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orbert Daneke & Bianca Schanklies
目前在電子與微機械工業上的趨勢是持續地將元件與封裝微小化。光電子學(optoelectronics)、微機電系統(MEMS)與微光機電系統(MOEMS)等設計與製造的技術正產生新的應用要求與檢測需求。在某些情況下，只有使用聚焦點(focal spot)大小在1微米以下的X光管(tube)才能進行檢測。這導致了奈米聚焦(nanofocus)與多重聚焦(multifocus)的X光光源的開發。多重聚焦X光管可讓使用者依據特定應用的需求而在高功率、微米聚焦(microfocus)或奈米聚焦成像(imaging)之間做切換。而要選擇微米聚焦或奈米聚焦則依據所需的聚焦點大小而定，在多重聚焦X光管中的高功率模式是用來做緻密(dense)區域的成像與檢測之用，該X光管的一個特殊優點是被設計成能在160kV的發射管(transmission tube)中提供最高強度的輸出。
#P#X光如何運作
X光是帶有高能量的電磁輻射(radiation)，其光子能量範圍在一百電子伏特到一百萬電子伏特之間。X光的波長比紫外光還短，但比伽碼射線(gamma rays)還長，它們的波長範圍在10-8到10-12公尺之間。
因為X光是電磁輻射的一種，故它們在真空中的速度與可見光的速度相同(每秒18萬6千英哩)。因為強X光具有高頻率與短波長，故其具有高穿透(penetrating)性，而弱X光的頻率與能量則較低。
一般利用X光管、貝它加速器(betatrons)或直線(linear)加速器來產生X光。穿透強度則依電磁波的能量而定，但也會被所穿透材料中的密度與核電荷(nuclear charge)所影響。例如矽是一種低密度且容易穿透的材料。而鉛則較不透明的(opaque)，也因此不容易穿透。
當X光穿過材料而打在感光板(photographic plate)或螢光屏幕上時，則可以產生材料內部結構的影像。在感光板或螢幕上的陰影(shadow)則依試片不同區域的相對不透明度(relative opacity)而定。例如在錫球(solder ball)上的裂隙(crack)可以很容易地發現，因為錫球本身比裂紋所造成的空洞(void)更不透明。
#P#微米聚焦X光檢測系統
X光系統基本上包括一個密封或開口式的X光光源，一個用來固定及操控試片的固定裝置，以及一個輻射偵測器(圖一)。不同架構的X光管，其性能也有所不同。開口式微米聚焦X光管(可在清潔及保養時打開的不銹鋼管，在每次使用前都會抽真空)是用在電子構裝與封裝的高解析度應用上。這種X光管所能夠提供的空間(spatial)解析度小於1微米，其幾何(geometrical)放大率可以高到幾千倍。
#F#圖一：一般用在工業檢測上的X光系統圖
高電壓產生器：高電壓產生器可提供從X光管內的電子槍(gun)發射出的電子、控制、電腦與影像處理軟體所需的功率。其基本的元件是置放在X光室中或安裝在一個有輻射隔離的櫃架中。
操作台：X光系統的「操作台(manipulator)」是用來將試片做x-y-z三軸的高精度定位及旋轉／傾斜(tilting)。該操作台應該要能夠進行所需的方向與旋轉速度的控制，從低放大倍率的快速搜尋瀏覽到高放大倍率時非常低速。例如，x-y方向的速度可以從每秒幾微米到每秒幾百毫米的範圍。
偵測器：偵測器的功能是即時地將X光波資料處理成眼睛或電子視覺系統可見的光學影像。絕大多數常見的偵測器是一種能將X光轉換成可見光的影像增強器(intensifier)／影像攝影機，而其它最近開發的偵測器則包括高動態能力(high-dynamic)的攝影機與平面面板直接式數位(flat-panel direct digital)偵測器。
高功率X光管一般會使用固態靶材(targets)來發射X光。用在電子檢測上的微米聚焦X光管通常有二層不同材料的發射靶材(圖二)。大多數這種發射靶材是由一層如鈹材(beryllium)或鋁材等具有低密度、低原子量與質輕的厚層支撐(backing)材料所構成。此支撐材料的目的是用來密封X光管並維持真空。它也可以為用來產生X光的靶材層提供機械性強度而形成支撐的功能。靶材層通常含有一5微米厚的薄金屬層，其金屬為具有高密度、高原子量與重量之鎢、鉬或銅。這層靶材是利用濺鍍的方式附加到支撐層上。
#F#圖二：微米聚焦與方向性的發射管
發射管(transmission tubes)的設計特性是可以做直向光束(forward-beam)發射，而與其不同的方向性(directional)發射管則會將X光線做30、60或90度的偏折。電子束從發射靶材的背面進入，然後X光從靶材前端輻射而出(圖三)。
#F#圖三：聚焦點與交互作用體積尺寸的決定
在所有的X光管中，從陰極所發射的電子束會射進靶材中，並與靶材中的粒子碰撞。當電子束撞擊到靶材表面時，電子束會進入靶材(交互作用層)中，並與靶材粒子碰撞，之後被減速並被偏折(deflected)到不同的方向。然後它們會一次又一次地與靶材粒子互相碰撞，直到其動能降到幾乎為零。
每一次的碰撞，電子束會被減速，而它們所減少的動能會轉換成輻射能。會以X光形式出現的能量不到2%，而剩下的能量則大多是熱。鎢是大多數X光管中所用的材料，因其需要使用高熔點的材料。
聚焦點是決定影像解析度與X光影像品質的關鍵因素(圖四)。當聚焦點變小時，則解析度與檢測微細部份的能力都會提升，這使得在幾何或投影放大時不需要用到週邊的遮罩(shadow)(圖五)。理想上，聚焦點的直徑是接近於零。實際上，視X光管的設計而定，其聚焦點直徑可以小至1微米或更小。
#F#圖四：從聚焦點到檢測物以及從檢測物到影像平面的距離是幾何放大率的重要因素
X光管的空間解析度大約是聚焦點大小的一半。而X光管的特徵辨識率(feature recognition)則是空間解析度的一半。對於特徵大小是125奈米左右的樣本，則其X光管的聚焦點必須在500奈米左右。
#F#圖五：聚焦點尺寸與幾何清晰度的相關性
#P#奈米聚焦X光檢測
電子工業的趨勢朝向更小且更緻密分布的元件，加上微機電系統與微光機電系統的出現，導致了奈米聚焦X光技術的發展。聚焦點的直徑小於1微米定義為奈米聚焦技術，它使得現今電子業中常見的低密度結構與超小特徵檢測所需要的微細與解析度水準能夠達成。此技術整合了X光管與用來控制長短期間穩定性、影像對比、亮度與輻射量等效能因素的複雜軟體。
奈米聚焦X光檢測系統特別適合用在含有次微米元件、電路以及微機電系統與微光機電系統等組件的應用上，而且也適合用在晶圓級的封裝上。在這些例子中，檢測銲球凸塊(bumps)與內連線中的缺陷所需的解析度與清晰度，也只有奈米聚焦X光管的設計與系統技術才能夠符合所需。
奈米聚焦技術的一個著名應用是檢測無底部充填膠(non-filled)的晶片黏著，如熱黏著(thermal adhesive)以使微晶片定位。若要檢測黏著劑對比上的些微差異，則必須借助奈米聚焦X光管的解析度才行。這些X光管也能被用來檢測加入導電性黏著膜中的銀粒子。這特性能夠確保錫膏(paste)的一致性，而且也確保加入了足夠的粒子以達到所需導電性。
微米聚焦X光系統有時無法檢測到封裝的剝離(delaminations)問題，視其剝離的程度而定。假如在X光檢測時沒有注意到這種缺陷的話，則在功能測試時會造成失效的結果，但卻無法確定其原因。在具有1微米以下的聚焦點時，奈米聚焦系統能夠偵測到矽封裝與微細銲線(bonding wires)(25微米以下)中次微米尺寸的裂隙(crack)與瑕疵(flaw)，以及可能無法在X光檢測系統上看到的銲錫細絲(whisker)。
最後，奈米聚焦技術的發展已導致微米聚焦X光管與系統設計的改善，於是電子束的發射可以控制得更好，像差(aberration)較小，而且影像會更「清楚(cleaner)」與清晰(sharper)。
#P#X光檢測的未來
對於即時的放射(radiographic)成像術來說，會同時需要微米聚焦與奈米聚焦X光管。對委託製造商來說，其檢測的需求可能會從需要高X光輸出的微米聚焦應用，到需要高解析度的奈米聚焦應用，因此多重聚焦的X光管比較適合。
這種X光管整合了一個檢測時需要高強度的緻密結構，如鑄造(castings)、熔接(weldings)與加工(machined)零件的高功率模式。而這二種模式的切換只需要在檢測過程的任何時候，按下一個按鍵或滑鼠鍵即可輕易達成。
對於很多應用來說，微米聚焦X光管可依個別的檢測工作，而提供足夠的解析度、對比與放大倍率。對於需要比微米聚焦X光管還小的聚焦點，以進行特徵辨識的較小元件與較緻密的電路來說，奈米聚焦X光管會是較好的解決方案。而微機電系統與微光機電系統應用的成長，也顯示了往更微小化進行的趨勢，對奈米聚焦放射成像術而言，這只意味著光明的未來。SST-AP/Taiwan
#P#參考資料
若需要完整的參考資料，請與作者連絡。
#P#作者
Norbert Daneke博士是X光物理工程師，而Bianca Schanklies是市場行銷人員，聯絡方式：feinfocus, Roentgen-Systeme GmbH, Im Bahlbrink 11-13, 30827 Garbsen, Germany；電話：+49(0) 5131/7098-59-0；電子郵件信箱：b_schanklies@feinfocus.com。 |
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