От редакции
научпоп

Микромир под объективом: как делают фотографии кристаллов микросхем

107
0
24 января 2024
Изображение создано с помощью нейросети
От редакции
научпоп
107
0
24 января 2024
Микромир под объективом: как делают фотографии кристаллов микросхем

Сфотографировать кристалл микросхемы можно в двух случаях: либо до этапа корпусирования, либо самостоятельно сняв корпус и очистив при необходимости лишний клей, шарики припоя и термопасту. Очевидно, что первый путь доступен только производителю и заказчику чипа. Фотографы-энтузиасты обычно используют второй. Он требует терпения и осторожности.

Процесс вскрывания корпуса и подготовки кристалла к съёмке отличается для разных микросхем. Мы познакомим вас с одной из его вариаций, а почитать об остальных, где применяются кислоты и химикаты, можно в дополнительных материалах по ссылкам.

Изображение создано с помощью нейросети
Дисклеймер: пожалуйста, не пытайтесь воспроизвести описанный процесс самостоятельно, это может быть опасно для вашего здоровья. Фотографы работают в специально оборудованных лабораториях или как минимум хорошо проветриваемых помещениях, используют защитные очки и знают правила безопасности при работе с разными инструментами и химическими веществами.

Шаг 1. Вскрываем корпус

Для того, чтобы «открыть» корпус микросхемы, её нагревают до температуры 350−400℃. Сделать это можно на обычной электрической плитке. В течение 20−30 секунд корпус трескается, и из него можно аккуратно достать кристалл. Также можно зажать корпус в тисках и «отлепить» от него кристалл с помощью термофена.

Кристалл микросхемы, извлеченный из корпуса
Кристалл микросхемы, извлеченный из корпуса. Источник: YouTube-канал FritzchensFritz

Шаг 2. Готовим кристалл к съемке

Кристалл без корпуса не будет сам по себе сиять и переливаться разными цветами. Его нужно предельно аккуратно подготовить.

Большинство микросхем корпусируются по методу flip chip. При производстве кристаллы переворачивают и приваривают к выводам платы корпуса контактными площадками, разбросанными на поверхности кристалла. Так делают, чтобы уменьшить длину (то есть индуктивность) проводов. На высокой тактовой частоте это критично, но и стоит такой метод корпусирования дороже, чем wire bonding.

При корпусировании по методу wire bonding сигналы от контактных площадок кристалла золотыми проволочками из технического золота развариваются к контактам корпуса. Такие кристаллы не переворачивают, а корпуса для них обходятся дешевле. Технология применяется там, где требования к рабочим параметрам микросхемы не такие жесткие, как в телефонах, компьютерах и другом высокопроизводительном «железе».

При подготовке к съёмке с кристаллов микросхем, корпусированных по методу flip chip, убирают очевидно лишнее — шарики припоя и клей. Для этого используют смоченный водой микрошлифовальный круг зернистостью 60 или 30 микрон. Шлифовку выполняют вручную и останавливают, когда на поверхности кристалла проступают первые структуры. Для микросхем, корпусированных по методу wire bonding, этот этап не нужен.

Дальше кристалл заливают эпоксидной смолой: так его будет гораздо удобнее шлифовать. Заливку делают на небольшом листе стекла, поскольку ровность рабочей поверхности, на которой лежит кристалл, чрезвычайно важна. Стекло смачивают водой и накрывают небольшим листом прозрачного тонкого пластика, из-под которого убирают все пузырьки воздуха. С помощью двустороннего скотча на пластик приклеивают кристалл, после чего заливают его миллиметровым слоем прозрачной эпоксидки.

Приклеиваем кристалл микросхемы к пластику
Разметка на листе пластика, чтобы знать, сколько скотча понадобится. Источник: YouTube-канал FritzchensFritz

Когда эпоксидная смола застывает, кристалл вырезают из неё с отступом в пару миллиметров по каждой стороне и снимают с него прозрачный пластик и скотч. Дальше приступают к шлифовке и полировке. Здесь очень важно периодически проверять, что шлифуемая поверхность идеально ровная, иначе разные ее части будут «стираться» неравномерно. Ровность проверяют с помощью метода светового зазора, приставив лезвие к поверхности и посмотрев на источник света. А выравнивают кристаллы с использованием термофена при температуре 100−120°C.

Метод светового зазора для определения неровной поверхности
Сверху на каждой из схем — лезвие, снизу — кристалл в эпоксидной смоле. Важно, чтобы между ними не было просветов. Источник: файлообменник Fritzchens Fritz

Шлифовку начинают с микрошлифовального круга зернистостью 30 микрон. Остановиться нужно, когда структуры на поверхности кристалла станут более-менее равномерно видны. Важно регулярно переворачивать кристалл, чтобы убедиться в равномерности шлифовки. Поработать над отдельными частями поможет обычный канцелярский ластик: он позволяет приложить больше давления на конкретную область.

Полировка с помощью ластика
Ластиком можно не только давить на слой эпоксидки, но и аккуратно стирать лишнее с поверхности кристалла. Источник: YouTube-канал FritzchensFritz

Дальше применяют плёнки для полировки: сначала зернистостью 9 микрон (например, 3M 662XW diamond lapping film) и в конце — 3 микрона (3M 661X diamond lapping film). Постепенно все структуры кристалла станут хорошо видны, и его поверхность начнёт переливаться на свету.

Шлифовка и полировка — это история для терпеливых. У Фритченса Фрица, который много лет занимается макрофотографией кристаллов, этот этап занимает чуть больше 4 часов. У тех, кто только-только пробует подготавливать микросхемы к съемке, в первые разы и вовсе не получается ничего достойного.

Заметки фотографа о шлифовке кристалла процессора
Заметки фотографа о шлифовке и травлении кристалла процессора Zen 2. Источник: Flickr Fritzchens Fritz

Шаг 3. Создаем фотографию

Для создания снимков используют как зеркальные и беззеркальные фотоаппараты с макрообъективами, так и специализированные металлографические микроскопы с разными объективами и CMOS-камеры.

При съёмке на «обычные» камеры красивые переливы на кристалле появляются только при определённом угле падения света, который нужно поискать. Не обязательно подбирать специальные источники освещения: автор блога IC Die Photography снимает в свете 100-ваттной лампы накаливания натурального цвета в креплении с гибкой шеей. Фотографии с использованием микроскопа делают со значительным перекрытием — минимум 30% — и совмещают результаты с помощью специальных программ, например, Hugin или Image Composite Editor.
Вот несколько примеров результатов от Фритченса Фрица. На фото — кристалл процессора Intel Core i9−13900K.

Знаете ли вы кого-нибудь из фотографов, которые снимают кристаллы микросхем, или техно-энтузиастов, которые делают разборы таких снимков? Поделитесь их именами в комментариях.
Наверх
Будь первым, кто оставит комментарий