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| 带微孔的球栅阵列的计算机断层扫描结果
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作者：德国加尔布森
计算机断层扫描（CT）是一项能够几乎完整地切割样品横截面并不损害样品的技术。尽管CT在医疗界盛行已久，但近十年里，它才被广泛应用于电子行业。在电子产品中使用CT，既可大幅削减成本，又可提高分辨率。
计算机断层扫描包括三个阶段，即扫描样本和搜集二维图像、将二维图像重组为三维图像，然后分析作为三维模型或虚拟横截面切片的卷集。扫描与重建时间通常取决于分辨率水平和所需的细节，范围从30分钟到5小时以上不等。
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| 带空洞的球栅阵列（BGA）球体切片。
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新CT解决方案可将总体扫描和重建时间缩短至五分钟以内，同时保持足够的分辨率和细节，可满足大部分应用需求。提高扫描运算法则与取样率的协同性，可实现以上目标。此外，结合使用高功率微聚焦X射线管和由硬件加速器支持的快速重建运算法则，我们创造了空前高的CT三维X射线检测速度。
电子检测
如今，产品小型化趋势要求产品质量和可靠性不断提升，进而拉动对高分辨率和快速X射线检测解决方案的需求增长。半导体封装与电子装配行业率先提出了使用高分辨率CT的要求。目前，汽车、航天和医疗设备行业也开始产生类似需求。我们能够从电子行业的需求来推断以上行业的需求。
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| 锥束重建。
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尺寸的缩小意味着系统复杂度提升。这将刺激封装技术不断取得进步，以满足越来越多的输入/输出互连要求。日益复杂的互连装置必须借助各种重要封装技术参数来实现升级。诸如高密度晶圆级焊接或以立方形式堆叠模块等新途径，刺激了更深入的三维系统整合需求。该领域的技术进步必然给检测行业带来了重大挑战—体现在生产测试、工艺控制、质量保证、失效分析和研发部分。例如，自动光学检测仪（AOI）被广泛用于确保I/O互连的完整性。然而，随着密封元件（SiP）中包含的从球栅阵列（BGA）到触点的隐藏互连装置数量日益增多—能够显示各种内部构造和元件组成的检测技术需求应运而生。高分辨率X射线技术恰恰满足了这个要求。二维微聚焦X射线检测诞生于80年代初，如今继续应用于大部分X射线系统中。二维检测可评估各种隐藏焊点，包括自动化空隙率计算或深入多参数合格/不合格标准，以满足BGA测试需求。操作者能够通过斜视观察从任意斜视角度拍摄X射线图像，并使用各种高级检测技术验证焊线完整性或BGA开放式触点。但目前，堆叠晶与三维封装技术应用趋势，使真正三维X射线检测成为一种必要工具。
与二维检测相比，三维检测能将特定区域上下方的有利信息和有害信息隔离开来。如，三维检测可在堆叠晶粒元件中选择一个便于观察的晶粒，亦可先对比关于一个样本的多种三维模型，然后加速测试以确定其结果。
操作者可分析三维图形的剖面模型，以便于了解和分析图像。有了各种精密工具，三维检测可对放大倍率各异的系统展开实际测量。此外，数据集可实现高精度切割，不同生产样本的相同平面可被自动重复分析。
半导体封装技术的快速发展要求提高检测精确度。由于三维电路构造需使用三维X检测，因此，这带来了由二维向三维X射线检测过渡的重大进步。相关应用覆盖封装分析—（全面评估线焊校准与完整性，包括堆叠晶粒）到多层板热应力分析、通孔电镀与板分层，以及带有无铅焊点的已装配印刷电路板检测，再到集成传感器系统内置电机设备的最终装配。
传统μCT
CT是在研发过程中执行三维分析和失效分析的首选途径。微聚焦三维μCT X射线检测解决方案已在市场上存在了十多年。这种方法的应用通常基于称作"Feldkamp方法"的锥束重建算法。来自焦点的辐射源可导致物体在X射线感应探测器上形成阴影。CT扫描过程中，射线管束中的样本可360度旋转，并能在预先规定的步骤中暂停。旋转每暂停一次，X射线聚合一次。这些图像称为投影。μCT的图像采集时间长达1到8个小时，成为了其广泛应用中的主要障碍。扫描时间延长的深层原因是二维图像质量的改善。其它原因还包括，焦点尺寸、图形放大倍率和感应探测器等。减少噪音影响和限制尺寸或性能长期转变，是关乎扫描时间长短的两大主要图像质量要求。
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| 传统BGAμCT（左）和快速扫描（右）方法可观察体积（顶部）和切片（底部）
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以往，要使微聚焦X射线源具有小焦点，X射线强度也应保持在低水平。低强度意味着，X射线图像将受到背景辐射的严重影响，称之为"X射线'噪音'"。微聚焦X射线系统可通过整合10到100个图像来分散噪音和消除杂音。这些整合进一步延长了扫描时间。此外，因X射线强度偏低，随时间推移，尺寸或性能的略微改变（焦点稳定性、X射线强度和热膨胀等），都将对X射线输出的可重复性造成深重影响。其它因素也对μCT质量和分辨率具有一定影响，包括：图像增强器的光学畸变和数字面板的低灵敏度或采集速度。
技术进步
实现μCT快速检测，需要经历以下三大发展：
- 为小焦点提供高X射线强度，以降低噪音平均水平。
- 开发能够最大化X射线强度稳定性和图像质量的各种技术
- 使用先进探测器和重建方法执行快速μCT.
高功率X射线靶
问题之一是，如何处理小焦点区域内形成的热应力。高达98%的电子动能被转化为焦点区域内的热能，成为热应力产生的根源。这种热应力可引起X射线靶损坏。多数μCT系统采用定向目标X射线源，提供较高的X射线强度，从而最小化X射线靶损坏。不幸的是，定向目标技术无法创造足够小的焦点来满足先进互连应用需求。尽管传输射线靶可产生小焦点，但强度大大降低。当需要提高X射线强度时（如更快速μCT应用），热导率具有的种种限制，往往要求加宽电子束，这将扩大焦点尺寸，从而分散焦点和降低图像分辨率。
"高功率"X射线靶的诞生，弥补了以上缺陷。与传统传输射线靶相比，"高功率"X射线靶的热传导性提高了九倍。因此，高能电子束可保持聚焦状态，以维持较小的焦点尺寸，从而满足高图像分辨率要求。有了JIMA掩膜，即使用一个20多瓦功率的透射靶也能清晰地执行精度为2微米的检测。
名副其实的强度控制
在微聚焦X射线管中，灯丝上放射的电子往往朝着传输射线靶的方向加速运行，同时将电子束集中在一个小焦点上。在传统微聚焦X射线管中，只有灯丝上的放射电流和加速电压受得控制，可替代性射线靶技术能够对进入射线靶的实际电流进行评估。TXI（X射线强度控制）技术可根据持续反馈信息调整放射电流，以确保最大化X射线性能稳定性，并提供一致的图像质量。这可降低μCT对采集单个投影的平均要求，更重要的是，它能够较360度样本旋转提供更稳定的投影质量。
重建技术
数字X射线探测器技术的新发展表明，高级传感器阵列可传递快速μCT需要的高动力和高分辨率。该阵列可使用分辨率低于150万像素、动态比大于2000比1且对比度高于0.5%的高速X射线探测器。这种探测器具备足够的分辨率来采集高强度X射线图像，同时不对整合和平均处理造成干扰。该探测器的分辨率小于大多数μCT应用提供的图像分辨率。重建时间因投影数量和μCT分辨率要求不同而异。通常情况下，512 x 512 x 512（体素）的立方重建，需要花费15到30分钟时间，可使用标准重建软件完成。它能使用一种带有专用硬件加速板（等于16台协处理器）的重建解决方案，在两分钟内完成5123体素重建。
超快速μCT
由此而来的CT（快速扫描）可实现从启动扫描到检测重建体积模型虚拟横截面的整个μCT，完成这项任务仅需短短几分钟时间。经过对BGA展开对比，我们发现，质量扫描（传统CT）和快速扫描（快速CT）之间存在细节上的微小差异。传统μCT需要使用1024个投影图像，而快速扫描仅需使用880个投影图像。体积观察表明，以上两种扫描都能深入检测焊球和互连表面，它们的不同体现在表面光滑度上的细小差距。BGA切片观察显示，QuickScan不仅实现了更高的速度，而且还能够显示同等小的空洞。
电气与电机系统的复杂度日益提高，有关所有三维模型的研究活动日益扩大，三维微聚焦计算机断层扫描需求应运而生了。我们发现，μCT检测可提供：真正的X射线强度（TXI）控制，以最大化X射线性能稳定性并提供一致的图像质量；高功率X射线靶，以实现小焦点，从而提供高分辨率和高X射线强度；高速数字平板探测器，以实现由专业快速重建解决方案支持的快速图像捕捉。
通过将μCT检测时间由数小时骤减到数分钟，创新快速扫描解决方案取得了如下进步：显著提高了检测产量；减少了检测成本；扩大了批量μCT应用；加强了抵御尺寸或性能变化的能力；提升了用户对于产品完整性、质量和可靠性的信心。
目前，YXLON正供应基于其Feinfocus X射线检测系统的超快速μCT解决方案--
用户：华南理工大学，东南大学，一汽，山东 轮胎，贵州轮胎，广州东方重机，三角集团,司法部司法鉴定科学技术研究所、洛阳轴承、上海轴承等
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