Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 17 сентября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Современный подход к организации контроля полупроводниковых устройств

Изделия микроэлектроники все глубже проникают в нашу жизнь, предоставляя новые возможности в различных областях: телекоммуникациях, компьютерах, системах управления и обеспечивая более комфортные условия жизни. Микроэлектронные изделия, применяемые в системах управления, сопряженных с источниками повышенной опасности (транспорт, экология, энергетика), а также в системах оборонного назначения, должны удовлетворять повышенным требованиям к качеству и надёжности. Ведь проблемы с копеечным чипом могут обернуться многомиллионными убытками или поставить под угрозу человеческую жизнь. К сожалению, за примерами далеко ходить не надо… Вопросам организации эффективного электрического контроля изделий микроэлектроники у их изготовителей и на этапе входного контроля у потребителей посвящена данная статья.

Ключевые моменты тестопригодной разработки

В этой статье идет речь о принципах тестопригодной разработки (DFT — Design-For-Testability) с учетом технологии периферийного (граничного) сканирования для последующего производственного и опытного тестирования плат. До сих пор многие разработчики воспринимают JTAG как метод локальной верификации соединений или способ программирования ПЗУ и ПЛИС, а не как полноценный тестовый метод для выявления разнообразных дефектов. Между тем, JTAG давно уже «вырос» из примитивного подручного средства «прозвонки» и позволяет проверять цепи устройств памяти, связующей логики, разъемов, интерфейсных устройств. Статья знакомит читателя с «классическим» набором правил тестопригодной разработки, проиллюстрированных практическими примерами и пояснениями.

Особенности нанесения фоторезиста при производстве МЭМС-устройств

 

2 июня

Технология лазерной маркировки материалов



О

дним из важнейших процессов современного производства является маркировка выпускаемой продукции. Маркировка деталей, узлов или конечного изделия позволяет производителю контролировать объём выпускаемой продукции, контролировать качество и продвигать свою торговую марку. Конечный пользователь получает на маркированном изделии информацию о типе и параметрах продукции и гарантию качества от производителя. Из существующих способов маркировки наиболее современным и гибким методом является лазерная маркировка, ибо она позволяет управлять лазерным излучением, точно дозируя энергию для маркировки в пространстве и во времени. Номенклатура материалов, маркируемых лазером, очень широка: металлы и сплавы, керамика, пластик, полупроводники, стекло, дерево и т.д. Лазерная маркировка не влияет на свойства маркируемой продукции и осуществляется качественно, точно и быстро.

Физические основы лазерной маркировки

Взаимодействие падающего потока лазерного излучения с материалом зависит от трех составляющих — меры отраженного, поглощенного и прошедшего излучения (рис. 1). Отраженное и прошедшее излучение не отдает энергию материалу, таким образом, маркировка определятся количеством поглощенной энергии. Поглощательная способность зависит от длины волны падающего излучения, которая также определяет мощность падающего излучения.

Рис. 1. Воздействие лазерного излучения с материалом

С уменьшением длины волны увеличивается энергия лазерного излучения E=h*с/λ, где, h — постоянная Планка, с — скорость света в вакууме, а λ — длина волны (рис. 2). К тому же с уменьшением длины волны уменьшается отражательная способность материалов, а, следовательно, большее количество энергии будет поглощено обрабатываемым материалом.

Рис. 2. Зависимость энергии лазерного излучения от длины волны

Поглощенная материалом энергия тратится либо на вибрационное или электронное возбуждение, либо на осуществление фотохимической реакции.

При вибрационном возбуждении (рис. 3) поглощенная энергия фотона вызывает молекулярные колебания в материале, включая растяжения, изгибы или вращения связей, которые скрепляют атомы. При поворотах молекулярные колебания заставляют атомы тереться друг о друга, что приводит к увеличению температуры и передаче колебаний к смежным атомам.

Рис. 3. Вибрационное возбуждение

Если падающий фотон имеет достаточно высокую энергию, он может вызвать электронное возбуждение (рис. 4). После поглощения возбужденный электрон может потратить полученную энергию различными способами — на эмиссию фотона или на вибрационное возбуждение.

Рис. 4. Вибрационное возбуждение

Эмиссия фотона не будет изменять материал или его свойства, но вибрационное возбуждение, вследствие выделения тепла, может изменить материал.

Фотохимическая реакция происходит, если поглощенная энергия фотона вызывает химическую реакцию. Примером фотохимического поглощения является восстановление диоксида титана TiO2. Диоксид титана, цвет которого белый, обычно добавляется к пластмассам как пигмент.

UV фотон может разрушить химические связи и удалить часть кислорода (восстановление). Маркированная область пластмассы становится черной — образуется четко различимый контраст. Из всех процессов для фотохимических реакций требуется самое большое количество энергии фотона.

Типы лазерной маркировки

Существует четыре типа лазерного воздействия на поверхность обрабатываемого материала (рис. 5).

Рис. 5. Типы воздействия лазерного излучения на поверхность обрабатываемого материала

Создание поверхностного контраста — характеризуется высокими скоростями сканирования луча по поверхности и/или короткими продолжительностями пульсов. Цвет изменяется только на поверхности материала, которая поглощает свет. Это создаёт видимый контраст с необработанной поверхностью материала. Данный тип известен как фотохимический эффект. Таким способом, например, зачастую маркируются этикетки товаров. При этом используется специальная термобумага, меняющая окраску под действием луча. Аналогичным способом работают некоторые факсимильные аппараты.

К преимуществам данного типа маркировки можно отнести:

– низкую мощность, необходимую для создания рисунка;

– компактность оборудования, работающего по этой технологии;

– сверхвысокую производительность (скорость сканирования луча может достигать 1500 мм/сек);

– возможность получения высокой разрешающей способности;

– безконтактность обработки.

Недостатками являются:

– необходимость применять для маркировки специальные материалы;

– возможная порча отпечатка со временем под действием солнечного света, температуры и др.

Оплавление поверхности — более медленный процесс, при котором материал достигает температуры плавления и через химический распад, эффекты окисления или изменение в поверхностной морфологии обеспечивает видимую маркировку. Редко применяется при маркировке металлических поверхностей из-за низкого контраста. Например, белая маркировка на темных пластмассовых поверхностях появляется из-за вспенивания пластмассы, обрабатываемой лазерным лучом. Лазерный луч плавит пластмассу, в которой создаются пузырьки газа из-за сгорания углерода с образованием CO2 или непосредственно теплового разложения пластмассы. Пузырьки газа поднимаются у поверхности, но не покидают материал из-за отвердевания расплавленного пластика, образуя пену. К вспениванию склонны полиолефины и полиэтилены высокой плотности. Основным недостатком данного метода является низкая износостойкость маркировки.

Гравировка поверхности или полное удаление материала — самый медленный процесс маркировки, поскольку материал выпаривается. Маркировка становится хорошо видимой, поскольку окружающий свет противопоставляет глубину канала рядом с немаркированным материалом. Технология получила широкое применение во всех областях производства. В микроэлектронике она применяется для маркировки заготовок, изделий и оснастки на всех стадиях разработки и производства, например, для кремниевых пластин.

Значительную роль в данном типе маркировки играют параметры обрабатываемого материала. Наиболее существенные из них — теплопроводность, скрытая теплота испарения и коэффициент отражения лазерного излучения. Если исходить из того, что весь удаляемый материал испаряется, то количество материала, которое можно удалить с помощью лазера, будет ограничиваться величиной скрытой теплоты испарения. Максимальная глубина слоя испаряемого материала определяется следующим образом:

где с — удельная теплоемкость, Т1 — температура кипения, Т0 — температура окружающей среды, L — скрытая теплота парообразования, А — облучаемая площадь, — плотность материала, Е0 — энергия, полученная под действием лазерного импульса. Формула непосредственно вытекает из закона сохранения энергии. Стоит отметить, что вся энергия лазерного импульса делится на поглощенную Е0 и отраженную.

Формула дает лишь приблизительную оценку. Важно понимать, что теплофизические параметры материалов изменяются в зависимости от температуры образца и длины волны излучения. График изменения коэффициента поглощения для некоторых материалов представлен на рис. 6. Сильнейшее влияние на форму получаемого отверстия оказывает модовый состав (распределение энергии внутри пучка).

Рис. 6. Зависимость коэффициента поглощения лазерного излучения от длины волны (А — стекло, В — глиноземная керамика, С — кремний, D — железо)

Также значительное влияние на процесс маркировки оказывает мощность излучения. При этом зависимость очень сложно описать аналитически, так как на разных уровнях плотности энергии процессы протекают по-разному.

При медленном нагреве непрерывным лазером наиболее важным критерием является отвод тепла вглубь материала. В этом случае точка испарения получается достаточно большой. Для плоских образцов большую роль играет толщина. Если объем подводимой энергии превышает объем энергии, отводимой теплопередачей, происходит плавление материала. С увеличением интенсивности (т.е. перехода к импульсным лазерам), существенное влияние начинает оказывать вторичное излучение с поверхности и, как следствие, отвод энергии в окружающую среду. При достижении уровня
105 Вт/см2 процесс начинает проявлять новые свойства. Это связано с тем, что над поверхностью образца создается облако плазмы, частично экранирующее поверхность. Потери энергии в этом случае могут достигать 40%. Для того, чтобы избежать возникновения такого явления, следует делать небольшую паузу при подаче импульсов лазера. Дальнейший рост удельной энергии излучения активирует процесс механического разрушения материала совместно с термическим. В этом случае на поверхности происходит микровзрыв. Взрывы способствуют выдавливанию всего материала, находящегося в жидкой фазе, и разбрызгиванию его на значительные расстояния, сравнимые и даже иногда превосходящие, диаметр пучка обработки.

Этапы взаимодействия лазерного излучения с веществом по мере увеличения удельной энергии излучения показаны на рис. 7.

Рис. 7. Этапы взаимодействия лазерного излучения с веществом

Кроме того, резкий нагрев стимулирует протекание различных химических реакций в зоне воздействия. При работе без создания особой среды превалируют процессы окисления. Этот фактор играет существенную роль для маркировки изделий, поскольку позволяет получать химические соединения цвета, отличного от основного материала. Зачастую этот слой прочно держится на поверхности и позволяет добиваться качественного изображения. Простое удаление материала чаще всего осуществляется на относительно небольшую величину и не позволяет добиться нанесения хорошо различимых символов.

Гравировка поверхности с оплавлением — комбинация удаления материала с оплавлением, которое происходит в основе гравированного канала.

Маркировка изделий микроэлектроники

На сегодняшний день, несмотря на многообразие лазеров, реальное коммерческое применение для маркировки получили системы с твердотельными лазерами с длиной волны 1,06 мкм и СО2-лазерами (10,6 мкм).

Для микроэлектроники характерен достаточно широкий спектр материалов для маркировки. Наиболее используемыми являются металлы, пластиковые и керамические корпуса изделий, кремний, органические материалы.

На производственном участке сборки микросхем отдела микротехнологий НИИСИ РАН для маркировки используется система, представленная на рис. 8.

Рис. 8. Основные узлы системы маркировки: 1 — пассиковая транспортная система;
2 — излучатель (оптическая схема); 3 — блок сканирования луча (схема); 4 — лифт загрузки (схема); 5 —фотография лифта загрузки с установленной кассетой (транспортная тара); 6 — фотография лифта загрузки; 7 — фотография пассиковой транспортной системы с загруженной лодочкой (транспортной тарой). Блок управления лазером не показан.

Процесс маркировки происходит благодаря локальному испарению и расплавлению материала под действием импульса лазерного излучения. При этом важную роль также играют химические процессы, стимулируемые монохроматическим излучением и высокой температурой в зоне действия лазера.

Основные характеристики установки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики установки маркировки

Характеристики излучателя

Тип лазера

Лазер на иттрий–алюминиевом гранате

с блоком генерации второй гармоники

Класс лазера

4

Длина волны

532 нм

Средняя мощность

15 Вт

Максимальная пиковая мощность

150 КВт

Тип накачки

Диодная

Тип охлаждения

Двухконтурное водяное

Тип затвора

Оптоэлектрический

Длина импульса

3-50 нс

Характеристики оптической головки

Тип системы создания изображения

Зеркальная отклоняющая

Фокусное расстояние

160 мм

Рабочее расстояние от головки

201,5 мм

Регулировка фокусного расстояния

±6,96 мм

Размеры рабочего поля

110х110 мм

Допустимый диапазон частот

5-100 кГц

Мин. размер получаемой точки

35 мкм

Диаметр минимального пятна

20 мкм

Скорость сканирования

1-5000 мм/с

1. Металлокерамические корпуса

В качестве задачи маркировки керамических поверхностей требовалось нанесение матричного (2D) кода уникального номера металлокерамического корпуса для последующего его машинного считывания, его визуально читаемой расшифровки, номера партии и другой информации. Работы проводились для керамики различных видов.

Код наносится для обеспечения прослеживаемости выпускаемой продукции. Выдача кода, его хранение, привязка корпуса к кристаллу, взаимодействие с внешними базами данных предприятия обеспечивается с использованием ПО разработки специалистов НИИСИ РАН и встроенных возможностей ПО системы маркировки. Такая система позволяет анализировать отказы, возникающие в процессе испытаний и эксплуатации и проконтролировать как, когда и кем выполнялась каждая операция технологического процесса.

Особенность задачи в том, что свободная поверхность для маркировки в некоторых случаях имеет вид полосы шириной не более 1,5 мм. При этом точность позиционирования корпуса с использованием автоматической транспортной системы составляет ±0,2 мм. Таким образом, требуется нанести четкий контрастный машинно читаемый код высотой не более 1 мм. Рекомендованная высота кода составляет 4—10 мм.

Была проведена серия экспериментов по подбору параметров, которые показали следующее:

1. при малой и средней удельной мощности следов не остается;

2. при максимальной удельной мощности образуется маркировка в виде ряда углублений, но из-за отсутствия контраста они практически не читаемы;

3. в узком диапазоне технологических параметров образуется соединение контрастного цвета;

4. для создания «залитой» поверхности наиболее эффективна последовательность параллельных линий. При этом для обработки в фокусе линии получаются слишком тонкими и контрастный материал выкрашивается. В связи с этим фокус смещен относительно поверхности. Частота линий должна быть заметно больше их ширины;

5. технологические параметры для нанесения надписей могут отличаться от параметров «заливки» поверхностей.

2. Оснастка из нержавеющей стали

Единственным требованием была визуальная читаемость. В связи с этим использовались максимальная мощность и скорость, при которых обеспечивается читаемость. Маркировка оснастки такого типа сложности не представляет. Можно отметить, что в зависимости от параметров можно добиться различных оттенков и даже цветов, что расширяет возможности для художественно-оформительских работ.

3. Оснастка с анодированными поверхностями

Аналогично предыдущей задаче требовалась исключительно читаемость. Наиболее удачным решением было признано удаление покрытия. При этом использовался механизм не испарения или расплавления материала, а механизм его разрушения. Маркировка получается контрастная и хорошо читаемая. Подбор параметров сложности не представляет.

4. Крышки корпусов различных типов

Крышка корпуса представляет собой коваровую пластинку толщиной 0.4 мм, покрытую от одного до четырех слоев золотом или никелем малой толщины. Маркировка должна быть визуально читаемой и не нарушать коррозионную стойкость.

Толщина коррозионно-стойкого слоя крышки очень мала. Как правило, коррозионным слоем является слой никеля толщиной до 3 мкм. Удалось получить четко различимый контраст оплавлением слоя никеля с частичным удалением материала, не превышающим в глубину 1—1,5 мкм. Тем самым сохранялась коррозионная стойкость крышки. Контрастность символов можно повысить увеличением толщины линий (метод «заливки» или конгруэнтных изображений). Рекомендуется увеличение частоты следования импульсов для лучшего перекрытия точек и создания более равномерной зоны маркировки.

При проведении экспериментов по оценке полученной коррозионной стойкости было отмечено, что в ряде случаев маркированная поверхность более стойкая, чем основная. Это связано с тем, что при обработке материала происходит дополнительная закалка материала в области маркировки.

5. Кремниевые пластины

Стояла задача минимизировать повреждения поверхности, не допустив создания внутренних трещин, искажения геометрии и иных очагов напряжений. Это вызвано тем, что пластина подвергается утонению и может разрушиться при наличии внутренних дефектов.

Поскольку область маркировки зачастую покрыта следами предыдущих обработок, маркировка за счет изменения цвета без внедрения в поверхность невозможна. Для мягкого внедрения использованы многократные проходы, высокая скорость при относительно большой мощности, смещение фокуса (быстрое расплавление/испарение без перехода к последней стадии, рис. 7). Для улучшения читаемости используются широкие линии.

Из вышеизложенного видно, что лазер — это универсальный инструмент маркировки, дающий возможности использования различных механизмов создания рисунков, таких как стимуляция химической реакции, расплавление и перемешивание материалов, испарение материала, разрушение верхнего слоя и т.д.

Все эти методы отработанны и применяются в НИИСИ РАН с использованием всего одной технологической установки.

Установка имеет развитое и функциональное ПО, которое позволяет использовать файлы распространенных форматов (графические, AutoCad и т.п.), соединять оборудование с сетью для контроля процесса, выдачи информации для маркировки из внешних источников, удаленного управления и т.п. Это заметно расширяет возможности и облегчает процесс разработки программ.

К рекомендациям по выбору оборудования можно добавить, что наиболее удобными являются установки с длиной волны видимого или УФ-спектра. Это связано с тем, что металлы и некоторые другие материалы имеют высокий коэффициент отражения в ИК-диапазоне, что резко увеличивает требования к мощности. Наиболее распространен зеленый цвет. Для органических материалов и материалов, содержащих опасные компоненты, необходимо иметь систему вентиляции для удаления дыма и испаряемых материалов, которые вредны для здоровья, а при осаждении на оптику могут её повредить. Важным параметром оборудования является стабильность мощности излучателя. Так как, например, флуктуация мощности в 5—7% может повлечь за собой прожиг материала, снижая коррозионную стойкость изделия или сделать маркировку нечитаемой.

Новые возможности современных лазерных систем для маркировки

Технология лазерной маркировки не стоит на месте. Появляются более дешевые и универсальные решения. Например, применение специальной f-θ линзы в установке лазерной маркировки ML-9001 (рис. 9) на основе Nd:YAG с диодной накачкой позволяет получать одинаковый размер пятна по всей области маркировки, при этом размеры рабочей области 294×294 мм, что в ряде случаев позволяет обойтись без сложной и дорогостоящей системы транспортировки обрабатываемых образцов.

Рис. 9. Установка лазерной маркировки ML-9001 компании MIYACHI на основе Nd:YAG с диодной накачкой

Оптоволоконные лазеры, появившиеся в последнее время на рынке лазерных технологий, дают новые технологические возможности для маркировки материалов. Их особенность — более высокое качество лазерного пучка. ОВ-лазеры имеют высокие рабочие частоты и обеспечивают за счет этого более высокую производительность, также у них лучшее разрешение изображения из-за стабильности лазерного луча. Еще одной особенностью этих лазеров является возможность управления модовым составом лазерного пучка, что позволяет увеличивать перечень обрабатываемых материалов и точно дозировать энергию пучка.

Благодаря оптоволоконным лазерам появляется возможность использования цветной маркировки для ряда материалов, таких как железо, титан и их сплавы, цирконий и др. ОВ-лазеры дают возможность точно и стабильно в пространстве и времени дозировать энергию лазерного пучка и формировать четкие структуры на поверхности металлов. Это позволяет обеспечивать появление оксидных пленок определенного состава на поверхности материалов, особенно на металлах и сплавах, способных образовывать цветные окислы. Конечно, цветная маркировка может получиться и у лазеров с диодной и даже с ламповой накачкой, однако этот эффект будет сложновоспроизводимым и неустойчивым.

Особой привлекательностью данного лазера является его более низкая стоимость по сравнению с другими. Также оптоволоконный лазер не требует водяного охлаждения, что позволяет внедрять его в производство без организации сложных подключений. Примером такого лазера служит оптоволоконный лазер ML-7320C фирмы MIYACHI (рис. 10).

Рис. 10. Оптоволоконный лазер ML-7320C фирмы MIYACHI

Заключение

Лазерная маркировка — перспективное и динамично развивающееся технологическое направление. Прогресс в области электроники и программного обеспечения существенно повышает конкурентоспособность лазерных методов маркировки по сравнению с традиционными. Появление мощных лазеров новых типов позволяет создавать компактное оборудование, удобное для пользователя.

 



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Николай Коденко ведущий инженер ОМТ НИИСИ РАН; Александр Иванов старший инженер отдела сервиса НПЭК ЗАО Предприятие Остек, micro@ostec-group.ru



Комментарии

1 / 1
1

113 октября, 14:12

@@@@ newlaser

Лазерные маркеры

Есть лазерные маркеры российского производства. Делают в Лазерном Центре (СПб)

1 / 1
1

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты