FT160 XRF横空出世应对晶片级材料分析极限挑战

2020年5月06日 17:05:49 来源: 分析测试百科
收藏到BLOG

  分析测试百科网讯 芯片已经超过原油,成为我国第一进口商品大类,年进口超3000亿美元,芯片对于我国的重要性不言而喻。芯片数量如此之多,面积越做越小,如何快速、精确测定芯片表面纳米级厚度的镀层?难度可想而知。今年2月,日立推出FT160 XRF分析仪,专门针对晶片级封装检测。近日,分析测试百科网小编采访了日立分析仪器公司镀层分析产品经理马特?克林纳(Matt Kreiner),他将带我们一览FT 160的几大亮点,分享应用实例;并通过该产品,带我们更深入地认识日立分析仪器,这个材料和镀层领域测试的高手。

1.jpg

日立分析仪器公司镀层分析产品经理马特?克林纳(Matt Kreiner)

日立分析的光辉历程

  马特(Matt Kreiner) 首先介绍了日立分析仪器公司,他说:“日立分析仪器公司是日立高新技术会社下属的分支机构,主要从事分析和测量仪器的制造和销售。全球集团的使命是帮助我们的客户成为快速、成功、尖端的企业。在中国,我们在上海、北京、广州、东莞设有办事处 。我们的国际实力带来了创新的产品,我们的全国业务使我们能够在当地交付和支持业务。”

  XRF 45年创新史

  成立45年来,日立分析仪器公司一直专注于高科技分析解决方案,旨在应对快速发展的工业部门的严峻挑战,尤其是材料分析领域。作为材料分析领域的先驱者,日立有着悠久的传统。马特?克林纳 (Matt Kreiner)回溯了日立在XRF和镀层测厚领域的光辉历程,他说:日立的第一台台式XRF(X射线荧光)仪器的历史可以追溯到1972年,第一台便携式XRF分析仪可以追溯到1976年。自那时起,日立便为客户提供了一系列材料测试解决方案。

  例如镀层厚度产品线,日立早在1978年就推出了SFT155/156,全球第一台使用X射线管的微焦斑台式XRF镀层分析仪。2011年,日立分析推出了第八代产品FT110,实现了自动定位、自动对焦功能。2012年推出了X-Strata920;2015年推出了FT150。不仅如此,日立还开发了许多其它型号,以应对行业不断变化的需求并进行了大量创新。

新产品:应对晶片级封装检测 FT160 XRF横空出世

  马特?克林纳 (Matt Kreiner)表示:XRF是一项成熟的技术,可用于分析晶圆、引线框架和PCB上的沉积层。然而,随着样品特征变得非常小,老式XRF仪器给出可靠结果的能力正受到挑战。日立分析仪器已开发出XRF分析仪,专门用于验证IC基板、凸块冶金、引线框架电镀和PCB电镀。

  近年来,给分析带来挑战的最重要的发展是使用晶圆级封装(WLP)减小了芯片的总体组装尺寸。这种制造方法确保芯片和连接器尽可能小,但芯片本身的面积限制了设备的尺寸。

  日立分析在2020年2月推出专门为晶片级封装(WLP)分析而设计的FT160 XRF分析仪。最新的X射线聚焦技术,可提供纳米级电镀的高精度测量。小于30?m的束流直径可实现高精度的电镀厚度测量和成分分析,这对于在整个半导体制造过程中分析焊料凸起、金属沉积和电镀至关重要。

Hitachi High-Tech Analytical Science FT160 microspot XRF analyser.jpg

FT160 XRF分析仪

  FT160 XRF专门为微焦斑和超薄镀层分析设计,可准确可靠地测量最小部件上的镀层,具有以下优点:

  (1)应对超薄镀层(纳米级镀层)测试挑战,例如当今日益缩小的电子元件(尺寸小于50?m)中的镀层。

  (2)高通量测试,这得益于内部的多毛细管光学和高精度前沿XRF检测器(SDD检测器)。

001.jpg

采用多毛细管光学技术测量小于50 ?m的特征,对较小的特征可获得更高的精度

  (3)高精度测量,FT160可提供小于30?m的束流直径,从而实现高精度的电镀厚度测量和成分分析,这对于在整个半导体制造过程中分析焊料凸起、金属沉积和电镀至关重要。

  (4)符合IPC规范,满足质控分析需求

  可用于印制板(PCB)制造以验证镍基镀层。它使用先进的检测器技术和多毛细管光学技术,使质量控制部门能够可靠、准确地测量尺寸小于50?m的部件上的纳米级特征镀层厚度。它还具有模式识别软件和自动特征搜索器,可加快XRF分析速度。

  (5)FT160具有大样品台,宽敞开的门和坚固的观察窗,可轻松装载各种尺寸的零件并专注于测量点。新设计的控制器软件可实现增强和精确的测试,并将结果方便地捕获到数据库中以供导出。FT160可产生快速、准确和可重复的结果,提高了生产效率并降低了PCB、半导体和微型连接器上的超标镀层的成本。

  (6)16倍数字变焦高清相机,更容易观察半导体和PCB表面并易于导航。

002.jpg

使用高分辨率相机观察小型特征

  两大现实应用,例证性能优势

  马特?克林纳 (Matt Kreiner)谈到了FT160当前的两大重要的应用:首先是同时测量浸金层下的化学镀镍厚度和成分,大幅提高了电子器件行业的常见表面处理ENIG(化学镍金)沉积的测试效率。使用早期的XRF等技术,用户需进行两次测试:一次是完全验证化学镍镀层的两种特性(厚度和成分),另一次是测试金层厚度。这在生产环境中有时是可以接受的,但下游制造商无法验证来料。使用FT160后,用户可以减少或消除生产中的一些测试,让供应链测试更全面

  另一项应用是塑料上的镀镍分析。伴随着对轻质组件需求的增长,塑料电镀成为增长型行业,尤其是在追求不断减轻车身重量的汽车市场;塑料电镀也是不锈钢的廉价替代品。塑料电镀可提供塑料组件的装饰性表面。镍镀层可直接做为表面层,或者做为铬镀层的底层。XRF具有完全无损分析特征,是检测高级装饰性部件镀层厚度的理想技术。FT160配备有大型样品台,是测量各种部件的理想XRF分析仪。一键式自动聚焦可加快测量通量,并能在测量不同形状和尺寸的部件时保持准确度。

日立材料和镀层分析全系列产品

  马特?克林纳 (Matt Kreiner)还展开介绍了日立分析仪器全系列的产品:日立的实验室和现场测试仪器都能提供材料和镀层分析,在整个生产生命周期中增加价值。实现从原料勘探到来料检验,从生产和质量控制到回收,都可以使用。

  例如,日立的OE750,FOUNDRY-MASTER,PMI-MASTER和TEST-MASTER系列分析仪被世界各地的行业用于快速、精确的金属分析。借助光发射光谱(OES)技术,可以测定所有具有低检测限和高精度的重要元素,包括钢中的碳以及几乎所有金属中所有与技术相关的主要和微量元素。

  采用LIBS激光技术的Vulcan手持式分析仪仅需一秒钟即可识别金属合金,使其成为世界上最快的分析仪之一。这为处理大量金属以进行来料检验或分类的企业带来了巨大的好处。同时, X-MET8000系列手持式分析仪已被成千上万的企业用来通过精密XRF技术提供简单,快速和无损的合金分析,废金属分类和金属品位筛选分析。

  此外,日立拥有一系列微焦斑XRF台式分析仪,从X-Strata920到FT110A,再到最新推出的FT160。这些分析仪测量单层和多层镀层(包括合金层)的镀层测厚仪,设计用于纳入质量控制或工艺控制程序以及研究实验室。

  最近的一个趋势是:提高分析速度,提高分析精度。比如新推出的FT160使用SDD探测器、多毛细管光学器件和更新的XRF控制器软件。

  首先,与传统系统相比,FT160的创新型多毛细管体系结构通过将更多的信号导向样品,允许多个光源并行地从样品传递到分析器,提高了分析速度和精度;而传统系统使用准直仪来阻挡某些X射线管输出,在减小光束尺寸的同时损失了精度。

image.png

FT 160 XRF使用的多毛细管聚焦技术

  其次,新型SDD探测器使计数速率翻倍,从而提高生产率。此外,高端XRF线的另一个关键功能是基于Windows10?的直观软件,可最大限度地提高用户工作效率。最后,由于XRF测量几乎不需要样品准备就可以完成,因此安装过程同样快速简便。

  推出EA8000A XRF分析仪则是日立分析为满足电动汽车动力电池质量控制的不断增长的需求,它可以快速检测锂离子电池中的金属颗粒污染物,有助于防止存在这些颗粒时发生灾难性故障。EA8000结合了两种强大的X射线检测技术,可以定位和识别电池中的有害金属颗粒,从而对尺寸,分布和颗粒类型进行全面分析,这对于控制电池质量至关重要。快速分析,易用性和自动化支持大批量生产,帮助客户实现交付目标。

Hitachi High-Tech Analytical Science EA8000 X-ray analyser for batteries.png

EA8000A XRF分析仪

  XRF的原理

  马特?克林纳 (Matt Kreiner)还稍微“普及”了一下XRF的原理:当所需的定量限度高于1ppm(?g/g)时,或镀层分析需要进行无损分析时,XRF是最佳的分析技术。X射线荧光光谱法具有速度快、成本低、无损分析等优点。这项技术还可以放在台式和手持分析仪中,这使得它们可以部署到生产线上。

image.png

  这是XRF流程的工作方式:

  ●一次X射线照射样品。

  ●当X射线与原子碰撞时,电子从其轨道弹出。

  ●来自高能轨道的电子填充这些空隙,释放出元素和特定跃迁所特有的X射线(习惯上称之为荧光X射线或者二次X射线)。

  ●X射线由探测器收集和处理。

  XRF用于无机元素的元素分析或镀层分析,通常在Mg(12)和U(92)之间,这些元素是汽车零部件制造中常用的镀层。

日立分析仪器在中国

  谈到中国和国外用户需求的对比,马特?克林纳 (Matt Kreiner)表示:全球供应链现在是真正全球化的,这导致了质量标准真正全球化,这意味着世界各地有许多相似之处。2015年发布的“中国制造2025”(MIC 2025)计划,为这个传统上享有全球低成本制造基地美誉的国家制定了雄心勃勃的计划。

  “我们的母公司日立高新技术公司于1964年在香港开设了办事处,并于1994年在上海设立了第一个内地办事处。日立分析仪器于2004年在上海开设了工厂。目前,我们在中国有5个销售和服务办事处,40多名现场服务工程师,为客户的日常业务运营提供支持。我们继续开发我们的产品以满足市场需求,并投资于我们在中国的客户服务能力。”马特?克林纳 (Matt Kreiner)说。

  谈到XRF在中国的具体市场,马特?克林纳 (Matt Kreiner)表示:

  首先是汽车市场,据统计,全球汽车业的年复合增长率预计将达到7.7%,预计2025年将达到5230亿美元以上,制造、售后服务和备件市场都在增长。中国汽车市场作为全球增长最快之一,是日立分析仪器在全球的关键领域。

  众所周知,汽车售后市场将越来越需要快速、准确的分析,以确保汽车不会使用假冒零部件。使用假冒汽车部件会给司机、乘客和其他道路使用者带来风险。我们知道,汽车行业正在努力从线上和线下网点清除假冒产品,随着这个市场在中国的增长,当地公司确保质量和管理风险是很重要的。

  其次,日立分析专注于材料分析技术,为客户提供XRF、OES、LIBS和TA(热分析)仪器,用于日常的QA/AC分析。应用范围覆盖国内各行业、科研院所,面向不同层次的客户进行物质分析。例如,日立的手持XRF X-MET8000系列是中国流行的仪器之一,因为它可以对不同的材料进行无损和快速的分析,如金属、塑料、矿物和液体样品。

  此外,马特?克林纳 (Matt Kreiner)还谈到为应对欧盟推出RoHS2.0日立推出的新品,他说:“我们密切关注RoHS和其他受限制材料法规的要求。随着RoHS2.0的采用和实施,除了更新一些产品分类外,最实质性的变化是在限制物质清单中增加了四种邻苯二甲酸酯。HM1000热脱附质谱仪是为响应新的测试要求而开发的,能够以简化的软件和较低的操作成本进行高通量邻苯二甲酸盐测试。”

003.jpg

HM1000A:热脱附质谱仪(邻苯二甲酸酯筛选装置)

材料分析行业4.0

  最后,马特?克林纳 (Matt Kreiner)谈到快速无损材料分析检测技术未来的发展趋势,他表示:近年来,材料分析领域一直在快速变化,因为它跟上了行业内的新法规、标准和创新。OES、XRF、LIBS和TA等技术的不断发展和应用,使各行各业的公司更容易进行分析。

  盈利能力最大的消耗之一可能是缓慢的供应链。在购买原材料或废料后,将其留在仓库中,或者因为无法核实其组成而将其处理掉,这会消耗营运资金。此外,使用杂质水平未知的未经测试的材料可能会导致更换部件,甚至赔偿客户。这是昂贵的,而且对商业和环境都有潜在的危害。

  当谈到电子元件分析时,最明显的挑战是特征尺寸太小。简单地找到要测量的特征可能很耗时,因为它们通常位于相对较大的PCB或晶片上。公司需要一种光斑尺寸小的超高精度仪器。

  无论是用于质量保证/质量控制程序(QA/QC)、材料可靠性鉴定(PMI)、镀层厚度分析、科学或高灵敏度热分析,日立分析仪器产品都将使制造商能够在现场、移动中测试材料,并作为行业4.0就绪组织的一部分实时共享数据。

  被访人简介:

  马特?克林纳(Matt Kreiner)是日立分析仪器公司镀层分析产品的产品经理。

  他有17年的X射线荧光技术工作经验,职业生涯始于应用工程师。

  马特(Matt)居住在芝加哥,拥有西北大学化学工程学学位。


本文中提到的仪器产品