Сканирующая СКВИД-микроскопия

Слева: Схема сканирующего СКВИД-микроскопа в холодильнике с гелием-4 . Зеленый держатель для зонда СКВИД прикреплен к кварцевому камертону . Нижняя часть представляет собой пьезоэлектрический предметный столик. Справа: электронная микрофотография зонда СКВИДа и записанное с его помощью тестовое изображение полосок Nb/Au.

В конденсированного состояния физике сканирующая СКВИД-микроскопия — это метод, при котором сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (СКВИД) используется для изображения напряженности поверхностного магнитного поля с микрометрового масштаба разрешением . Крошечный кальмар устанавливается на наконечник, который затем проводится вблизи поверхности измеряемого образца. Поскольку СКВИД является наиболее чувствительным детектором магнитных полей и может быть изготовлен с субмикрометровой шириной с помощью литографии , сканирующий СКВИД-микроскоп позволяет измерять магнитные поля с беспрецедентным разрешением и чувствительностью. Первый сканирующий микроскоп СКВИДа был построен в 1992 году Блэком и др. С тех пор этот метод использовался для подтверждения нетрадиционной сверхпроводимости в нескольких высокотемпературных сверхпроводниках, включая соединения YBCO и BSCCO .

Принципы работы

Схема кальмара постоянного тока. Электрический ток $I$ входит и разделяется на два пути, каждый с токами $I_{a}$ и $I_{b}$. Тонкие барьеры на каждом пути представляют собой джозефсоновские переходы, которые вместе разделяют две сверхпроводящие области. $\Phi$ 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 слабыми джозефсоновскими переходами (см. рисунок). Выше критического тока джозефсоновских переходов идеализированная разность напряжений между электродами определяется выражением

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

где 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 можно использовать в качестве преобразователя потока в напряжение . Однако, как видно из рисунка, напряжение на электродах колеблется синусоидально в зависимости от 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 на практике очень сложно, 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 силе подмагничивающего магнитного поля, проходящего через СКВИД.

Хотя можно напрямую считывать напряжение постоянного тока между двумя клеммами СКВИДа, поскольку шум имеет тенденцию быть проблемой при измерениях постоянного тока, переменного тока используется метод измерения переменное магнитное поле постоянной амплитуды с напряженностью поля, генерирующей Φ << ₀ . В дополнение к магнитному полю смещения постоянного тока в катушке смещения также излучается . Это переменное поле создает переменное напряжение с амплитудой, пропорциональной постоянной составляющей в СКВИДе. Преимущество этого метода заключается в том, что частоту сигнала напряжения можно выбрать 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.

Инструментарий

Сканирующий СКВИД -микроскоп — это чувствительная система визуализации ближнего поля для измерения слабых магнитных полей путем перемещения сверхпроводящего квантового интерференционного устройства ( СКВИД ) по площади. Микроскоп может отображать скрытые провода с током, измеряя магнитные поля , создаваемые токами, или может использоваться для изображения полей, создаваемых магнитными материалами. Составляя карту тока в интегральной схеме или корпусе, можно локализовать короткие замыкания и проверить конструкцию микросхемы, чтобы увидеть, что ток течет там, где ожидается.

Поскольку материал СКВИДа должен быть сверхпроводящим, измерения необходимо проводить при низких температурах. Обычно эксперименты проводятся при температуре ниже температуры жидкого гелия (4,2 К) в холодильнике гелия-3 или холодильнике разбавления . высокотемпературных сверхпроводников Однако достижения в области выращивания тонких пленок позволили жидким азотом вместо этого использовать относительно недорогое охлаждение . Можно даже измерить образцы при комнатной температуре, всего лишь охладив кальмара с высокой и _{температурой} поддерживая термическое разделение с образцом. В любом случае из-за чрезвычайной чувствительности зонда СКВИДа к рассеянным магнитным полям обычно некоторая форма магнитного экранирования используется . Наиболее распространенным является экран из мю-металла , возможно, в сочетании со сверхпроводящей «банкой» (все сверхпроводники отталкивают магнитные поля посредством эффекта Мейснера ).

Фактический зонд СКВИДа обычно изготавливается путем осаждения тонкой пленки , при этом область СКВИДа обрисовывается литографией . Можно использовать широкий спектр сверхпроводящих материалов, но наиболее распространенными являются ниобий из-за его относительно хорошей устойчивости к повреждениям в результате термоциклирования , и YBCO из-за его высокой > _{температуры} 77 К и относительной простоты осаждения по сравнению с другими сверхпроводящими материалами. Т _c сверхпроводники. сверхпроводник с критической температурой выше рабочей температуры В любом случае следует выбирать . Сам СКВИД можно использовать в качестве приемной катушки для измерения магнитного поля, и в этом случае разрешение устройства будет пропорционально размеру СКВИДа. Однако токи внутри или вблизи СКВИДа генерируют магнитные поля, которые затем регистрируются в катушке и могут быть источником шума. Чтобы уменьшить этот эффект, можно также сделать размер самого СКВИДа очень маленьким, но присоединить устройство к более крупному 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. Меньшее устройство будет иметь большее разрешение, но меньшую чувствительность. Изменение индуцируемого напряжения пропорционально индуктивности устройства, а ограничения в контроле магнитного поля смещения, а также проблемы электроники не позволяют постоянно поддерживать совершенно постоянное напряжение. Однако на практике чувствительность большинства сканирующих СКВИД-микроскопов достаточна практически для любого размера СКВИДа для многих приложений, и поэтому существует тенденция делать СКВИД как можно меньшими для повышения разрешения. Методами электронно-лучевой литографии можно изготавливать устройства общей площадью 1–10 мкм. ² , хотя более распространены устройства размером от десятков до сотен квадратных микрометров.

Сам СКВИД монтируется на консоль и работает либо в прямом контакте с поверхностью образца, либо над ней. Положение СКВИДа обычно контролируется каким-либо электрическим шаговым двигателем . В зависимости от конкретного применения могут потребоваться различные уровни точности высоты устройства. Работа на меньшем расстоянии от образца увеличивает чувствительность и разрешающую способность устройства, но требует более совершенных механизмов контроля высоты зонда. Кроме того, такие устройства требуют значительного гашения вибрации , если необходимо обеспечить точный контроль высоты.

Высокотемпературный сканирующий микроскоп СКВИД

Сканирующий СКВИД-микроскоп

Высокотемпературный сканирующий СКВИД-микроскоп, использующий YBCO SQUID, способен измерять магнитные поля величиной до 20 пТл (примерно в 2 миллиона раз слабее магнитного поля Земли ). Датчик SQUID достаточно чувствителен, чтобы он мог обнаружить провод, даже если по нему протекает ток всего 10 нА на расстоянии 100 мкм от датчика SQUID 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 СКВИДа находится в вакууме и охлаждается до температуры менее 80 К с помощью криоохладителя. Жидкий азот не используется. Во время бесконтактного, неразрушающего формирования изображений образцов комнатной температуры в воздухе система достигает необработанного, необработанного пространственного разрешения, равного расстоянию, отделяющему датчик от источника тока, или эффективному размеру датчика, в зависимости от того, что больше. Однако для наилучшего обнаружения короткого замыкания провода в скрытом слое можно использовать метод обратного преобразования быстрого преобразования Фурье (БПФ) для преобразования изображения магнитного поля в эквивалентную карту тока в интегральной схеме или печатной монтажной плате. Полученную карту тока можно затем сравнить с принципиальной схемой, чтобы определить место неисправности. Благодаря такой постобработке магнитного изображения и низкому уровню шума, присутствующему в изображениях СКВИДа, можно повысить пространственное разрешение в 5 или более раз по сравнению с магнитным изображением, ограниченным ближним полем. Выходные данные системы отображаются в виде изображения напряженности магнитного поля или величины тока (после обработки) в искусственных цветах в зависимости от положения на образце. После обработки для получения величины тока этот микроскоп успешно обнаруживал короткие замыкания в проводниках с точностью до ±16 мкм при расстоянии между датчиком и током 150 мкм.

Операция

Рисунок 1: Электрическая схема СКВИДа, где I _b — ток смещения, I ₀ — критический ток СКВИДа, Φ — поток, проходящий 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, вызванная потоком через СКВИД. Периодичность равна одному кванту потока, Φ ₀

Работа сканирующего СКВИД-микроскопа заключается в простом охлаждении зонда и образца и наведении кончика на область, где необходимы измерения. Поскольку изменение напряжения, соответствующего измеряемому магнитному полю, происходит довольно быстро, сила смещающего магнитного поля обычно контролируется электроникой с обратной связью. Эта напряженность поля затем регистрируется 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 (температура жидкого азота) для высокотемпературных СКВИДов и менее 9 К (температура жидкого гелия) для низкотемпературных СКВИДов. Для систем визуализации магнитного тока используется небольшой (шириной около 30 мкм) высокотемпературный СКВИД. Эта система была разработана для поддержания высокотемпературного СКВИДа, изготовленного из YBa ₂ Cu ₃ O ₇ , охлажденного до температуры ниже 80 К и в вакууме, в то время как тестируемое устройство находится при комнатной температуре и на воздухе. СКВИД состоит из двух туннельных джозефсоновских переходов, соединенных вместе в сверхпроводящую петлю (см. рисунок 1). Джозефсоновский переход состоит из двух сверхпроводящих областей, разделенных тонким изолирующим барьером. Ток существует в переходе без падения напряжения, вплоть до максимального значения, называемого критическим током I _o . Когда СКВИД смещен постоянным током, превышающим 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 под действием внешних магнитных полей. Напряжение на СКВИДе представляет собой нелинейную периодическую функцию 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, используется схема отрицательной обратной связи, которая подает поток обратной связи на СКВИД, чтобы поддерживать общий поток через СКВИД постоянным. В такой замкнутой петле потока величина этого потока обратной связи пропорциональна внешнему магнитному полю, приложенному к СКВИДу. Дальнейшее описание физики СКВИДов и микроскопии СКВИДов можно найти в другом месте.

Обнаружение магнитного поля с помощью SQUID

Визуализация магнитного тока использует магнитные поля, создаваемые токами в электронных устройствах, для получения изображений этих токов. Это достигается посредством фундаментальной физической взаимосвязи между магнитными полями и током, закона Био-Савара:

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

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

В результате ток можно рассчитать напрямую по магнитному полю, зная только расстояние между током и датчиком магнитного поля. Подробности этого математического расчета можно найти в другом месте: но здесь важно знать, что это прямой расчет, на который не влияют другие материалы или эффекты, и что с помощью быстрого преобразования Фурье эти расчеты можно выполнить 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

Сканирующий СКВИД-микроскоп изначально был разработан для эксперимента по проверке парной симметрии высокотемпературного купратного сверхпроводника YBCO. Стандартные сверхпроводники изотропны по своим сверхпроводящим свойствам, то есть для любого направления импульса электрона. $k$ в сверхпроводнике величина параметра порядка и, следовательно, сверхпроводящей энергетической щели будет такой же. Однако в высокотемпературных купратных сверхпроводниках параметр порядка подчиняется уравнению $\Delta (k)=\Delta _{0}(cos(k_{x}a)-(k_{y}a))$, что означает, что при пересечении любого из направлений [110] в импульсном пространстве будет наблюдаться смена знака параметра порядка. Форма этой функции равна форме функции l = 2 сферической гармонической , что дало ей название d-волновая сверхпроводимость. Поскольку сверхпроводящие электроны описываются одной когерентной волновой функцией, пропорциональной exp(- i φ), где φ известна как фаза волновой функции, это свойство также можно интерпретировать как сдвиг фазы π при повороте на 90 градусов.

Это свойство использовали Цуэй и др. путем изготовления серии кольцевых джозефсоновских переходов YBCO, пересекающих плоскости Брэгга [110] одиночного кристалла YBCO (рисунок). В кольце джозефсоновского перехода 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 джозефсоновской цепи, должен быть целым числом, кратным 2π, иначе можно было бы получить различное значение плотности вероятности в зависимости от количества 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 кольцевое устройство Джозефсона, в котором эта плоскость пересекается (2 n +1) несколько раз, разность фаз (2 n между двумя переходами будет наблюдаться +1)π. Для 2 n разность фаз (2 n или даже количества пересечений, как в B, C и D, будет наблюдаться )π. По сравнению со случаем стандартных s-волновых переходов, где фазовый сдвиг не наблюдается, в случаях B, C и D не ожидалось никаких аномальных эффектов, поскольку однозначное свойство сохраняется, но для устройства A система должна выполнять φ=2 n что-то, что необходимо для сохранения условия π. В том же свойстве, что и в сканирующем СКВИД-микроскопе, фаза волновой функции также изменяется в зависимости от величины магнитного потока, проходящего через переход, согласно соотношению Δφ=π(Φ ₀ ). Как и предсказывали Сигрист и Райс, тогда фазовое состояние в переходе может поддерживаться спонтанным потоком в переходе величиной Ф0 _/ 2.

Цуэй и др. использовал сканирующий СКВИД-микроскоп для измерения локального магнитного поля у каждого из устройств на рисунке и наблюдал поле в кольце А, примерно равное по величине Ф0 _/ 2 А , где А — площадь кольца. Устройство наблюдало нулевое поле в точках B, C и D. Результаты предоставили одно из самых ранних и прямых экспериментальных подтверждений спаривания d-волн в YBCO.

Сканирующий микроскоп SQUID может обнаруживать все типы коротких замыканий и проводящих путей, включая дефекты резистивного размыкания (RO), такие как трещины или пустоты, отслоившиеся отверстия, трещины/следы от укусов мыши и сквозные отверстия с трещинами в металлическом покрытии (PTH). Он может отображать распределение мощности в корпусах, а также в трехмерных интегральных схемах (IC) со сквозным кремниевым переходом (TSV), системой в корпусе (SiP), многокристальным модулем (MCM) и многоуровневым кристаллом. Сканирование SQUID также позволяет изолировать дефектные компоненты в собранных устройствах или печатных платах (PCB).

Краткая локализация в усовершенствованном полупроводниковом корпусе Wirebond

Текущее изображение наложило оптическое изображение детали и макет детали.

Оптическое изображение проволочных связей без колпачков, которые поднимаются из матрицы и касаются другой проволочной связи.

Усовершенствованные корпуса с проволочным соединением, в отличие от традиционных корпусов с шариковой решеткой (BGA), имеют несколько рядов контактных площадок на кристалле и несколько ярусов на подложке. Эта пакетная технология поставила новые задачи при анализе отказов. На сегодняшний день неразрушающими инструментами, используемыми для обнаружения коротких неисправностей, были сканирующая акустическая микроскопия (SAM), анализ рефлектометрии во временной области (TDR) и рентгеновский контроль в реальном времени (RTX). К сожалению, эти методы не очень хорошо работают в современных корпусах проводного соединения. Из-за высокой плотности соединения проводов в современных корпусах очень сложно локализовать короткое замыкание с помощью обычного контроля RTX. Без подробной информации о том, где может произойти короткое замыкание, попытка разрушительной декапсуляции с обнажением поверхности кристалла и соединительных проводов полна риска. Мокрое химическое травление для удаления плесневого состава на большой площади часто приводит к чрезмерному травлению. Более того, даже если упаковка успешно вскрыта, визуальный осмотр многоярусных соединительных проводов представляет собой слепой поиск.

Данные сканирующей микроскопии СКВИДа (SSM) представляют собой изображения плотности тока и изображения пиков тока. Изображения плотности тока дают величину тока, а изображения пиков тока показывают путь тока с разрешением ± 3 мкм. Получение данных SSM путем сканирования расширенных пакетов проводной связи — это только половина задачи; локализация неисправности по-прежнему необходима. Важнейшим шагом является наложение текущих изображений SSM или изображений текущего пути на файлы САПР, такие как схемы соединений или изображения RTX, чтобы точно определить место неисправности. Чтобы сделать возможным выравнивание наложения, выполняется оптическое двухточечное выравнивание. Край упаковки и контрольная точка упаковки являются наиболее удобными для совмещения маркировкой упаковки. На основе анализа 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 деобработка для проверки данных SSM. В зависимости от локализации неисправности методы деобработки включают декапсуляцию, параллельный притир или поперечное сечение.

Короткие в многоуровневых упаковках

Рисунок 1(a) Схема, показывающая типичные соединительные провода в корпусе с тройной матрицей, Рисунок 1(b) Рентгеновский вид сбоку реального корпуса с тройной матрицей.

Рисунок 2: Наложение плотности тока, оптических изображений и изображений САПР в трехрядном корпусе кристалла с режимом короткого замыкания в цепи электрического тока.

Рисунок 3: Изображение поперечного сечения, показывающее, как соединительный провод касается кристалла, вызывая утечку сигнала на землю.

Электрические замыкания в многорядных корпусах кристаллов может быть очень трудно изолировать неразрушающим способом; особенно когда большое количество соединительных проводов каким-либо образом закорочено. Например, когда короткое замыкание возникает из-за двух соприкасающихся проводов, рентгеновский анализ может помочь определить места потенциальных дефектов; однако такие дефекты, как миграция металла, возникающая на контактных площадках или соприкосновение соединительных проводов с какими-либо другими проводящими структурами, может быть очень трудно обнаружить с помощью неразрушающих методов, которые не являются электрическими по своей природе. Здесь наличие аналитических инструментов, которые могут составить карту потока электрического тока внутри корпуса, предоставляют ценную информацию, которая поможет аналитику неисправностей найти потенциальные места дефектов.

На рисунке 1а показана схема нашего первого тематического исследования, состоящего из трехрядного набора кристаллов. Рентгеновское изображение на рисунке 1b предназначено для иллюстрации проблемы поиска потенциальных коротких мест, представленных для аналитиков отказов. В частности, это один из блоков, которые периодически выходили из строя и восстанавливались в ходе испытаний на надежность. На этих установках были выполнены рефлектометрия во временной области и рентгеновский анализ, но безуспешно изолировать дефекты. Также не было четких указаний на дефекты, которые потенциально могли вызвать наблюдаемый режим электрического короткого замыкания. Две из этих единиц были проанализированы с помощью SSM.

Электрическое соединение неисправного контакта с заземляющим контактом привело к образованию пути электрического тока, показанного на рисунке 2. Этот электрический путь убедительно свидетельствует о том, что ток каким-то образом течет через все заземляющие сети, хотя проводящий путь расположен очень близко к контактным площадкам сверху вниз. вид упаковки. На основе электрического анализа и анализа компоновки корпуса можно сделать вывод, что ток либо течет через контактные площадки, либо что проводные соединения каким-то образом касаются проводящей структуры в указанном месте. После получения аналогичных результатов SSM на двух тестируемых устройствах дальнейший разрушающий анализ был сосредоточен вокруг небольшой потенциально короткой области и показал, что неисправный штифтовый провод касается нижней части одной из сложенных игральных костей в определенном положении XY, выделенном анализом SSM. . Разрез одного из таких агрегатов показан на рисунке 3.

Аналогичный дефект был обнаружен и во втором блоке.

Короткое замыкание между штифтами в упаковке формовочного компаунда

Рис. 1. Изображение упаковки SQUID с указанием места замыкания.

Рисунок 2: Радиографическое изображение нити высокого разрешения шириной 2,9 микрометра. На изображении видно, что нить накала проходит под обоими закороченными проводами.

Неисправность в этом примере характеризовалась как короткое замыкание на сопротивление 8 Ом между двумя соседними контактами. Соединительные провода к интересующим контактам были обрезаны, но это не повлияло на короткое замыкание, измеренное на внешних контактах, что указывает на наличие короткого замыкания в корпусе. Первоначальные попытки выявить дефект с помощью обычного рентгенографического анализа оказались безуспешными. Вероятно, самой сложной частью процедуры является определение физического местоположения короткого замыкания с достаточно высокой степенью достоверности, чтобы можно было использовать разрушительные методы для обнаружения материала короткого замыкания. К счастью, сейчас доступны два аналитических метода, которые могут значительно повысить эффективность процесса локализации неисправности.

Обнаружение сверхпроводниковых квантовых интерференционных устройств (СКВИД)

Одной из общих характеристик 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 можно обнаружить сверхпроводящими датчиками. Приборы, оснащенные такими датчиками, могут отслеживать путь короткого замыкания по всей его длине через деталь. Детектор СКВИД уже много лет используется для анализа отказов. и теперь коммерчески доступен для использования на уровне пакета. Способность SQUID отслеживать поток тока обеспечивает виртуальную дорожную карту короткого замыкания, включая расположение на виде в плане закорачивающего материала в упаковке. Мы использовали оборудование SQUID в Neocera для исследования неисправности интересующего пакета, на выводах которого пропускался ток 1,47 миллиампер при напряжении 2 вольта. СКВИД-анализ детали выявил четкий путь тока между двумя интересующими контактами, включая расположение проводящего материала, соединяющего два контакта. СКВИД-скан детали показан на рисунке 1.

Маломощная рентгенография

Второй метод определения неисправности будет взят несколько в стороне, так как он использовался для характеристики этого отказа после SQUID-анализа, в качестве оценочной выборки 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 раньше невозможно было обнаружить. Оборудование компании Xradia использовалось для проверки неудовлетворительного результата этого анализа. Пример их результатов показан на рисунке 2. Показанная деталь (которая также является материалом, ответственным за неисправность) представляет собой медную нить шириной примерно три микрометра в поперечном сечении, которую невозможно обнаружить с помощью нашего собственного рентгенографического оборудования. .

Принципиальным недостатком этого метода является то, 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 получить от этого максимальную пользу, аналитику действительно необходимо уже знать, где находится сбой. Это делает маломощную рентгенографию полезным дополнением к СКВИДу, но не эффективной заменой ему. Вероятно, лучше всего использовать его сразу после СКВИДа, чтобы охарактеризовать морфологию и глубину закорачивающего материала, как только СКВИД определит его местоположение.

Короткометражка в 3D-пакете

Рисунок 1: Внешний вид модуля EEPROM показывает ось координат, используемую при выполнении визуализации ортогонального магнитного тока. 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 для отображения только самого сильного тока 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 выявила внешних признаков неисправности. Координатные оси устройства были выбраны, как показано на рисунке 1. Рентгенография модуля проводилась в трех ортогональных видах: 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 — плоскость yz. На рентгенограммах аномалий не отмечено. Превосходное расположение компонентов на мини-платах позволило обеспечить беспрепятственный вид мини-плат сверху вниз. Было замечено, что внутренняя конструкция модуля состоит из восьми сложенных друг на друга мини-плат, каждая из которых имеет одну микросхему и конденсатор. Мини-платы соединяются с контактами внешнего модуля с помощью позолоченной внешней части корпуса. Внешний осмотр показал, что вырезанные лазером бороздки создали внешнюю цепь на устройстве, которая используется для включения, чтения или записи любого из восьми устройств EEPROM в инкапсулированном вертикальном стеке. Что касается номенклатуры, то на золотых панелях, вырезанных лазером, на внешних стенках упаковки были указаны номера контактов. Восемь мини-плат имели маркировку от TSOP01 до TSOP08, начиная с нижней части корпуса рядом с контактами устройства.

Электрические испытания между контактами подтвердили, что контакты Vcc 12, 13, 14 и 15 электрически общие, предположительно через общую внешнюю золотую панель на стенке корпуса. Аналогично, контакты Vss 24, 25, 26 и 27 были обычными. Сравнение с рентгеновскими изображениями показало, что эти четыре штифта сходились в одну широкую дорожку на мини-платах. Все контакты Vss были закорочены на контакты Vcc с помощью перемычки.сопротивление, определенное по наклону IV, составляет примерно 1,74 Ом, причем низкое сопротивление указывает на нечто иное, чем дефект электростатического разряда.Аналогичным образом, электрическое перенапряжение считалось маловероятной причиной отказа, поскольку деталь не находилась под напряжением с момента ее аттестации на заводе. Трехмерная геометрия модуля EEPROM предполагала использование изображения магнитного тока (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

Кальмары — самые чувствительные из известных магнитных датчиков. Это позволяет сканировать токи силой 500 нА на рабочем расстоянии около 400 микрометров. Что касается всех ситуаций ближнего поля, разрешение ограничено расстоянием сканирования или, в конечном итоге, размером датчика (типичные СКВИДы имеют ширину около 30 мкм), хотя усовершенствования программного обеспечения и сбора данных позволяют определять токи в пределах 3 микрометров. Для работы СКВИД-сенсор должен храниться в прохладном месте (около 77 К) и в вакууме, при этом образец при комнатной температуре растрово сканируется под сенсором на некотором рабочем расстоянии z, отделенном от корпуса СКВИДа тонкой прозрачной пленкой. алмазное окно. Это позволяет сократить 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 xy в плоскости ИУ). Это не означает, что нам не хватает вертикальной информации; в простейшей ситуации, если путь тока перескакивает из одной плоскости в другую, приближаясь при этом к датчику, это будет проявляться в большей напряженности магнитного поля для участка, расположенного ближе к датчику, а также в более высокой интенсивности плотности тока. карта. Таким образом, вертикальная информация может быть извлечена из изображений плотности тока. Более подробную информацию о MCI можно найти в другом месте.

См. также

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

Внешние ссылки

• Джон Киртли , один из пионеров сканирующей микроскопии СКВИДов.
• Конструкция и применение сканирующего СКВИД-микроскопа. Архивировано 6 июля 2008 г. в Wayback Machine.
• Центр исследований сверхпроводимости, Университет Мэриленда
• ООО «Неосера»