Genau dieses Phänomen tritt bei der Inspektion von Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs) auf – zwei der wichtigsten Materialien für die Herstellung von Leiterplatten und integrierten Schaltkreisen (IC).
Insbesondere Silizium ist hochgradig durchlässig für SWIR-Wellenlängen ab etwa 1050 nm. Diese Entdeckung und die offensichtliche Fähigkeit, durch siliziumbasierte Materie hindurchzusehen, haben zur Entwicklung hochpräziser Fehlerprüfsysteme geführt.
SWIR-LEDs und die mikroskopische Bildgebung stellen ein leistungsfähiges Werkzeug für die Erkennung vieler verschiedener Arten von Defekten dar und ermöglichen eine angemessene Analyse, um die jeweiligen Ursachen zu finden. Viele Schaltkreisausfälle lassen sich auf einen unterbrochenen oder offenen Stromkreis zurückführen. Solche Ausfälle können so unterschiedliche Ursachen wie Metallunreinheiten im Substrat, elektrische Überbeanspruchung oder falsch ausgerichtete Maskierungen während des Fotolithografieprozesses haben.
Während viele Defekte die mehrschichtigen ICs sofort unbrauchbar machen können, zeigen sich andere erst beim Endnutzer. Die Fähigkeit, diese Defekte zu erkennen und zu identifizieren, kann Probleme im Produktionsprozess aufdecken. Auf diese Weise lassen sich dem Hersteller schwerwiegende finanzielle Verluste und Produktionsausfälle ersparen und der Rückruf aller Bauteile vermeiden, die in dem Zeitraum hergestellt wurden, in dem der Fehler auftrat.
Warum ist die Fehlerinspektion von Siliziumelementen so wichtig?
Fehlerinspektion von Halbleiterbauteilen
Integrierte Schaltkreise, besser bekannt als Mikrochips, sind eine Ansammlung von winzigen Bauelementen wie Dioden, Mikroprozessoren und Transistoren, die elektrisch miteinander verbunden und auf einem Siliziumwafer als Träger angeordnet sind. Seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren und den anschließenden Fortschritten bei der Miniaturisierung haben die ICs die Elektronik komplett revolutioniert und sind zum wichtigsten Bestandteil der meisten Alltagsgeräte der modernen Gesellschaft geworden. Vom Auto bis zum Smartphone, von der Waschmaschine bis zum GPS-Satelliten – ICs sind aus der Welt nicht mehr wegzudenken.
Im Laufe der Zeit ist die Anzahl der Transistoren (und anderer Bauelemente) auf einem einzigen Mikroprozessorchip rapide gestiegen. Dies ermöglicht es den Herstellern, immer komplexere Geräte zu entwickeln, während die Endprodukte gleichzeitig immer kleiner werden! Ein Nebeneffekt dieses Fortschritts ist folgender: Mit jedem zusätzlichen Bauteil steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein System oder eine Konstruktion einen Defekt erleidet.
Ein bekanntes Beispiel ist die Rechenleistung der berühmten Apollo-11-Mondmission der NASA im Jahr 1969. Die beiden Apollo Guidance Computer (AGCs) enthielten jeweils 2.048 ICs, die nur einige zehntausend Transistoren beherbergten. Zu ihrer Zeit galten die AGCs als kompakt: Sie maßen 60 x 30 x 15 cm und wogen sage und schreibe 30 kg! Zum Vergleich: Wir tragen heute ein Smartphone in der Tasche, das weniger als 200 g wiegt und mehr als 6 oder 7 Milliarden Transistoren enthält. Die Rechenleistung eines modernen Smartphones beträgt das Hundertmillionenfache der Rechenleistung der Apollo Guidance Computer.
Zwar mag das Versagen eines Mikrochips manchmal nur lästig erscheinen, aber unsere Gesellschaft ist inzwischen so abhängig davon, dass es eine gefährliche Situation sogar noch verschärfen könnte. Stellen Sie sich nur vor, einer dieser Transistoren wäre auf dem Weg zum Mond ausgefallen … vielleicht würden die berühmten Worte „ein kleiner Defekt für einen integrierten Schaltkreis, aber eine gewaltige Katastrophe für die Menschheit“ lauten!
Fehlerinspektion von Photovoltaikelementen
Eine der nützlichsten Anwendungen für die SWIR-Fehlerinspektion ist die Prüfung einzelner Solarzellen oder ganzer Arrays, die Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Die gängigsten Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, überwiegend Silizium. Zwar lassen sich auch andere organische und Verbindungshalbleiter verwenden, als eines der am leichtesten zugänglichen Elemente auf der Erde erfreut sich Silizium jedoch besonders großer Beliebtheit für diese Anwendung.
Dieses Prinzip der Energieumwandlung – auch Photovoltaik genannt – wird zur Erzeugung von nutzbarem Strom genutzt und dient als Grundlage der Photosensorik. Die „Breite der verbotenen Zone“ beträgt bei Silizium 1,12 Elektronenvolt (eV), d. h. die auf die Solarzelle treffenden Photonen müssen eine Energie von über 1,12 eV besitzen, um eine elektrische Ladung zu erzeugen Jede kleine Unregelmäßigkeit im Produktionsprozess kann die Fähigkeit einer Zelle zur effizienten Stromerzeugung beeinträchtigen.
Will man die Kraft der Sonne nutzen, müssen die Photovoltaikzellen so effizient wie möglich sein und bis zu 30 Jahre im Freiluftbetrieb halten. Fehlerhafte Produktionsprozesse können sofort zu ernsthaften Effizienzproblemen führen oder im weiteren Verlauf Probleme verursachen, wie z. B. schleichende Korrosionsschäden, die eine allmähliche Abnahme der Stromerzeugung zur Folge haben.
Wie werden die SWIR-LEDs von Ushio bei der Fehlerinspektion von Siliziumelementen eingesetzt?
Es gibt verschiedene Arten der Fehlerinspektion von Siliziumelementen, z. B. die Erkennung von Rissen und internen Fehlern in den Wafern selbst oder die Erkennung von Fehlern in Schaltkreisen, die mit verschiedenen Materialien auf Siliziumsubstraten gebildet wurden. Alle diese Anwendungen beruhen auf der Durchlässigkeit des Siliziums für SWIR-Wellenlängen von mehr als 1100 nm.
Üblicherweise werden Fehler durch die Aufnahme eines Transmissionsbildes des zu messenden Bereichs erkannt. Dabei kann es sich um ein Bild eines ganzen Wafers oder um einen kleinen Bereich von nur wenigen Mikrometern handeln. Wenn der zu untersuchende Bereich so klein ist, sind mikroskopische Optiken ein wesentlicher Bestandteil des Detektionssystems, während ein InGaAs-Flächensensor selbst kleinste Defekte zuverlässig erkennen kann.
SWIR-LEDs beleuchten den Zielbereich des Si-Wafers, und das transmittierte Bild wird von einem Photodetektor, in der Regel einem InGaAs-Flächensensor, erfasst. Im Prinzip wird jede SWIR-Wellenlänge von mehr als 1100 nm zuverlässig durch Silizium transmittiert, allerdings können je nach den im Silizium vorhandenen Verunreinigungen und den verschiedenen Materialien, aus denen der Schaltkreis besteht, auch längere Wellenlängen verwendet werden.
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Wenn Sie eine Anfrage bezüglich der Rolle von Ushios SWIR-LEDs in Anwendungen zur Fehlerinspektion von Siliziumelementen stellen möchten, wenden Sie sich über den folgenden Link an die regionalen Experten von Ushio:
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