23

Утверждаю

Ректор университета

__________________А.В. Лагерев

«____»____________2008 г.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

И СТРУКТУР ЭЛЕКТРОНИКИ

КОНТРОЛЬ ТОЛЩИНЫ ЗОЛОТОГО ПОКРЫТИЯ

И СОСТАВА ОЛОВЯННО-СВИНЦОВЫХ ПРИПОЕВ

РАДИОИЗОТОПНЫМ МЕТОДОМ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы № 5

для студентов очной формы обучения

специальности 210104 “Микроэлектроника

и твёрдотельная электроника

Брянск 2008

УДК 621.1.53.08

Методы исследования материалов и структур электроники.

Контроль толщины золотого покрытия и состава оловянно-свинцовых припоев радиоизотопным методом: методические указания к выполнению лабораторной работы № 5 для студентов очной формы обучения специальности 210104 – «Микроэлектроника и твёрдотельная электроника». – Брянск: БГТУ, 2008. – 25 с.

Разработал: Ю.Г. Сахаров

канд. физ.-мат. наук, доц.

Рекомендовано кафедрой «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» БГТУ (протокол № 6 от 07.12.07)

1. Задачи работы:

1. Выяснить назначение и область применения металлизации в производстве транзисторов и интегральных схем.

2. Ознакомиться с физическими основами радиоизотопных методов контроля.

3. Ознакомиться с устройством, принципом действия и назначением радиоизотопного толщиномера РТВК-2К.

4. Освоить методику контроля толщины золотого покрытия деталей интегральных схем и состава оловянно-свинцовых припоев по интенсивности потока обратно рассеянного бета-излучения.

Продолжительность работы: - 4 часа.

2. Теоретическое введение

2.1 Общая характеристика радиоизотопных методов контроля

Радиоизотопные приборы являются неотъемлемым элементом многих систем технологического контроля и автоматизации. Многим методам контроля, основанным на ионизирующем излучении, альтернатива сегодня не найдена.

Подтверждением этого являются радиоизотопные толщиномеры материала. Наряду с радиоизотопными толщиномерами, в которых применяется радионуклидный источник излучения, используются и рентгеновские (источник излучения — рентгеновская трубка). Однако радиоизотопные толщиномеры имеют большой диапазон измеряемых толщин, в то время как рабочий диапазон рентгеновских толщиномеров лежит в середине рабочего диапазона радиоизотопных. Кроме того, в рентгеновских толщиномерах необходимо применять специальные схемы стабилизации напряжения и тока рентгеновской трубки. В радиоизотопных толщиномерах, напротив, радиоактивный распад идет постоянно и никакие схемы стабилизации не требуются, за исключением введения поправки на снижение активности источника со временем.

Радиоизотопные толщиномеры применяются во многих отраслях промышленности, в частности при производстве бумаги, полимерных пленок, в системах автоматического регулирования толщины металла на прокатных станах.

В аналитической лаборатории службы контроля качества ЗАО «Кремний-Эл» по интенсивности потока обратно рассеянного бета-излучения производится контроль толщины золотого покрытия ленты КМКЗ, ФМФЗ, ножек КТ-1, КТ-2, а также состава припоев типа ПОС. Для этих измерений используется радиоизотопный толщиномер выборочного контроля РТВК-2К.

2.2 Радиоактивные излучения и их характеристики

Под радиоактивно­стью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтан­но) превращаться в другие ядра с ис­пусканием различных видов радиоактив­ных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчи­вых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реак­ций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превраще­ния в обоих случаях одинаковы. Атомное ядро, ис­пытывающее радиоактивный распад, назы­вается материнским, возникающее ядро — дочерним.

Радиоактивное излучение делится на три типа: -, - и -излучение.

-излучение (поток ядер гелия) отклоняется электриче­ским и магнитным полями, обладает высо­кой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм).

-излучение (поток быстрых элек­тронов) гораздо сильнее отклоняется электриче­ским и магнитным полями; его ионизирую­щая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникаю­щая способность гораздо больше, чем у -частиц (погло­щается слоем алюминия толщиной 2 – 5 мм)

-излучение не отклоняется электри­ческим и магнитным полями, обладает от­носительно слабой ионизирующей способ­ностью и очень большой проникающей способностью (проходит через слой свинца толщиной 5 см). -излучение представляет со­бой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны ( < 1∙10^-10 м) и вследствие этого — ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц — -квантов (фотонов).

Радио­активный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам ста­тистики. Поскольку отдельные радиоак­тивные ядра распадаются независимо друг от друга, можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за интер­вал времени от t до t+dt, пропорциональ­но промежутку времени dt и числу N не­распавшихся ядер к моменту времени t:

(1)

где  — постоянная для данного радио­активного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радио­активных ядер в процессе распада умень­шается. Интегрируя выражение (1), получим закон радиоактивного распада, согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со вре­менем по экспоненте

(2)

где N₀ – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0), N – число нераспавшихся ядер в момент времени t.

И нтенсивность процесса радиоактив­ного распада характеризуют две величи­ны: период полураспада T_1/2 и среднее вре­мя жизни  радиоактивного ядра. Период полураспада T_1/2 — время, за которое ис­ходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается в два раза. Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до мно­гих миллиардов лет. Обобщённая графическая зависимость процесса радиоактивного распада представлена на рис. 1.

Среднее время жизни  радиоактивного ядра - величина, обратная постоянной радиоак­тивного распада .

Активностью А нуклида в радио­активном источнике называется число рас­падов ядер образца за время t = 1 с:

(3)

Единица активности в системе СИ – беккерель (Бк): 1 Бк – активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. В ядерной физике применяется и внесистемная единица ак­тивности нуклида - кюри (Ки): 1 Ки = 3,7∙10¹⁰ Бк.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми прави­лами смещения, позволяющими устано­вить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра.

Пра­вила смещения:

для -распада

(4)

для -распада

(5)

где X – материнское ядро,

Y – дочернее ядро,

A – массовое число,

Z – зарядовое число,

– ядро гелия (-частица),

– символическое обоз­начение электрона.

Правила сме­щения являются след­ствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, — закона сохранения электрического заряда и закона сохранения мас­сового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Если γ-кванты и α-частицы имеют строго определенные энергии (Е_γ и E_α дискретны), то β-излучение имеет непрерывный спектр (рис. 2). В энергетическом спектре β-излучения принято отмечать среднюю энергию Е_ср и максимальную энергию E_max. Для большинства радионуклидов Е_mах/Е_ср = 2,5...4. Но это отношение может быть и значительно бόльшим. Так, для кобальта-60 – Е_mах/Е_ср= 16, а для европия-158 — Е_mах/Е_ср = 44.

В табл. 1 включены некоторые радиоизотопы, встречающиеся в практике радиационного контроля и имеющие достаточно большой период полураспада. В графе «Виды и энергия излучения» радиоизотопы разнесены по трем группам: альфа-, бета- и гамма-. Указанные здесь E_α, E_β и E_γ – излучения, имеющие наибольший выход на распад (в скобках указан % выхода на распад). Жирным шрифтом в таблице выделены изотопы, дающие чисто бета-излучение с достаточно высокой энергией, и используемые в радиоизотопных толщиномерах.

Таблица 1

Радионуклиды, основные характеристики

Радионуклид	Символ	T1/2	Вид и энергия излучения, МэВ (относительная интенсивность, %)
Европий-155	155Eu	4,96 года	Eβ = 0,25; Eγ= 0,087 (32); Eγ= 0,105 (20)
Кобальт-60	60Co	5,27 года	Eβ = 0,314 (99); Eγ= 1,173 (100); Eγ= 1,332 (100)
Криптон-85	85Kr	10,7 года	Eβ = 0,67; Eγ- слаб.
Никель-63	63Ni	100 лет	Eβ = 0,067
Плутоний-238	238Pu	87,7 года	Eα = 5,50 (72); Eα = 5,46 (28); Eγ- слаб.
Прометий-147	147Pm	2,62 года	Eβ = 0,224
Самарий-151	151Sm	90 лет	Eβ = 0,076; Eγ= 0,022 (4)
Свинец-210	210Pb	22,3 года	Eβ = 0,061; Eγ= 0,047 (4)
Стронций-90	90Sr	28,6 лет	Eβ = 0,546
Сурьма-125	125Sb	2,73 года	Eβ = 0,61; Eγ= 0,427 (31); Eγ= 0,599 (24)
Таллий-204	204Tl	3,78 года	Eβ = 0,766
Титан-44	44Ti	47,3 года	Eβ = 1,04; Eγ= 0,078 (98); Eγ= 0,068 (90)
Цезий-137	137Cs	30,0 лет	Eβ = 1,176 (5); Eβ = 0,514 (95); Eγ= 0,662 (85)

Поглощение потока электронов с одинаковыми скоростями в однородном ве­ществе подчиняется экспоненциальному закону

(6)

где N₀ и N — число электронов на входе и выходе слоя ве­щества толщиной х,  – линейный коэффициент по­глощения, см^-1.

Экспериментально установлено, что отношение линейного коэффициента поглощения , см^-1 к плотности вещества ρ, г/см³ слабо зависит от химического состава поглотителя. Это отношение называется массовым коэффициентом поглощения μ_m и имеет размерность см²/г:

(7)

Величина μ_m, см²/г для бета-излучения может быть приблизительно определена из эмпирического соотношения:

(8)

где E_max – максимальная энергия бета-частиц, МэВ.

Для контроля толщины покрытий и состава веществ используется поток обратно-рассеянного β-излучения.

Характер процесса рассеяния зависит от энергии исходного излучения, атомного номера и структуры рассеивающей среды, геометрических факторов и т.д. Зависимость плотности потока обратно рассеянного излучения J о толщины рассеивателя d описывается выражением:

(9)

где μ_e – постоянный коэффициент, зависящий от энергии излучения:

(10)

J_max – плотность потока излучения, обратно-рассеянного от достаточно толстого рассеивателя (d = d_нас):

(11)

где Е_max – максимальная энергия бета-спектра, МэВ,

ρ - плотность рассеивателя, г/см³.

Зависимость потока обратно-рассеянного β-излучения от атомного номера Z вещества. приведена на рис. 3.