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| 帶微孔的球柵陣列的計算機斷層掃描結果
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作者：德國加爾布森
計算機斷層掃描（CT）是一項能夠幾乎完整地切割樣品橫截面并不損害樣品的技術。盡管CT在醫(yī)療界盛行已久，但近十年里，它才被廣泛應用于電子行業(yè)。在電子產品中使用CT，既可大幅削減成本，又可提高分辨率。
計算機斷層掃描包括三個階段，即掃描樣本和搜集二維圖像、將二維圖像重組為三維圖像，然后分析作為三維模型或虛擬橫截面切片的卷集。掃描與重建時間通常取決于分辨率水平和所需的細節(jié)，范圍從30分鐘到5小時以上不等。
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| 帶空洞的球柵陣列（BGA）球體切片。
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新CT解決方案可將總體掃描和重建時間縮短至五分鐘以內，同時保持足夠的分辨率和細節(jié)，可滿足大部分應用需求。提高掃描運算法則與取樣率的協(xié)同性，可實現(xiàn)以上目標。此外，結合使用高功率微聚焦X射線管和由硬件加速器支持的快速重建運算法則，我們創(chuàng)造了空前高的CT三維X射線檢測速度。
電子檢測
如今，產品小型化趨勢要求產品質量和可靠性不斷提升，進而拉動對高分辨率和快速X射線檢測解決方案的需求增長。半導體封裝與電子裝配行業(yè)率先提出了使用高分辨率CT的要求。目前，汽車、航天和醫(yī)療設備行業(yè)也開始產生類似需求。我們能夠從電子行業(yè)的需求來推斷以上行業(yè)的需求。
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| 錐束重建。
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尺寸的縮小意味著系統(tǒng)復雜度提升。這將刺激封裝技術不斷取得進步，以滿足越來越多的輸入/輸出互連要求。日益復雜的互連裝置必須借助各種重要封裝技術參數來實現(xiàn)升級。諸如高密度晶圓級焊接或以立方形式堆疊模塊等新途徑，刺激了更深入的三維系統(tǒng)整合需求。該領域的技術進步必然給檢測行業(yè)帶來了重大挑戰(zhàn)—體現(xiàn)在生產測試、工藝控制、質量保證、失效分析和研發(fā)部分。例如，自動光學檢測儀（AOI）被廣泛用于確保I/O互連的完整性。然而，隨著密封元件（SiP）中包含的從球柵陣列（BGA）到觸點的隱藏互連裝置數量日益增多—能夠顯示各種內部構造和元件組成的檢測技術需求應運而生。高分辨率X射線技術恰恰滿足了這個要求。二維微聚焦X射線檢測誕生于80年代初，如今繼續(xù)應用于大部分X射線系統(tǒng)中。二維檢測可評估各種隱藏焊點，包括自動化空隙率計算或深入多參數合格/不合格標準，以滿足BGA測試需求。操作者能夠通過斜視觀察從任意斜視角度拍攝X射線圖像，并使用各種高級檢測技術驗證焊線完整性或BGA開放式觸點。但目前，堆疊晶與三維封裝技術應用趨勢，使真正三維X射線檢測成為一種必要工具。
與二維檢測相比，三維檢測能將特定區(qū)域上下方的有利信息和有害信息隔離開來。如，三維檢測可在堆疊晶粒元件中選擇一個便于觀察的晶粒，亦可先對比關于一個樣本的多種三維模型，然后加速測試以確定其結果。
操作者可分析三維圖形的剖面模型，以便于了解和分析圖像。有了各種精密工具，三維檢測可對放大倍率各異的系統(tǒng)展開實際測量。此外，數據集可實現(xiàn)高精度切割，不同生產樣本的相同平面可被自動重復分析。
半導體封裝技術的快速發(fā)展要求提高檢測精確度。由于三維電路構造需使用三維X檢測，因此，這帶來了由二維向三維X射線檢測過渡的重大進步。相關應用覆蓋封裝分析—（全面評估線焊校準與完整性，包括堆疊晶粒）到多層板熱應力分析、通孔電鍍與板分層，以及帶有無鉛焊點的已裝配印刷電路板檢測，再到集成傳感器系統(tǒng)內置電機設備的最終裝配。
傳統(tǒng)μCT
CT是在研發(fā)過程中執(zhí)行三維分析和失效分析的首選途徑。微聚焦三維μCT X射線檢測解決方案已在市場上存在了十多年。這種方法的應用通?；诜Q作"Feldkamp方法"的錐束重建算法。來自焦點的輻射源可導致物體在X射線感應探測器上形成陰影。CT掃描過程中，射線管束中的樣本可360度旋轉，并能在預先規(guī)定的步驟中暫停。旋轉每暫停一次，X射線聚合一次。這些圖像稱為投影。μCT的圖像采集時間長達1到8個小時，成為了其廣泛應用中的主要障礙。掃描時間延長的深層原因是二維圖像質量的改善。其它原因還包括，焦點尺寸、圖形放大倍率和感應探測器等。減少噪音影響和限制尺寸或性能長期轉變，是關乎掃描時間長短的兩大主要圖像質量要求。
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| 傳統(tǒng)BGAμCT（左）和快速掃描（右）方法可觀察體積（頂部）和切片（底部）
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以往，要使微聚焦X射線源具有小焦點，X射線強度也應保持在低水平。低強度意味著，X射線圖像將受到背景輻射的嚴重影響，稱之為"X射線'噪音'"。微聚焦X射線系統(tǒng)可通過整合10到100個圖像來分散噪音和消除雜音。這些整合進一步延長了掃描時間。此外，因X射線強度偏低，隨時間推移，尺寸或性能的略微改變（焦點穩(wěn)定性、X射線強度和熱膨脹等），都將對X射線輸出的可重復性造成深重影響。其它因素也對μCT質量和分辨率具有一定影響，包括：圖像增強器的光學畸變和數字面板的低靈敏度或采集速度。
技術進步
實現(xiàn)μCT快速檢測，需要經歷以下三大發(fā)展：
- 為小焦點提供高X射線強度，以降低噪音平均水平。
- 開發(fā)能夠最大化X射線強度穩(wěn)定性和圖像質量的各種技術
- 使用先進探測器和重建方法執(zhí)行快速μCT.
高功率X射線靶
問題之一是，如何處理小焦點區(qū)域內形成的熱應力。高達98%的電子動能被轉化為焦點區(qū)域內的熱能，成為熱應力產生的根源。這種熱應力可引起X射線靶損壞。多數μCT系統(tǒng)采用定向目標X射線源，提供較高的X射線強度，從而最小化X射線靶損壞。不幸的是，定向目標技術無法創(chuàng)造足夠小的焦點來滿足先進互連應用需求。盡管傳輸射線靶可產生小焦點，但強度大大降低。當需要提高X射線強度時（如更快速μCT應用），熱導率具有的種種限制，往往要求加寬電子束，這將擴大焦點尺寸，從而分散焦點和降低圖像分辨率。
"高功率"X射線靶的誕生，彌補了以上缺陷。與傳統(tǒng)傳輸射線靶相比，"高功率"X射線靶的熱傳導性提高了九倍。因此，高能電子束可保持聚焦狀態(tài)，以維持較小的焦點尺寸，從而滿足高圖像分辨率要求。有了JIMA掩膜，即使用一個20多瓦功率的透射靶也能清晰地執(zhí)行精度為2微米的檢測。
名副其實的強度控制
在微聚焦X射線管中，燈絲上放射的電子往往朝著傳輸射線靶的方向加速運行，同時將電子束集中在一個小焦點上。在傳統(tǒng)微聚焦X射線管中，只有燈絲上的放射電流和加速電壓受得控制，可替代性射線靶技術能夠對進入射線靶的實際電流進行評估。TXI（X射線強度控制）技術可根據持續(xù)反饋信息調整放射電流，以確保最大化X射線性能穩(wěn)定性，并提供一致的圖像質量。這可降低μCT對采集單個投影的平均要求，更重要的是，它能夠較360度樣本旋轉提供更穩(wěn)定的投影質量。
重建技術
數字X射線探測器技術的新發(fā)展表明，高級傳感器陣列可傳遞快速μCT需要的高動力和高分辨率。該陣列可使用分辨率低于150萬像素、動態(tài)比大于2000比1且對比度高于0.5%的高速X射線探測器。這種探測器具備足夠的分辨率來采集高強度X射線圖像，同時不對整合和平均處理造成干擾。該探測器的分辨率小于大多數μCT應用提供的圖像分辨率。重建時間因投影數量和μCT分辨率要求不同而異。通常情況下，512 x 512 x 512（體素）的立方重建，需要花費15到30分鐘時間，可使用標準重建軟件完成。它能使用一種帶有專用硬件加速板（等于16臺協(xié)處理器）的重建解決方案，在兩分鐘內完成5123體素重建。
超快速μCT
由此而來的CT（快速掃描）可實現(xiàn)從啟動掃描到檢測重建體積模型虛擬橫截面的整個μCT，完成這項任務僅需短短幾分鐘時間。經過對BGA展開對比，我們發(fā)現(xiàn)，質量掃描（傳統(tǒng)CT）和快速掃描（快速CT）之間存在細節(jié)上的微小差異。傳統(tǒng)μCT需要使用1024個投影圖像，而快速掃描僅需使用880個投影圖像。體積觀察表明，以上兩種掃描都能深入檢測焊球和互連表面，它們的不同體現(xiàn)在表面光滑度上的細小差距。BGA切片觀察顯示，QuickScan不僅實現(xiàn)了更高的速度，而且還能夠顯示同等小的空洞。
電氣與電機系統(tǒng)的復雜度日益提高，有關所有三維模型的研究活動日益擴大，三維微聚焦計算機斷層掃描需求應運而生了。我們發(fā)現(xiàn)，μCT檢測可提供：真正的X射線強度（TXI）控制，以最大化X射線性能穩(wěn)定性并提供一致的圖像質量；高功率X射線靶，以實現(xiàn)小焦點，從而提供高分辨率和高X射線強度；高速數字平板探測器，以實現(xiàn)由專業(yè)快速重建解決方案支持的快速圖像捕捉。
通過將μCT檢測時間由數小時驟減到數分鐘，創(chuàng)新快速掃描解決方案取得了如下進步：顯著提高了檢測產量；減少了檢測成本；擴大了批量μCT應用；加強了抵御尺寸或性能變化的能力；提升了用戶對于產品完整性、質量和可靠性的信心。
目前，YXLON正供應基于其Feinfocus X射線檢測系統(tǒng)的超快速μCT解決方案--
用戶：華南理工大學，東南大學，一汽，山東 輪胎，貴州輪胎，廣州東方重機，三角集團,司法部司法鑒定科學技術研究所、洛陽軸承、上海軸承等
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