Settore: Elettronica

L’industria dell’elettronica è un settore vasto e diversificato che si occupa della progettazione, produzione e commercializzazione di una ampia gamma di prodotti e tecnologie usate in molti ambiti della vita quotidiana. I dispositivi elettronici vengono utilizzati nei settori più variegati, dall’elettronica di consumo (televisori, lettori DVD, sistemi audio, fotocamere digitali, telefoni cellulari, tablet, laptop) alle telecomunicazioni (apparati di trasmissione, router, switch, antenne, etc.), dall’ automotive (sistemi di controllo del motore, di sicurezza ed infotainment, sensori, etc.) alle applicazioni biomedicali e scientifiche (ad esempio per attrezzature diagnostiche, dispositivi di imaging medico, e strumenti scientifici), passando per l’industria di difesa ed aerospaziale o alla più recente elettronica di consumo Smart e IoT (Internet of Things), che si occupa di dispositivi smart ed indossabili, e altri dispositivi connessi in rete che sfruttano la connettività Internet per fornire funzionalità avanzate (smart Home).

L’industria dell’elettronica è in continua evoluzione e innovazione, con rapidi progressi tecnologici che spesso introducono nuovi prodotti e applicazioni.

Uno dei settori più importanti è sicuramente quello legato ai semiconduttori (microprocessori, memorie, e componenti elettronici a stato solido), che giocano un ruolo fondamentale nella produzione di chip e circuiti integrati utilizzati in una vasta gamma di dispositivi elettronici.

Semiconduttori

Il silicio è il materiale semiconduttore più utilizzato. I wafer di silicio vengono sottoposti a procedure di pulizia estrema prima della produzione del chip. La pulizia dei wafer e dei circuiti stampati è un fattore determinante per garantire la funzionalità del prodotto finale e può essere verificata mediante misurazioni di angolo di contatto. Una buona bagnabilità della superficie è inoltre determinante per garantire il giusto livello di adesione dei coating utilizzati nella produzione delle celle fotovoltaiche prodotte a partire dai wafer di silicio.

Angolo di contatto prima e dopo il lavaggio di una superficie di un wafer di silicio

Il Chemical Mechanical Polishing (CMP), è un processo indispensabile per la fabbricazione di circuiti integrati, che permette di lucidare la superficie dei wafer utilizzando uno slurry abrasivo con particolari proprietà chimiche. Mentre le particelle abrasive sfregano contro la superficie del campione le sostanze chimiche presenti nello slurry incidono e dissolvono il materiale allo scopo di ottenere una superficie planare.

Tramite la tecnica QCM-D è possibile valutare l’efficacia dello slurry in maniera time-resolved, valutando l’impiego di additivi e/o di diverse condizioni (ad esempio in funzione del pH), oppure valutare l’efficacia degli step di pulizia post-trattamento CMP nel rimuovere residui lasciati dallo slurry.

Gli slurry CMP contengono tipicamente particelle composte da allumina, silice e ceria disperse in una soluzione acida o basica. Per operare al meglio devono contenere particelle con granulometria ben definita ed essere dispersioni stabili.

La caratterizzazione degli slurry è quindi fondamentale per garantire la qualità e la ripetibilità del processo. Oltre alla concentrazione delle particelle abrasive, al pH ed alla composizione chimica dello slurry, sono caratteristiche importanti:

  • Distribuzione granulometrica (Diffrazione laser o DLS). La dimensione delle particelle abrasive influisce direttamente le capacità di rimozione del materiale. Misurare e controllare la distribuzione dimensionale delle particelle è essenziale per ottenere risultati ripetibili e prevedibili, dato che una distribuzione stretta, monodispersa, contribuisce a ottenere una rimozione del materiale più uniforme sulla superficie del wafer.
  • Proprietà reologiche (Reologia). La viscosità dello slurry può influenzare la distribuzione delle particelle e la capacità di rimozione del materiale. È importante mantenere una viscosità stabile durante l’intero processo di polishing.
  • Stabilità fisica (Potenziale Zeta o Multiple Light Scattering). Uno slurry stabile contribuirà a ottenere risultati più consistenti durante il polishing. È importante evitare fenomeni di flocculazione che potrebbero inficiare il processo. Anche una sola particella o aggregato di dimensioni anomale può danneggiare l’intera superficie del wafer.

Le valutazioni delle caratteristiche chimico fisiche dei semiconduttori sono estremamente importanti tanto in ricerca e sviluppo quanto in controllo qualità. Esistono diverse tecniche strumentali, ognuna delle quali fornisce informazioni specifiche sulle proprietà del materiale, che possono essere utilizzate in combinazione per ottenere una caratterizzazione completa dei semiconduttori in termini di proprietà strutturali, chimiche, elettriche ed ottiche.

Il microscopio elettronico a scansione (SEM) è uno strumento utilizzato per la caratterizzazione della superficie dei dispositivi elettronici su scala micro e nanometrica, che consente di ottenere immagini ad altissima risoluzione e esaminare dettagli morfologici come la forma, le dimensioni e la rugosità delle strutture sulla superficie del dispositivo. Il microscopio elettronico può essere impiegato per studiare la struttura cristallina dei materiali utilizzati, aspetto cruciale per comprendere le proprietà elettroniche e ottiche dei materiali. Permette inoltre di individuare a livello microscopico difetti come inclusioni, contaminazioni o discontinuità per garantire qualità ed affidabilità. È utile per studiare la struttura delle giunzioni elettroniche all’interno dei dispositivi, consentendo una migliore comprensione del funzionamento di transistor, diodi e altri componenti oltre che per ottenere immagini dettagliate dei componenti integrati su un chip, consentendo la verifica della corretta realizzazione delle strutture e la diagnosi di eventuali problemi .Per saperne di più visita la pagina dedicata alla failure analysis.

Immagini SEM di dispositivo elettronico acquisite con detector BSD e SED

Grazie all’analisi EDS, è possibile inoltre ottenere preziose informazioni relative alla composizione chimica dei materiali presenti nel campione.

Localizzazione di un difetto utilizzando tecniche di imaging ed EDS.

Il SEM risulta utile anche per la caratterizzazione dei pannelli solari. Per aumentarne l’efficienza, i produttori utilizzano una tecnologia chiamata PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), nella quale uno strato di passivazione dielettrica viene aggiunto sul retro della cella fotovoltaica, migliorandone l’efficienza di assorbimento della luce sulla sua superficie. Le celle vengono microincise con prodotti chimici o con un laser per tagliare lo strato di passivazione in modo che i contatti posteriori possano raggiungere il wafer di silicio. Infine, uno strato di pasta Al/Ag viene serigrafato su tutta l’area.

La pasta di metallizzazione (Al/Ag) crea linee di contatto sulla cella solare per raccogliere e trasportare l’elettricità generata, e pertanto influenza in modo significativo la potenza della cella.

Immagini SEM di una cella solare in sezione che mostrano un buon contatto (a sinistra) ed un contatto non conforme (a destra).

Un software di analisi automatizzata come ParticleX permette infine di effettuare misure di Technical Cleanliness alla ricerca di particelle contaminanti, eventualmente presenti in ambito produttivo, che possono causare seri problemi in fase di fabbricazione dei chip.

Un’altra tecnica di microscopia estremamente versatile è la microscopia a forza atomica (AFM) attraverso la quale è possibile visualizzare dettagli a livello atomico della superficie del campione e quindi valutare le caratteristiche strutturali che influenzano le prestazioni del dispositivo.

Permette tra le altre cose di:

  • Caratterizzare un’ampia gamma di materiali inclusi conduttori, semiconduttori e isolanti;
  • Effettuare misure di rugosità superficiale su scala nanometrica, per comprendere la qualità della superficie e l’integrità strutturale del materiale semiconduttore, misurare con precisione altezza e profondità delle superfici, fornendo dati quantitativi sulla topografia del campione;
  • Individuare difetti superficiali, impurità o contaminazioni, con applicazioni nella failure analysis di dispositivi microelettronici;
  • Effettuare misure di Mappatura di Corrente e Conductive AFM (CAFM), per mappare le proprietà elettriche della superficie;
  • Usare la tecnica Scanning Microwave Impedance Microscopy (sMIM) pe mappare le variazioni di capacità e resistenza locali, nonché la concentrazione di drogaggio (dC/dV) e la perdita di microonde (dR/dV);
  • Mappare localmente le variazioni del gradiente della capacità, per osservare i cambiamenti nella corrente fotoeccitata o termicamente eccitata in funzione del tempo, tramite misure di Electrostatic Force Microscopy (EFM);
  • Identificare cali di tensione su film sottili dielettrici tramite Nanoscale Time Dependent Dielectric Breakdown (nanoTDDB);
  • Misurare con precisione la differenza di potenziale di contatto (CPD) superficiale dovuta alle differenze nella funzione di lavoro, alla presenza di cariche intrappolate o agli offset di tensione (misure di Kelvin Probe Force Microscopy o KPFM);
  • Fornire contrasto basato sulla permettività e conduttività del materiale;
  • Monitorare uniformità e spessore di un film sottile.

Immagine al microscopio termico a scansione (SThM) della testina R/W da un disco rigido commerciale. I dati SThM vengono sovrapposti come colore sulla topografia della superficie renderizzata, con le regioni più scure che mostrano una maggiore conduttività termica. La differenza di temperatura tra le regioni gialle e arancioni è di ~0,02°C. Le linee di lucidatura sono chiaramente risolte nella topografia. Immagine acquisita con MFP-3D AFM, scansione da 8,5 µm.

Immagine a risoluzione atomica di uno strato molecolare di C8-BTBT (diottilbenzotienobenzotiofene), cresciuto su cristalli di nitruro di boro. Immagine eseguita su un Cypher in modalità tapping, scansione a 10 nm.

Microstruttura di un dispositivo ottico. I dettagli delle caratteristiche e la rugosità superficiale giocano un ruolo importante nelle prestazioni del dispositivo.

Attraverso misure di analisi termica (DSC, TGA, TMA) è possibile ottenere preziose informazioni sul comportamento termico e sulle proprietà termomeccaniche dei semiconduttori. Punto di fusione e transizione di fase permettono di comprendere il comportamento del materiale durante il processo di produzione e l’utilizzo nei dispositivi. La TGA può essere impiegata per analizzare la stabilità termica dei semiconduttori, osservando eventuali perdite di massa o decomposizioni termiche, per valutarne le condizioni ottimali di lavorazione e stoccaggio. Tramite TMA si può invece misurare il coefficiente di dilatazione ed il rilassamento termico dei semiconduttori, informazioni cruciali per la progettazione di dispositivi elettronici che devono operare in un’ampia gamma di temperature.

Studio di anisotropia su tre dimensioni di una scheda PCB, l’obiettivo è verificare comportamenti anomali. La direzione Z subisce la minima espansione fino alla temperatura di transizione vetrosa a causa della sua breve lunghezza. Tuttavia, oltre la temperatura di transizione vetrosa, il coefficiente di dilatazione lineare aumenta. Al contrario, il coefficiente di espansione lineare nelle direzioni X e Y diminuisce al di sopra della temperatura di transizione vetrosa. Per proteggere gli strati conduttori sul PCB, la disposizione delle resine epossidiche è impostata in modo tale da poter limitare l’espansione termica anche quando la temperatura è superiore alla transizione vetrosa.

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