ПРИМЕНЕНИЕ МУЛЬТИЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦИФРОВОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ С НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРОЙ

УДК 681.2
М.С. ГРИГОРОВ, О.О. БАСОВ
M.S. GRIGOROV, O.O. BASOV
ПРИМЕНЕНИЕ МУЛЬТИЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦИФРОВОЙ
РЕНТГЕНОГРАФИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ С НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРОЙ
USE OF MULTIENERGY DIGITAL RADIOGRAPHY FOR QUALITY
CONTROL OF MICROELECTRONICS PRODUCTS WITH
HETEROGENEOUS STRUCTURE
В статье приводится описание метода цифровой мультиэнергетической рентгенографии, который
позволит повысить эффективность контроля качества изделий микроэлектроники за счет существенного
повышения качества формирования рентгеновских изображений с неоднородной структурой и точности
разделения изображений их функциональных узлов.
Ключевые слова: рентгеновское изображение, цифровая рентгенография, изделие микроэлектроники.
The method of digital multienergy radiography which will allow to increase the efficiency of quality control of
microelectronics products by the essential improvement of the quality of X-ray images with heterogeneous structure and
the accuracy of image separation of functional node is given in the article.
Keywords: X-ray image, digital radiography, microelectronics product.
Обеспечение требований ГОСТ Р 53429-2009 [1], ГОСТ Р 53432-2009 [2]
и заказчика изделий микроэлектроники (ИМ) достигается за счет контроля качества,
проводимого на различных стадиях производства. В случаях применения внешних
экранирующих слоев, монтажа на многослойные печатные платы, а также современных
конструкций печатных узлов с использованием компонентов в корпусах BGA, µBGA, FlipChip и т.д., контроль качества изделий возможен только с помощью проведения
рентгеновского контроля, а получение изображения внутренней структуры объекта
контроля (ОК) с неоднородной структурой – с использованием мультиэнергетической
цифровой рентгенографии.
Известно, что в рентгеновских лучах за исследуемым объектом содержится
информация об интенсивности, спектральном составе и фазе электромагнитных волн
рентгеновского участка спектра. Однако до использования в рентгенотехнике цифровых
технологий доступной для визуализации была только интенсивность невидимого теневого
изображения. Кроме того, безуспешными были попытки автоматического обнаружения
внутренних дефектов в изделиях с неоднородной структурой, содержащих
функциональные элементы с различным числом слоев, толщиной и линейным
коэффициентом ослабления (ЛКО). Цифровые технологии позволили реализовать целый
ряд методик, увеличивающих возможности рентгенотехники. В работе описана суть
мультиэнергетической цифровой рентгенографии и представлены области ее применения.
Мультиэнергетическая рентгенография основана на последовательном облучении
исследуемого ОК рентгеновским излучением различного спектрального состава (рис. 1) [3].
При этом источник рентгеновского излучения 1 генерирует излучение 2, имеющее на
поверхности ОК 3 интенсивность I 0 . При взаимодействии материала ОК с широким пучком
излучения образуются рассеянные фотоны 4, энергия которых преобразуется линейкой
детекторов 5 в электрический сигнал. Снижение влияния рассеянного рентгеновского
излучения на результат детектирования при этом достигается за счет применения
коллиматора детектора (на рисунке 1 не показан).
Рисунок 1 – Взаимодействие рентгеновского излучения с объектом контроля
Интенсивность излучения за ОК ослабляется до уровня:
 t d t
,
(1)
I  I0  e t
где t – ЛКО излучения t-м слоем (материалом) ОК (ИМ); d t – его толщина.
Например, за функциональным узлом 3.1 интенсивность излучения уменьшается в
 1d1   3 d 3 
e
раз, за узлом 3.2 – в e  1d1   2 d 2   3 d 4  раз. Распределение излучения за
объектом принято называть рентгеновским изображением. Это связано не только
с изменением толщины слоев ОК, но и со значением ЛКО веществом каждого слоя.
В [4] доказано, что оптимальным с точки зрения качества рентгеновского излучения
является излучение с ЛКО   2 d , которое в зависимости от неоднородности ОК задается
напряжением источника рентгеновского излучения, материалом и толщиной фильтра. От
напряжения зависит спектр излучения, а фильтр убирает низкоэнергетическую
компоненту спектра, которая не несет полезной информации. Чаще всего рентгеновские
излучатели используют тормозное излучение, спектр которого может быть представлен
в виде функции спектральной интенсивности I  ( ) . Ее значения равны энергии
излучения, приведенной к единичному интервалу длины волны (рис. 2). В используемом
диапазоне напряжений (вплоть до 150 кВ) обычно применяются фильтры из алюминия Al
или меди Cu [5].
Таким образом, из M рентгеновских изображений, сделанных при разных анодных
напряжениях источника рентгеновского излучения, возможно получить раздельные
изображения функциональных элементов ИМ, имеющих разные ЛКО. Принцип их
воспроизведения можно пояснить, используя M монохроматических излучений
с интенсивностями I 0 (m ) , m  1...M  .
Рисунок 2 – Спектр тормозного излучения рентгеновской трубки
с вольфрамовым анодом при разных ускоряющих напряжениях:
1 – U  20 кВ; 2 – U  25 кВ; 3 – U  30 кВ; 4 – U  35 кВ; 5 – U  40 кВ; 6 – U  50 кВ
Тогда интенсивности излучений за ОК будут равны
   t 1 d t

;
 I (1 )  I 0 (1 )  e t

   t  2 d t
 I ( 2 )  I 0 ( 2 )  e t
;
(2)




   t  M d t

,
 I ( M )  I 0 ( M )  e t
I 0 (m ) – интенсивность излучения на поверхности объекта контроля
где
m  1...M 
при заданном анодном напряжении (длине волны); t m  – линейный
коэффициент ослабления для t-го слоя функционального элемента ОК; d t – его толщина
t  1...T .
Систему уравнений (2) можно решить относительно d t и, следовательно, разделить
суммарные изображения на изображения отдельных слоев (например, ОК 3) или групп
слоев (ОК 3.1 или 3.2). Несмотря на уменьшение отношения сигнал/шум в разделенных
изображениях, обнаружение дефектов ИМ увеличивается из-за уменьшения «структурного
шума», т.е. исключения из изображений мешающих структур. Для еще большего
улучшения качества изображений необходимо предусматривать шумоподавление.
Из выражения (2) для каждого элемента мультиэнергетического изображения можно
вычислить M значений параметра неоднородности  m    t m dt :
t
I 0 (1 )
  
  1  ln I ( ) ;
1

I
(

0
2) ;
     ln
2
(3)
I ( 2 )




     ln I 0 (M ) ,
 M
I ( M )
При заданном контрасте рентгеновского изображения (отношение в правой части
представленных выражений) значения (3) позволят определить оптимальные значения
анодного напряжения источника рентгеновского излучения для каждого уровня
неоднородности  m  (функционального элемента ИМ).
Таким образом, применение мультиэнергетической рентгенографии позволяет
существенно
повысить
качество
формирования
рентгеновских
изображений
с неоднородной структурой, точность разделения изображений их функциональных узлов,
а следовательно, и эффективность контроля качества ИМ в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции. М. :
ФГУП "Стандартинформ", 2010. III, 7 с.
2. ГОСТ Р 53432-2009. Платы печатные. Общие технические требования
к производству. М. : ФГУП "Стандартинформ", 2010. III, 15 с.
3. Мазуров А.И. Последние достижения в цифровой рентгенотехнике // Медицинская
техника, 2010. № 5 (263). – С. 10-14.
4. Блинов Н. Н., Жуков Е. М., Козловский Э. Б., Мазуров А. И. Телевизионные методы
обработки рентгеновских и гамма-изображений. М. : Энергоиздат, 1982.
5. Мазуров А.И. Пути снижения лучевых нагрузок в рентгенодиагностике // Вестник
Северо-Западного регионального отделения Академии медико-технических наук / ОАО
"НПП "Радар ММС" / Под общ. ред. Анцева Г.В. СПб., 2003. – Вып. 7. – С . 96–101.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Григоров Михаил Сергеевич
Академия ФСО России, г. Орел
Научный сотрудник
Тел.: +7(920) 286-40-33
E-mail: gms.orel@mail.ru
Басов Олег Олегович
Академия ФСО России, г. Орел
кандидат технических наук
Научный сотрудник
Тел.: +7(919) 201-18-97
E-mail: oobasov@mail.ru