos ilgiams, fotonai neturi pakankamai energijos, kad juos absorbuotų silicio gardelė – jie praeina tiesiai. Tai reiškia, kad SWIR vaizdavimo sistema gali žiūrėti tiesiai per silicio plokštelę arba lustą ir vaizduoti po paviršiumi esančias struktūras be jokio pjovimo, poliravimo ar cheminio dekapsuliavimo.

Tai yra transiliuminacinės SWIR patikros pagrindas: vienoje mėginio pusėje pastatomas SWIR šviesos šaltinis, o kitoje – „InGaAs“ kamera su SWIR lęšiu . Bet koks struktūrinis pažeidimas – įtrūkimas, tuštuma, delaminacija ar intarpas – perduotame vaizde matomas kaip kontrastingas elementas.

2. Pagrindiniai SWIR taikymai puslaidininkių tikrinime

2.1 Plokštelės lygio defektų aptikimas

Plokštelių gamybos ir pjovimo metu silicyje reguliariai atsiranda mikroįtrūkimų – pjovimo gatvių sandūrose, šlifavimo sukeltose požeminio pažeidimo zonose arba epitaksinio sluoksnio sąsajose. Daugelis šių defektų yra paslėpti po paviršiumi ir visiškai nematomi matomos šviesos mikroskopu.

SWIR transiliuminacinis vaizdavimas gali aptikti visa tai didele erdvine skiriamąja geba. Gamybos aplinkoje SWIR ploto arba linijinio skenavimo kamera kartu su atitinkama SWIR optika gali atlikti visos plokštelės patikrinimą tokiu našumu, kuris suderinamas su automatizuotu plokštelių tvarkymu. Požeminiai įtrūkimų tinklai pažymimi prieš jiems toliau plintant terminio ciklavimo arba laidų sujungimo operacijų metu.

Ploniems vafliams – kurie vis dažniau naudojami maitinimo įrenginiuose, radijo dažnių komponentuose ir 3D integracijos lustuose – tai ypač svarbu. Dėl tvarkymo atsiradę mikroįtrūkimai 100 µm ar plonesnėse vafliuose gali būti katastrofiški. Ankstyvas SWIR aptikimas leidžia gamykloms pašalinti pažeistas vafliukus, kol jie dar nepadidės dėl išeigos nuostolių.

2.2 Štampo pritvirtinimo ir apvertimo drožlių ertmių patikrinimas

Ląstelių tvirtinimo ertmių tikrinimas yra vienas iš vertingiausių SWIR vaizdavimo pritaikymų puslaidininkių korpusuose. Kai silicio lustas tvirtinamas prie pagrindo arba išvadų rėmo naudojant klijus, litavimo pastą arba sukepinto sidabro lydinius, jungiamajame sluoksnyje gali susidaryti ertmės. Šios ertmės mažina šilumos laidumą, koncentruoja mechaninį įtempį ir sulaiko drėgmę, o tai lemia priešlaikinį įrenginio gedimą dėl terminio ciklavimo.

„Flip-chip“ korpusuose kristalas yra sujungtas priekine puse žemyn per litavimo iškilimus. Pats kristalas veikia kaip natūralus SWIR langas: kamera vaizduoja per silicio kristalo galinę dalį, kad apžiūrėtų litavimo iškilimus ir po ja esantį užpildymo sluoksnį. SWIR vaizdavimas gali atskleisti kristalo tvirtinimo medžiagų tuštumas, kristalo ir pagrindo sąsajų delaminaciją, užpildymo tuštumas ar nepilną užpildymą, taip pat įtrūkusius ar subliuškusius litavimo iškilimus – visa tai neliečiant korpuso.

Dėl to SWIR yra patraukli ir ekonomiška alternatyva rentgeno spindulių patikrai silicio pagrindu pagamintų pakuočių srityje ir žymiai greitesnis pasirinkimas nei akustinė mikroskopija (C-SAM) gamybos linijos tuštumų patikrai.

2.3 IC korpuso apžiūra per hermetiką

Daugelis standartinių epoksidinių liejimo mišinių (EMC), naudojamų puslaidininkių korpusams sandarinti, pasižymi daliniu skaidrumu SWIR bangos ilgiuose. Tai leidžia SWIR kameroms vaizduoti per sandarinimo medžiagą ir tikrinti jungiamuosius laidus, kristalų padėtį ir vidinį konstrukcijos vientisumą – be jokio dekapsuliavimo.

Jungiamojo laido patikrinimas per hermetiką yra išskirtinis pritaikymas. Vielos judėjimas (jungiamojo laido poslinkis liejimo metu) ir vielos nusmukimas gali sukelti trumpuosius jungimus arba nutrūkimus, kuriuos sunku aptikti neardomuoju būdu. SWIR vaizdavimas gali aptikti laido padėties anomalijas per daugelį elektromagnetinio suderinamumo medžiagų, todėl galima atlikti 100 % neardomąjį hermetiškų pakuočių patikrinimą.

2.4 Automobilių maitinimo įrenginių patikra

Galios puslaidininkiai – IGBT, MOSFET ir diodai, naudojami elektromobilių keitikliuose, pramoniniuose pavarose ir galios keitimuose – yra pakuojami laikantis ypač griežtų patikimumo reikalavimų. Ląstelių tvirtinimo taškų lygis tiesiogiai veikia šiluminę varžą (Rth), kuri lemia įrenginio galios valdymo galimybes ir ilgalaikį patikimumą esant terminiams ciklams.

Automobilių gamintojai ir 1 pakopos tiekėjai vadovaujasi AEC-Q101 kvalifikacijos standartais, kuriuose nurodomas didžiausias leistinas tuštumų ploto procentas. SWIR vaizdavimo sistemos vis dažniau integruojamos į gamybos linijoje esančius bandymo įrenginius, skirtus 100 % automobilių galios modulių kristalų tvirtinimo tuštumų patikrinimui, pakeičiant arba papildant rentgeno spindulių patikrinimą greitesniu, be spinduliuotės našumu.

2.5 Saulės elementų ir fotovoltinių įrenginių gamyba

Silicio saulės elementai pasižymi tokiu pat SWIR skaidrumu kaip ir puslaidininkiniai kristalai. Fotovoltinių elementų gamyboje SWIR patikra plačiai naudojama aptikti mikroįtrūkimus, atsiradusius pjaunant elementus, jungiant juos ir laminuojant modulius, taip pat metalizacijos defektus pirštų tinklelyje ir šynų tinkle.

Šiuolaikinės saulės energijos gamybos linijos veikia labai dideliu našumu ir naudoja didelius elementų formatus (M10/G12, iki 210 mm × 210 mm). SWIR linijinio skenavimo tikrinimo sistemos su didelės skiriamosios gebos, didelio našumo optika yra būtinos norint pasiekti aptikimo jautrumą, reikalingą norint išlaikyti našumą GW masto gamybos tempais.

3. Kodėl SWIR lęšis yra svarbiausias optinis komponentas

Bet kurioje SWIR vaizdavimo sistemoje jutiklis (InGaAs detektorius) sulaukia didžiausio dėmesio. Tačiau lęšis yra ne mažiau svarbus ir dažnai pasitaikantis prasto veikimo šaltinis prastai suprojektuotose sistemose.

Standartiniai matomos šviesos kamerų lęšiai netinka SWIR patikrai. Jie sukurti naudojant stiklo formules, elementų konfigūracijas ir antirefleksines dangas, optimizuotas 400–700 nm matomos šviesos diapazonui. Esant SWIR bangos ilgiams:

• Chromatinė aberacija žymiai padidėja – elementai, pakoreguoti pagal matomus bangos ilgius, SWIR diapazone neprognozuojamai perkelia fokusą.
• Pralaidumas sumažėja – daugelis optinių stiklo tipų stipriai sugeria virš 1000 nm spinduliuotę
• Antirefleksinės dangos tampa neefektyvios – matomoje šviesoje optimizuotos dangos atspindi didelę SWIR energijos dalį, sumažindamos kontrastą ir pralaidumą.

Dėl to gaunami neryškūs vaizdai, sumažėjusi raiška, prastas kontrastas ir nepastovus fokusavimas visame lauke – visa tai tiesiogiai pablogina defektų aptikimą. Puslaidininkių tikrinimo srityje, kai taikinys gali būti 50 µm tuštuma arba plonas mikroįtrūkimas, šie kompromisai yra nepriimtini.

Specialiai sukurtas SWIR lęšis išsprendžia visas šias problemas, naudodamas specializuotą stiklo pasirinkimą, optinį dizainą ir dangos technologiją.

4. Wavelength Opto-Electronic„Infra® SWIR“ lęšiai: sukurti puslaidininkių patikrai

Wavelength Opto-Electronic„Infra® SWIR“ lęšių serija specialiai sukurtas reiklioms pramoninėms ir mokslinėms SWIR vaizdavimo reikmėms, įskaitant puslaidininkių tikrinimą. Diapazonas apima bangos ilgius nuo 0.9 µm iki 1.7 µm (pagrindinė SWIR juosta), taip pat nuo 0.9 µm iki 2.5 µm (išplėstinė SWIR juosta) ir nuo 1.5 µm iki 5.0 µm (MWIR / išplėstinė infraraudonoji spinduliuotė), užtikrindamas aprėptį visuose atitinkamuose tikrinimo bangos ilgiuose.

4.1 Platus židinio nuotolio diapazonas

„Infra®“ serijos židinio nuotoliai yra nuo 14 mm iki 200 mm, todėl galima atlikti konfigūracijas nuo plataus lauko plokštelių lygio patikros iki didelio didinimo kristalų ir iškilimų patikros:

• 14 mm (Infra-SW141.1-15) – plataus lauko vaizdavimas didelio ploto plokštelėms arba padėklams apžiūrėti nedideliu atstumu
• 25 mm – universalus bendrosios paskirties židinio nuotolis, galimas su keliomis diafragmos ir detektoriaus konfigūracijomis
• 50 mm – standartinis židinio nuotolis, subalansuojantis matymo lauką ir skiriamąją gebą
• 75 mm – vidutinio nuotolio teleobjektyvas, skirtas didesniam darbiniam atstumui konvejerių sistemose
• 100 mm – teleobjektyvas, skirtas detaliam kristalų ar pakuočių patikrinimui didesniu atstumu
• 200 mm – ilgas židinio nuotolis specializuotoms didelio didinimo arba nuotolinio stebėjimo patikros sistemoms

Šis asortimentas užtikrina, kad inžinieriai galėtų pritaikyti lęšį prie konkrečios tikrinimo geometrijos – nesvarbu, ar vaizduojamas visas 300 mm vaflis iš fiksuoto atstumo, ar sprendžiami atskiri litavimo iškilimai ant smulkaus žingsnio „flip-chip“ korpuso.

4.2 InGaAs detektoriaus suderinamumas

„Infra® SWIR“ lęšiai pritaikyti prie dažniausiai pramoninėse SWIR kamerose naudojamų „InGaAs“ jutiklių formatų:

• 640 × 480, 25 µm pikselių žingsnis – plačiai naudojamas ploto nuskaitymo formatas bendrajai patikrai
• 640 × 512, 15 µm pikselių žingsnis – didesnė raiška, skirta tikslesniam objektų aptikimui
• 1280 × 1024, 10 µm pikselių žingsnis – didelės skiriamosios gebos formatas smulkių detalių patikrai (galima įsigyti tik tam tikruose modeliuose, pvz., „Infra-SW2003.0-21“)
• 1024 × 768, 17 µm pikselių žingsnis – vidutinės skiriamosios gebos formatas išplėstoms SWIR juostoms
• 320 × 256, 30 µm pikselių žingsnis – kompaktiškas formatas, skirtas ribotos erdvės arba pigesnėms konfigūracijoms

Labai svarbu, kad objektyvo optinis dizainas atitiktų detektoriaus pikselių žingsnį: nepakankamos skiriamosios gebos objektyvas 10 µm pikselių jutikliui eikvos jutiklio skiriamąją gebą, o per didelės skiriamosios gebos objektyvas 30 µm pikselių jutikliui padidins nereikalingas išlaidas ir masę. Wavelength Opto-Electronic„“ produktų matrica leidžia lengvai nustatyti tinkamą objektyvo ir jutiklio porą konkrečiai programai.

4.3 Greitos diafragmos, skirtos SWIR vaizdavimui esant silpnam apšvietimui

Silicio SWIR vaizdavimui perdavimo režimu reikalingas pakankamas fotonų srautas, kad detektoriuje būtų pasiektas geras signalo ir triukšmo santykis. „Infra® SWIR“ lęšiai pasižymi greitomis diafragmomis – įskaitant F/1.1 (Infra-SW141.1-15) ir F/1.4 – kurios maksimaliai padidina šviesos surinkimą ir sutrumpina ekspozicijos laiką. Tai ypač svarbu atliekant tiesioginius tikrinimo procesus, kai ciklo laikas yra ribotas, arba vaizduojant storesnius silicio substratus, kai SWIR slopinimas sumažina perdavimo intensyvumą.

4.4 Montavimo lankstumas

„Infra®“ objektyvai tiekiami su C tipo tvirtinimo, M37×0.5, bajoneto ir patentuotais 25.4–32 TPI sriegio tvirtinimo elementais, apimančiais standartines sąsajas, naudojamas visų pagrindinių gamintojų pramoninėse „InGaAs“ kamerose. Tai supaprastina sistemos integraciją ir užtikrina mechaninį suderinamumą su įvairiomis kamerų platformomis.

4.5 Pritaikymo galimybės

Wavelength Opto-Electronic siūlo individualų optinį dizainą ir sistemos pritaikymą taikymams, kurių reikalavimai viršija standartinį gaminių asortimentą. Tai apima individualius židinio nuotolius, modifikuotus atgalinius darbinius atstumus (BWD), nestandartinius tvirtinimo elementus, specializuotas AR dangas siaurajuosčiam SWIR apšvietimui ir integravimą į didesnius optinius mazgus. OEM patikros sistemų kūrėjams ir gamyklinės įrangos integratoriams tai labai svarbu. Wavelength Opto-Electronic vieno šaltinio partneris, siūlantis tiek standartinę, tiek konkrečiai taikymo sričiai skirtą SWIR optiką.

5. Tinkamo „Infra® SWIR“ lęšio pasirinkimas puslaidininkių patikrai

Tinkamo lęšio pasirinkimas puslaidininkių SWIR patikros taikymui apima kelis pagrindinius parametrus:

1. Bangos ilgių diapazonas. Silicio plokštelių ir kristalų patikrai (peršvietimui) optimalus 0.9–1.7 µm diapazonas – čia didžiausias InGaAs jautrumas ir stiprus silicio pralaidumas. Ilgalaikiams SWIR arba MWIR taikymams (kai kurioms kapsulių medžiagoms, tam tikriems sudėtiniams puslaidininkiams) tinka 1.5–5.0 µm Infra® lęšiai.

2. Židinio nuotolis ir darbinis atstumas. Nustatykite reikiamą matymo lauką ir galimą darbinį atstumą savo apžiūros aplinkoje. Trumpesni židinio nuotoliai (14–25 mm) tinka artimo ir plataus lauko stebėjimams; ilgesni židinio nuotoliai (75–200 mm) tinka, kai objektyvą reikia pastatyti toliau nuo mėginio – tai dažnai pasitaiko konvejerių sistemose arba kai apžiūros kamera turi fizinių apribojimų.

3. Detektoriaus formatas. Pritaikykite objektyvo vaizdo apskritimo ilgį ir skiriamąją gebą prie savo „InGaAs“ kameros jutiklio dydžio ir pikselių žingsnio. Naudojant objektyvą, skirtą 640 × 480 / 25 µm jutikliui, su 1280 × 1024 / 10 µm jutikliu, vaizdo kampai bus sušvelninti, o skiriamoji geba bus nepakankamai išnaudota.

4. Diafragma. Didesnė F/# (mažesnis skaičius) surenka daugiau šviesos – tai naudinga fotografuojant su storu siliciu, esant silpnam apšvietimui arba esant dideliam kadrų dažniui. Jei prioritetas teikiamas lauko gyliui (pvz., tikrinant iškreiptus substratus), šiek tiek mažesnė diafragma gali būti tinkamesnė dėl platesnio židinio nuotolio.

5. Laikymo suderinamumas. Patikrinkite C tipo laikiklio arba bajoneto suderinamumą su tiksline „InGaAs“ kamera. Jei naudojate individualiai pritaikytą arba originalios įrangos gamintojų (OEM) konstrukciją, Wavelength Opto-Electronic gali pritaikyti nestandartines tvirtinimo sąsajas.

6. „Infra® SWIR“ lęšių integravimas į jūsų patikros sistemą

Wavelength Opto-Electronic palaiko visą tikrinimo sistemos integravimo procesą, ne tik lęšių tiekimą. Jų produktų portfelyje yra papildomų komponentų, kurie veikia kartu su „Infra® SWIR“ lęšiais visavertėje tikrinimo sistemoje:

• Ploto ir linijinio skenavimo kameros – suderinamos SWIR palaikančios kamerų platformos, skirtos tiek ploto, tiek greitam linijiniam skenavimui
• Mašininio matymo apšvietimas – su SWIR suderinami apšvietimo šaltiniai, skirti transiliuminacijai ir atspindžio tikrinimo įrenginiams
• Juostiniai filtrai – siaurajuosčiai optiniai filtrai, skirti pagerinti kontrastą parenkant konkrečius SWIR bangos ilgius, atitinkančius apšvietimo šaltinį.
• Telecentriniai lęšiai – skirti naudoti ten, kur reikalingas tikslus tuštumų ploto arba įtrūkimų matmenų matavimas be paralakso iškraipymo
• Optinio dizaino ir sistemų pritaikymo paslaugos – integratoriams, kuriantiems individualias apžiūros platformas

Šis ekosistemos metodas reiškia, kad inžinieriai, projektuojantys naują SWIR puslaidininkių tikrinimo stotį, gali įsigyti optiškai suderintus, pritaikymui patvirtintus komponentus iš vieno tiekėjo, o ne surinkinėti komponentus iš kelių tiekėjų, kurių suderinamumas nėra aiškus.

7. SWIR puslaidininkių patikra: technologijų partnerio pasirinkimas

Puslaidininkių inžinieriams ir įrangos pirkėjams, vertinantiems SWIR patikrą, lęšio pasirinkimas nėra vienpusis sprendimas. Netinkamas lęšis – nesvarbu, ar tai būtų perdirbtas matomos juostos lęšis, ar infraraudonųjų spindulių lęšis su netinkamu bangos ilgio padengimu ar nepakankama skiriamąja geba – apribos visos patikros sistemos jautrumą, nepriklausomai nuo „InGaAs“ kameros pajėgumo.

Wavelength Opto-Electronic „Infra® SWIR“ lęšių seriją sukūrė atsižvelgdama į griežtus pramoninių puslaidininkių tikrinimo reikalavimus: platų bangos ilgio aprėptį, visą židinio nuotolio diapazoną, atitinkantį standartinius InGaAs detektorių formatus, greitas diafragmas pralaidiam vaizdavimui per silicį ir individualaus dizaino galimybes reiklioms OEM reikmėms.

Puslaidininkių korpusams toliau tobulėjant – link plonesnio silicio, smulkesnių iškilimų, sudėtingesnių kristalų tvirtinimo konstrukcijų ir aukštesnių automobilių patikimumo reikalavimų – didelio našumo, specialiai sukurtos SWIR optikos poreikis tik augs. Partnerystė su optikos tiekėju, kuris supranta tiek vaizdo fiziką, tiek SWIR puslaidininkių tikrinimo gamybos apribojimus, yra tinkamas pagrindas kuriant tikrinimo galimybes, kurios plečiasi kartu su technologija.

8. Išvada

SWIR puslaidininkių tikrinimo technologija panaudoja natūralų silicio skaidrumą trumpųjų bangų infraraudonųjų spindulių atžvilgiu, kad atskleistų požeminius defektus – įtrūkimus, tuštumas, delaminaciją ir laidų anomalijas – kurie nematomi jokiais kitais neardomaisiais metodais. Ji yra greita, be spinduliuotės ir suderinama su gamybos linijoje esančia aplinka, todėl tai yra pasirinkta tikrinimo technologija plokštelių tikrinimui, kristalų tvirtinimo kokybės kontrolei, apverčiamojo lusto tuštumų aptikimui ir automobilių galios įrenginių kvalifikacijai.

Bet kurios SWIR tikrinimo sistemos veikimas priklauso nuo jos optikos. Wavelength Opto-Electronic„Infra® SWIR“ lęšis serija puslaidininkių inžinieriams ir sistemų integratoriams suteikia platų, specialiai sukurtą lęšių portfelį – apimantį nuo 0.9 µm iki 5.0 µm, židinio nuotolius nuo 14 mm iki 200 mm ir detektorių formatus nuo 320 × 256 iki 1280 × 1024, – pagrįstą individualizuoto optinio projektavimo galimybėmis ir visaverte papildomų SWIR vaizdavimo komponentų ekosistema.