Scanning SQUID mikroskopi

Vänster: Schematisk beskrivning av ett scanning SQUID-mikroskop i ett helium-4-kylskåp. Grön hållare för SQUID-proben är fäst på en stämgaffel i kvarts. Den nedre delen är ett piezoelektriskt provsteg. Till höger: elektronmikrofotografi av en SQUID-sond och en testbild av Nb/Au-remsor inspelade med den.

Skanning av SQUID-mikroskopi är en teknik där en supraledande kvantinterferensanordning (SQUID) används för att avbilda ytans magnetiska fältstyrka med mikrometerskalaupplösning. En liten SQUID monteras på en spets som sedan rastras nära ytan av provet som ska mätas. Eftersom SQUID är den mest känsliga detektorn för magnetfält som finns tillgänglig och kan konstrueras på submikrometers bredd via litografi, gör det skanande SQUID-mikroskopet att magnetiska fält kan mätas med oöverträffad upplösning och känslighet. Det första scannande SQUID-mikroskopet byggdes 1992 av Black et al. Sedan dess har tekniken använts för att bekräfta okonventionell supraledning i flera högtemperatursupraledare inklusive YBCO- och BSCCO- föreningar.

Funktionsprinciper

Diagram över en DC SQUID. Den nuvarande $I$ går in och delas upp i de två banorna, var och en med strömmar $I_{a}$ och $I_{b}$ . De tunna barriärerna på varje väg är Josephson-korsningar, som tillsammans separerar de två supraledande regionerna. $\Phi$ representerar det magnetiska flödet som kommer in i DC SQUID-slingan.

Det skanande SQUID-mikroskopet är baserat på tunnfilm DC SQUID. En DC SQUID består av supraledande elektroder i ett ringmönster anslutna med två svaga Josephson-övergångar (se figur). Ovanför den kritiska strömmen för Josephson-övergångarna ges den idealiserade skillnaden i spänning mellan elektroderna av

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

₀₀ där R är resistansen Ic _mellan elektroderna, I är strömmen , I är den maximala överströmmen , är den kritiska strömmen för Josephson-övergångarna, Φ är det totala magnetiska flödet genom ringen och Φ är det magnetiska flödeskvantumet .

₀ Därför kan en DC SQUID användas som en flödes-till- spänningsgivare . Såsom framgår av figuren oscillerar emellertid spänningen över elektroderna sinusformigt med avseende på mängden magnetiskt flöde som passerar genom anordningen. Som ett resultat kan en SQUID ensam endast användas för att mäta förändringen i magnetfält från något känt värde, såvida inte magnetfältet eller enhetens storlek är mycket liten så att Φ < Φ . För att använda DC SQUID för att mäta standardmagnetiska fält måste man antingen räkna antalet svängningar i spänningen när fältet ändras, vilket är mycket svårt i praktiken, eller använda ett separat DC-förspänningsmagnetfält parallellt med enheten för att upprätthålla en konstant spänning och följaktligen konstant magnetiskt flöde genom slingan. Styrkan på det fält som mäts kommer då att vara lika med styrkan hos det förspänningsmagnetiska fältet som passerar genom SQUID.

₀ Även om det är möjligt att läsa av DC-spänningen mellan de två terminalerna på SQUID direkt, eftersom brus tenderar att vara ett problem vid DC-mätningar, används en växelströmsteknik . Förutom det magnetiska förspänningsfältet för likström, sänds även ett magnetiskt växelströmsfält med konstant amplitud, med fältstyrka som genererar Φ << Φ , ut i förspänningsspolen. Detta AC-fält producerar en AC-spänning med amplitud proportionell mot DC-komponenten i SQUID. Fördelen med denna teknik är att frekvensen för spänningssignalen kan väljas så att den är långt borta från den för eventuella potentiella bruskällor. Genom att använda en låst förstärkare kan enheten endast läsa den frekvens som motsvarar magnetfältet, och ignorera många andra bruskällor.

Instrumentation

Ett scannande SQUID-mikroskop är ett känsligt närfältsavbildningssystem för mätning av svaga magnetfält genom att flytta en superledande kvantinterferensenhet ( SQUID ) över ett område. Mikroskopet kan kartlägga nedgrävda strömförande ledningar genom att mäta magnetfält som produceras av strömmarna, eller kan användas för att avbilda fält som produceras av magnetiska material . Genom att kartlägga strömmen i en integrerad krets eller ett paket kan kortslutningar lokaliseras och chipdesigner kan verifieras för att se att ström flyter där det förväntas.

Eftersom SQUID-materialet måste vara supraledande måste mätningar utföras vid låga temperaturer. Vanligtvis utförs experiment under för flytande helium (4,2 K) i ett helium-3-kylskåp eller utspädningskylskåp . Emellertid har framsteg inom tunnfilmstillväxt av högtemperatursupraledare möjliggjort att relativt billig av flytande kväve istället kan användas. Det är till och med möjligt att mäta rumstemperaturprover genom att endast kyla en bläckfisk med hög T _c och upprätthålla termisk separation med provet. I båda fallen, på grund av SQUID-sondens extrema känslighet för strömagnetiska fält, används i allmänhet någon form av magnetisk skärmning . Vanligast är en sköld gjord av mu-metall , möjligen i kombination med en supraledande "burk" (alla supraledare stöter bort magnetfält via Meissner-effekten ).

Den faktiska SQUID-sonden görs vanligtvis via tunnfilmsavsättning med SQUID-området skisserat via litografi . En mängd olika supraledande material kan användas, men de två vanligaste är niob , på grund av dess relativt goda motståndskraft mot skador från termisk cykling , och YBCO , för dess höga Tc _höga > 77 K och relativa lätthet att avsätta jämfört med andra T _c supraledare. I båda fallen bör en supraledare med kritisk temperatur som är högre än den för drifttemperaturen väljas . Själva SQUID kan användas som pickup-spole för att mäta magnetfältet, i vilket fall enhetens upplösning är proportionell mot storleken på SQUID. Strömmar i eller nära SQUID genererar emellertid magnetiska fält som sedan registreras i spolen och kan vara en bruskälla. För att minska denna effekt är det också möjligt att göra själva SQUID-storleken mycket liten, men fästa enheten till en större extern supraledande slinga placerad långt från SQUID. Fluxet genom slingan kommer sedan att detekteras och mätas, vilket inducerar en spänning i SQUID.

Enhetens upplösning och känslighet är båda proportionella mot storleken på SQUID. En mindre enhet kommer att ha högre upplösning men mindre känslighet. Förändringen i inducerad spänning är proportionell mot enhetens induktans, och begränsningar i kontrollen av det magnetiska förspänningsfältet samt elektronikproblem förhindrar att en perfekt konstant spänning alltid upprätthålls . Men i praktiken är känsligheten i de flesta skanande SQUID-mikroskop tillräcklig för nästan alla SQUID-storlekar för många applikationer, och därför är tendensen att göra SQUID så liten som möjligt för att förbättra upplösningen. Via e-beam litografitekniker är det möjligt att tillverka enheter med en total yta på 1–10 μm ² , även om enheter i tiotals till hundratals kvadratmikrometer är vanligare.

Själva SQUID är monterad på en konsol och manövreras antingen i direkt kontakt med eller strax ovanför provytan. Placeringen av SQUID styrs vanligtvis av någon form av elektrisk stegmotor . Beroende på den specifika applikationen kan olika precisionsnivåer krävas i apparatens höjd. Att arbeta på provavstånd med lägre spets ökar enhetens känslighet och upplösning, men kräver mer avancerade mekanismer för att kontrollera höjden på sonden. Dessutom kräver sådana anordningar omfattande vibrationsdämpning om exakt höjdkontroll ska kunna upprätthållas.

Hög temperatur scanning SQUID mikroskop

Scanning SQUID mikroskop

Ett högtemperatursskannande SQUID-mikroskop som använder ett YBCO SQUID kan mäta magnetiska fält så små som 20 pT (cirka 2 miljoner gånger svagare än jordens magnetfält). SQUID-sensorn är tillräckligt känslig för att den kan detektera en tråd även om den bara bär 10 nA ström på ett avstånd av 100 µm från SQUID-sensorn med 1 sekunds medelvärde. Mikroskopet använder en patenterad design för att tillåta provet som undersöks att vara i rumstemperatur och i luft medan SQUID-sensorn är under vakuum och kyls till mindre än 80 K med en kryokylare. Inget flytande kväve används. Under beröringsfri, icke-förstörande avbildning av rumstemperaturprover i luft, uppnår systemet en rå, obearbetad rumslig upplösning som är lika med avståndet som skiljer sensorn från strömmen eller sensorns effektiva storlek, beroende på vilken som är störst. För att bäst lokalisera en kortslutning i ett nedgrävt lager kan dock en snabb Fourier Transform (FFT) back-evolution-teknik användas för att omvandla magnetfältsbilden till en ekvivalent karta över strömmen i en integrerad krets eller ett tryckt kretskort. Den resulterande strömkartan kan sedan jämföras med ett kretsschema för att fastställa felplatsen. Med denna efterbearbetning av en magnetisk bild och det låga bruset som finns i SQUID-bilder är det möjligt att förbättra den rumsliga upplösningen med faktorer på 5 eller mer över den närfältsbegränsade magnetiska bilden. Systemets utdata visas som en falsk färgbild av magnetfältets styrka eller strömstyrka (efter bearbetning) kontra position på provet. Efter bearbetning för att erhålla strömstyrkan har detta mikroskop lyckats lokalisera kortslutningar i ledare till inom ±16 µm vid ett sensor-strömavstånd på 150 µm.

Drift

₀ Figur 1: Elektriskt schema över en SQUID där Ib _är förspänningsströmmen, I är den kritiska strömmen för SQUID, Φ är flödesgängningen av SQUID och V är spänningssvaret på detta flöde.

₀₀ Figur 2 a) Plott av ström vs. spänning för en SQUID. Övre och nedre kurvor motsvarar nΦ respektive (n+1/2)Φ . Figur 2 b) Periodiskt spänningssvar på grund av flöde genom en SQUID. Periodiciteten är lika med ett flödeskvantum, Φ ₀

Användningen av ett scanning SQUID-mikroskop består av att helt enkelt kyla ner sonden och provet, och rastera spetsen över det område där mätningar önskas. Eftersom förändringen i spänningen som motsvarar det uppmätta magnetfältet är ganska snabb, styrs styrkan hos det magnetiska förspänningsfältet typiskt av återkopplingselektronik. Denna fältstyrka registreras sedan av ett datorsystem som också håller reda på sondens position. En optisk kamera kan också användas för att spåra positionen för SQUID i förhållande till provet.

₀ Som namnet antyder är SQUIDs gjorda av supraledande material. Som ett resultat måste de kylas till kryogena temperaturer på mindre än 90 K (temperaturer för flytande kväve) för högtemperatur-SQUIDs och mindre än 9 K (flytande heliumtemperaturer) för lågtemperatur-SQUIDs. För magnetiska strömavbildningssystem används en liten (cirka 30 µm bred) högtemperatur SQUID. Detta system har utformats för att hålla en hög temperatur SQUID, tillverkad av YBa ₂ Cu ₃ O ₇ , kyld under 80K och i vakuum medan enheten som testas är i rumstemperatur och i luft. En SQUID består av två Josephson-tunnelövergångar som är sammankopplade i en supraledande slinga (se figur 1). En Josephson-övergång bildas av två supraledande regioner som är åtskilda av en tunn isolerande barriär. Ström finns i korsningen utan något spänningsfall, upp till ett maxvärde, kallat den kritiska strömmen, I _o . När SQUID är förspänd med en konstant ström som överstiger den kritiska strömmen i korsningen, orsakar förändringar i det magnetiska flödet, Φ, som trär SQUID-slingan förändringar i spänningsfallet över SQUID (se figur 1). Figur 2(a) visar IV-karakteristiken för en SQUID där ∆V är moduleringsdjupet för SQUID på grund av externa magnetfält. Spänningen över en SQUID är en ickelinjär periodisk funktion av det applicerade magnetfältet, med en periodicitet på ett flödeskvantum, Φ =2,07×10 ⁻¹⁵ Tm ² (se figur 2(b)). För att omvandla detta olinjära svar till ett linjärt svar, används en negativ återkopplingskrets för att applicera ett återkopplingsflöde till SQUID för att hålla det totala flödet genom SQUID konstant. I en sådan flödeslåst slinga är storleken på detta återkopplingsflöde proportionell mot det externa magnetfält som appliceras på SQUID. Ytterligare beskrivning av fysiken för SQUIDs och SQUID-mikroskopi kan hittas på andra ställen.

Magnetfältsdetektering med SQUID

Magnetisk strömavbildning använder magnetfält som produceras av strömmar i elektroniska enheter för att få bilder av dessa strömmar. Detta uppnås genom det grundläggande fysikförhållandet mellan magnetfält och ström, Biot-Savart-lagen:

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

₀ B är den magnetiska induktionen, Idℓ är ett element i strömmen, konstanten µ är permeabiliteten för fritt utrymme och r är avståndet mellan strömmen och sensorn.

Som ett resultat kan strömmen beräknas direkt från magnetfältet genom att endast känna till separationen mellan strömmen och magnetfältssensorn. Detaljerna i denna matematiska beräkning kan hittas på andra ställen, men det som är viktigt att veta här är att detta är en direkt beräkning som inte påverkas av andra material eller effekter, och att dessa beräkningar kan utföras mycket genom att använda Fast Fourier Transforms. snabbt. En magnetfältsbild kan omvandlas till en strömtäthetsbild på cirka 1 eller 2 sekunder.

Ansökningar

Kvantvirvlar i YBCO avbildade med scanning SQUID-mikroskopi

Skanningsmikroskopet SQUID utvecklades ursprungligen för ett experiment för att testa parningssymmetrin hos högtemperatur-kupratsupraledaren YBCO. Standardsupraledare är isotropa med avseende på deras supraledande egenskaper, det vill säga för alla riktningar av elektronmomentum $k$ i supraledaren, kommer storleken på ordningsparametern och följaktligen det supraledande energigapet att vara detsamma. Men i högtemperatur-kupratsupraledaren följer orderparametern istället ekvationen $\Delta (k)=\Delta _{0}(cos(k_{x}a)-(k_{y}a))$ , vilket betyder att när man korsar någon av [110] riktningarna i momentumrymden kommer man att observera en teckenändring i ordningsparametern. Formen för denna funktion är lika med den för den sfäriska övertonsfunktionen l = 2 , vilket ger den namnet d-vågssupraledning. Eftersom de supraledande elektronerna beskrivs av en enda koherent vågfunktion, proportionell mot exp(-i φ ), där φ är känd som fasen för vågfunktionen, kan denna egenskap också tolkas som en fasförskjutning av π under en 90 graders rotation.

Denna egenskap utnyttjades av Tsuei et al. genom att tillverka en serie YBCO-ring Josephson-korsningar som korsade [110] Bragg-plan av en enda YBCO-kristall (figur). I en Josephson-övergångsring bildar de supraledande elektronerna en koherent vågfunktion, precis som i en supraledare. Eftersom vågfunktionen endast måste ha ett värde vid varje punkt, måste den totala fasfaktorn som erhålls efter att ha korsat hela Josephson-kretsen vara en heltalsmultipel av 2π, eftersom man annars skulle få ett annat värde på sannolikhetstätheten beroende på antalet gånger en korsade ringen.

₀₀ I YBCO kommer vågfunktionen att genomgå en fasförskjutning av π när den korsar [110] planen i momentum (och reell) rymd. Om man därför bildar en Josephson-ringanordning där detta plan korsas (2 n +1), antal gånger, kommer en fasskillnad på (2 n +1)π att observeras mellan de två korsningarna. För 2 n , eller ett jämnt antal korsningar, som i B, C och D, kommer en fasskillnad på (2 n )π att observeras. Jämfört med fallet med standard s-vågsövergångar, där ingen fasförskjutning observeras, förväntades inga onormala effekter i B-, C- och D-fallen, eftersom den enstaka värderade egenskapen bevaras, men för enhet A måste systemet göra något för att φ=2 n π-tillståndet ska upprätthållas. I samma egenskap bakom scanning SQUID-mikroskopet ändras också vågfunktionens fas av mängden magnetiskt flöde som passerar genom korsningen, efter förhållandet Δφ=π(Φ ) . Som förutspåddes av Sigrist och Rice, kan fastillståndet sedan upprätthållas i korsningen genom ett spontant flöde i korsningen av värdet Φ / 2.

₀ Tsuei et al. använde ett scanning SQUID-mikroskop för att mäta det lokala magnetfältet vid var och en av enheterna i figuren, och observerade ett fält i ring A ungefär lika stor i storleken Φ / 2 A , där A var ringens area. Enheten observerade nollfält vid B, C och D. Resultaten gav en av de tidigaste och mest direkta experimentella bekräftelserna på d-vågsparning i YBCO.

Scanning SQUID Microscope kan upptäcka alla typer av kortslutningar och ledande banor inklusive Resistive Opens (RO)-defekter som spruckna eller tömda stötar, delaminerade vias, spruckna spår/musbett och Cracked Plated Through Holes (PTH). Den kan kartlägga strömfördelningar i paket såväl som i 3D- integrerade kretsar (IC) med Through-Silicon Via (TSV), System in package (SiP), Multi-Chip Module (MCM) och stacked die. SQUID-skanning kan också isolera defekta komponenter i monterade enheter eller Printed Circuit Board ( PCB).

Kort lokalisering i Advanced Wirebond Semiconductor Package

Aktuell bild överlagrade den optiska bilden av delen och layouten för delen

Optisk bild av de urtagna trådbindningarna som lyfts från formen och vidrör en annan trådbindning

Avancerade trådbundna paket, till skillnad från traditionella Ball Grid Array (BGA)-paket, har flera padrader på formen och flera nivåer på substratet. Denna paketteknik har medfört nya utmaningar för felanalys. Hittills har Scanning Acoustic Microscopy (SAM), Time Domain Reflectometry (TDR) analys och Real-Time X-ray (RTX) inspektion varit de oförstörande verktyg som används för att upptäcka korta fel. Tyvärr fungerar dessa tekniker inte särskilt bra i avancerade trådbundna paket. På grund av trådbindningen med hög densitet i avancerade trådbundna paket är det extremt svårt att lokalisera kortslutningen med konventionell RTX-inspektion. Utan detaljerad information om var kortslutningen kan uppstå är det riskfyllt att försöka destruktiv dekapsling för att exponera både formytan och bindningstrådarna. Våtkemisk etsning för att avlägsna mögelmassa på ett stort område resulterar ofta i överetsning. Vidare, även om förpackningen är framgångsrikt avlockad, är visuell inspektion av de flerskiktade bindningstrådarna en blind sökning.

Data från Scanning SQUID Microscopy (SSM) är strömdensitetsbilder och strömtoppbilder. Strömtäthetsbilderna visar storleken på strömmen, medan de nuvarande toppbilderna avslöjar strömvägen med en upplösning på ± 3 μm. Att få SSM-data från att skanna avancerade trådbundna paket är bara halva uppgiften; fellokalisering är fortfarande nödvändig. Det kritiska steget är att överlägga SSM-aktuella bilder eller aktuella sökvägsbilder med CAD-filer såsom bindningsdiagram eller RTX-bilder för att lokalisera felplatsen. För att möjliggöra inriktning av överlagring görs en optisk tvåpunktsreferensinriktning. Förpackningens kant och förpackningsreferens är de mest bekväma förpackningsmarkeringarna att anpassa sig efter. Baserat på dataanalysen bör fellokalisering av SSM isolera kortslutningen i formen, bindningstrådarna eller paketets substrat. Efter att alla oförstörande tillvägagångssätt är uttömda, är det sista steget destruktiv bearbetning för att verifiera SSM-data. Beroende på felisolering inkluderar avbehandlingsteknikerna dekapsling, parallell lappning eller tvärsnitt.

Kort i flerstaplade paket

Figur 1(a) Schematisk vy som visar typiska förbindningstrådar i en trippelstaplad formförpackning, Figur 1(b) röntgenvy från sidan av det faktiska trippelstaplade formpaketet.

Figur 2: Överlagring av strömtäthet, optiska bilder och CAD-bilder i trippelstaplat formpaket med elektriskt kortslutningsläge.

Figur 3: Tvärsnittsbild som visar en bindningstråd som vidrör formen och orsakar signal till jordläckage.

Elektriska kortslutningar i flerstaplade formpaket kan vara mycket svåra att isolera oförstörande; speciellt när ett stort antal bondtrådar på något sätt är kortslutna. Till exempel, när en elektrisk kortslutning orsakas av att två bindningstrådar berör varandra, kan röntgenanalys hjälpa till att identifiera potentiella defekter; dock kan defekter som metallmigrering producerad vid wirebond-dynor, eller bond-trådar som på något sätt vidrör andra ledande strukturer, vara mycket svåra att fånga med oförstörande tekniker som inte är elektriska till sin natur. Här ger tillgången på analysverktyg som kan kartlägga flödet av elektrisk ström inuti paketet värdefull information för att vägleda felanalytikern till potentiella defektplatser.

Figur 1a visar schemat för vår första fallstudie bestående av ett trippelstaplat formpaket. Röntgenbilden i figur 1b är avsedd att illustrera utmaningen att hitta de potentiella korta platserna som representeras för felanalytiker. I synnerhet är detta en av en uppsättning enheter som inkonsekvent misslyckades och återhämtade sig under tillförlitlighetstester. Tidsdomänreflektometri och röntgenanalys utfördes på dessa enheter utan framgång med att isolera defekterna. Det fanns heller ingen tydlig indikation på defekter som potentiellt skulle kunna orsaka det observerade elektriska kortslutningsläget. Två av dessa enheter analyserades med SSM.

Att elektriskt ansluta det felaktiga stiftet till ett jordstift gav den elektriska strömbanan som visas i figur 2. Denna elektriska bana antyder starkt att strömmen på något sätt flyter genom alla jordnäten genom en ledande bana belägen mycket nära de trådbundna kuddarna uppifrån och ner syn på paketet. Baserat på elektrisk analys och layoutanalys av paketet, kan man dra slutsatsen att ström antingen flyter genom wirebond-kuddarna eller att wirebonds på något sätt vidrör en ledande struktur på den specificerade platsen. Efter att ha erhållit liknande SSM-resultat på de två enheterna som testades, fokuserade ytterligare destruktiv analys på den lilla potentiella korta regionen, och den visade att den felaktiga stifttrådbindningen vidrör botten av en av de staplade tärningarna vid den specifika XY-positionen som markerats av SSM-analys . Tvärsnittsvyn av en av dessa enheter visas i figur 3.

En liknande defekt hittades i den andra enheten.

Kort mellan stift i formmassapaket

Figur 1 SQUID-bild av paketet som anger kortslutningsplatsen.

Figur 2: Högupplöst radiografisk bild av glödtråden, uppmätt vid 2,9 mikrometer bred. Bilden visar filament som löper under båda kortslutna ledningarna.

Felet i detta exempel karakteriserades som en kortslutning på åtta ohm mellan två intilliggande stift. Förbindningstrådarna till stiften av intresse skars utan effekt på kortslutningen, mätt vid de yttre stiften, vilket indikerar att kortslutningen fanns i förpackningen. De första försöken att identifiera felet med konventionell röntgenanalys misslyckades. Förmodligen är den svåraste delen av proceduren att identifiera kortslutningens fysiska plats med en tillräckligt hög grad av tillförsikt för att tillåta destruktiva tekniker att användas för att avslöja kortslutningsmaterialet. Lyckligtvis finns nu två analystekniker tillgängliga som avsevärt kan öka effektiviteten i fellokaliseringsprocessen.

Detektering av supraledande kvantinterferensanordning (SQUID).

En egenskap som alla shorts har gemensamt är rörelsen av elektroner från en hög potential till en lägre. Denna fysiska rörelse av den elektriska laddningen skapar ett litet magnetfält runt elektronen. Med tillräckligt många elektroner i rörelse kan det samlade magnetfältet detekteras av supraledande sensorer. Instrument utrustade med sådana sensorer kan följa banan för en kortslutning längs dess kurs genom en del. SQUID-detektorn har använts i felanalys i många år och är nu kommersiellt tillgänglig för användning på paketnivå. Förmågan hos SQUID att spåra strömflödet ger en virtuell färdplan över kortslutningen, inklusive platsen i planvy av kortslutningsmaterialet i ett paket. Vi använde SQUID-anläggningarna på Neocera för att undersöka felet i paketet av intresse, med stift som bär 1,47 milliampere vid 2 volt. SQUID-analys av delen avslöjade en tydlig strömbana mellan de två stiften av intresse, inklusive platsen för det ledande materialet som överbryggade de två stiften. SQUID-skanningen av delen visas i figur 1.

Röntgen med låg effekt

Den andra fellokaliseringstekniken kommer att tas något ur sin tur, eftersom den användes för att karakterisera detta fel efter SQUID-analysen, som ett utvärderingsprov för en utrustningsleverantör. Förmågan att fokusera och lösa lågeffektröntgenstrålar och detektera deras närvaro eller frånvaro har förbättrats till den grad att radiografi nu kan användas för att identifiera egenskaper som hittills varit omöjliga att upptäcka. Utrustningen på Xradia användes för att inspektera intressefelet i denna analys. Ett exempel på deras fynd visas i figur 2. Det visade särdraget (som också är materialet som är ansvarigt för felet) är en kopparfilament som är cirka tre mikrometer bred i tvärsnitt, vilket var omöjligt att lösa i vår interna röntgenutrustning .

Den huvudsakliga nackdelen med denna teknik är att skärpedjupet är extremt kort, vilket kräver många "snitt" på ett visst prov för att detektera mycket små partiklar eller filament. Vid den höga förstoring som krävs för att lösa mikrometerstora funktioner kan tekniken bli oöverkomligt dyr i både tid och pengar att utföra. I själva verket, för att få ut det mesta av det, behöver analytikern verkligen redan veta var felet finns. Detta gör röntgen med låg effekt till ett användbart komplement till SQUID, men inte en allmänt effektiv ersättning för den. Det skulle troligen bäst användas omedelbart efter SQUID för att karakterisera morfologin och djupet av kortslutningsmaterialet när SQUID hade bestämt sin plats.

Kort i ett 3D-paket

Figur 1: En extern vy av EEPROM-modulen visar koordinataxeln som används vid utförande av ortogonal magnetisk strömavbildning. Dessa axlar används för att definiera skanningsplanen i papperskroppen.

Figur 2: Radiografi, som visar tre ortogonala vyer av delen, avslöjar modulens inre konstruktion.

Figur 3: En magnetisk strömbild på en röntgenbild av EEPROM-modulen. Tröskelvärde användes för att endast visa den starkaste strömmen vid kondensatorn på TSOP08-minikortet. Pilar indikerar Vcc- och Vss-stift. Den här bilden är i xy-planet.

Granskning av modulen som visas i figur 1 i Failure Analysis Laboratory fann inga externa bevis för misslyckandet. Anordningens koordinataxlar valdes som visas i figur 1. Radiografi utfördes på modulen i tre ortogonala vyer: sida, ände och uppifrån och ned; som visas i figur 2. För detta dokuments syfte visar röntgenvyn uppifrån och ned modulens xy-plan. Sidovyn visar xz-planet och ändvyn visar yz-planet. Inga anomalier noterades i röntgenbilderna. Utmärkt inriktning av komponenterna på minikorten möjliggjorde en enkel vy uppifrån och ner av minikretskorten. Den interna konstruktionen av modulen sågs bestå av åtta staplade minikort, var och en med en enda mikrokrets och kondensator. Minikorten kopplade till de externa modulstiften med hjälp av den guldpläterade utsidan av förpackningen. Extern inspektion visade att laserskurna diken skapade en extern krets på enheten, som används för att aktivera, läsa eller skriva till någon av de åtta EEPROM-enheterna i den inkapslade vertikala stapeln. När det gäller nomenklaturen var de lasergravade guldpanelerna på paketets ytterväggar märkta med pinnumren. De åtta minikorten var märkta TSOP01 till TSOP08, med början längst ner på förpackningen nära enhetens stift.

Pin-to-pin elektriska tester bekräftade att Vcc-stiften 12, 13, 14 och 15 var elektriskt vanliga, förmodligen genom den gemensamma yttre guldpanelen på paketväggen. Likaså var Vss Pins 24, 25, 26 och 27 vanliga. Jämförelse med röntgenbilderna visade att dessa fyra stift gick i ett enda brett spår på minikorten. Alla Vss-stiften var kortslutna till Vcc-stiften med ett motstånd som bestämdes av IV-lutningen vid ungefär 1,74 ohm, det låga motståndet indikerar något annat än en ESD-defekt. På samma sätt ansågs elektrisk överspänning vara en osannolik orsak till fel eftersom delen inte hade varit under ström sedan den kvalificerades på fabriken. Den tredimensionella geometrin hos EEPROM-modulen föreslog användning av magnetisk strömavbildning (MCI) på tre eller fler plana sidor för att konstruera strömvägen för kortslutningen i modulen. Som nämnts visas de valda koordinataxlarna för denna analys i figur 1.

Magnetisk strömavbildning

SQUIDs är de mest känsliga magnetiska sensorerna som är kända. Detta gör att man kan skanna strömmar på 500 nA på ett arbetsavstånd av cirka 400 mikrometer. Som för alla närfältssituationer begränsas upplösningen av skanningsavståndet eller, i slutändan, av sensorstorleken (typiska SQUIDs är cirka 30 μm breda), även om mjukvaru- och datainsamlingsförbättringar tillåter lokalisering av strömmar inom 3 mikrometer. För att fungera måste SQUID-sensorn förvaras kall (cirka 77 K) och i vakuum, medan provet, vid rumstemperatur, rasterskannas under sensorn på ett visst arbetsavstånd z, separerat från SQUID-höljet av en tunn, transparent diamantfönster. Detta gör att man kan minska skanningsavståndet till tiotals mikrometer från själva sensorn, vilket förbättrar verktygets upplösning.

Den typiska MCI-sensorkonfigurationen är känslig för magnetfält i den vinkelräta z-riktningen (dvs. känslig för xy-strömfördelningen i planet i DUT). Det betyder inte att vi saknar vertikal information; i den enklaste situationen, om en strömbana hoppar från ett plan till ett annat och närmar sig sensorn i processen, kommer detta att avslöjas som starkare magnetfältsintensitet för sektionen närmare sensorn och även som högre intensitet i strömtätheten Karta. På så sätt kan vertikal information extraheras från de aktuella densitetsbilderna. Mer information om MCI finns på andra ställen.

Se även

• Josephson effekt
• BCS teori
• Lågtemperaturfysik
• BLÄCKFISK
• Misslyckandeanalys
• Halvledare

externa länkar

• John Kirtley , en av pionjärerna inom scanning SQUID mikroskopi.
• Design och tillämpningar av ett scanning SQUID mikroskop
• Center for Superconductivity Research, University of Maryland
• Neocera LLC