Wysokorozdzielcza tomografia komputerowa

Od kilku lat na rynku dostępny jest szereg nowoczesnych systemów tomografii komputerowej (CT), oferujących analizę wysokiej rozdzielczości dla mikromechaniki, elektroniki i badań materiałowych. Nadają się one szczególnie do badań CT czujników, siłowników, mikroelementów elektronicznych oraz próbek materiałów syntetycznych, ceramiki i kompozytów. Systemy te pozwalają na wizualizację wszelkich wewnętrznych różnic w gęstości i porowatości próbki oraz pomiar odległości i objętości porów. Dają też nowe możliwości poruszania się w całej strukturze badanej próbki i rozbieranie jej „kawałek po kawałku” w sposób nieniszczący.

© GE Phoenix Rys. 1. Przykładowa analiza błędów. Tomografia komputerowa połączeń wewnątrz układu CSP pozwala analizować pakietowo strukturę lutowania.

Dotychczas takie możliwości analizy były nieosiągalne. Tomografia wysokorozdzielcza rozszerza spektrum badań nieniszczących w dziedzinie mikrostruktur, a najnowsze urządzenia otwierają niewątpliwie nowe możliwości mikroanalizy nieniszczącej trójwymiarowej próbek. Przez wiele lat jedynym sposobem na określenie wewnętrznej struktury próbki w zakresie rozdzielczości submikronowej była analiza niszcząca, polegająca na cięciu badanej próbki na obszary. Ta technika była nie tylko czasochłonna, ale również wiązała się z utratą próbki. Dzięki zaawansowanej technologii rentgenowskiej, analiza niszcząca odchodzi w zapomnienie. Na polu elektroniki, mikromechaniki i inżynierii materiałowej, tomografia komputerowa pozwala badaczom na eksplorowanie całej struktury próbki na poziomie submikronowym. Wdrożenie tej technologii wiązało się z pokonaniem dwóch głównych przeszkód. Pierwszą była konieczność wykorzystania komputerów zdolnych do przetwarzania dużych ilości danych w możliwie krótkim czasie. Do niedawna ich ceny były zaporowe. Drugą, ważniejszą przeszkodą, była potrzeba zastosowania systemu rentgenowskiego wysokiej rozdzielczości z lampą o submikronowej wielkości ogniskowej i na tyle dużej mocy, aby umożliwiła wnikanie w gęste próbki i zwracanie obrazu w bardzo wysokiej rozdzielczości. Tomografia Tomografia jest rozwinięciem konwencjonalnej dwuwymiarowej inspekcji rentgenowskiej. Próbka jest ustawiana pomiędzy źródłem promieniowania i detektorem, po czym jest obracana o 360°. Lampa rentgenowska o mocy 15W i napięciu pracy 180kV generuje stożkową wiązkę promieni rentgenowskich, która pozwala na przeniesienie obrazu próbki na cyfrowy detektor o aktywnym obszarze 120×120mm (2300×2300 pikseli). W rezultacie otrzymamy obraz, w którym piksel ma rozmiar fizyczny 50μm podzielony przez powiększenie geometryczne, będące stosunkiem odległości źródło-detektor i odległości badanego obiektu od źródła promieniowania, co daje minimalny wymiar 0,5μm. Wielkość próbki jest tu istotnym czynnikiem. Największe powiększenie może być uzyskane dla najmniejszych próbek. © PB Technik Rys. 2. Schemat tworzenia tomografii komputerowej (CT). Aby dokonać pełnej rekonstrukcji, próbka musi znajdować się w polu widzenia, tak aby podczas pełnego obrotu o 360° wiązka prześwietlała cały element Ostrość (rzeczywista rozdzielczość obrazu) jest ustalana przez wielkość ogniskowej lampy rentgenowskiej (patrz rys. 3). W przypadku większego rozmiaru plamki ogniskowej od rozmiaru piksela, otrzymamy efekt półcienia, a co za tym idzie ograniczenie jakości obrazu. Zmniejszenie wielkości promienia rentgenowskiego pozwala na redukcję tego efektu i w rezultacie otrzymanie ostrzejszego obrazu na detektorze. © PB Technik Rys. 3. Im mniejszy rozmiar ogniskowej, tym większa ostrość. Wielkość plamki ogniskowej poniżej 1μm pozwala na przetwarzanie obrazu o rozmiarach od 200 do 300nm[i]

© GE Phoenix Rys. 4. Struktura układu SMD, układ BGA, gdzie na kulce po lewej stronie wyraźnie widać efekt „głowy w poduszce”, ceramiczny chip SMD z wewnętrzną cewką © GE Phoenix Rys. 5. Wizualizacja 2mm plastra z widoczną porowatością (ciemny obszar) i obszarami metalicznymi o wysokiej gęstości (jasne obszary) © GE Phoenix Rys. 6. Tomografia włókna szklanego wzmocnionego tworzywem sztucznym. Widoczna jest orientacja cienkich włókien, jak również wypełnienia nagromadzone z materiałów mineralnych (fiolet) © GE Phoenix Rys. 7. Tomografia kompozytów włókna szklanego. Widoczne jest włókno z maty (kolor niebieski) i materiał żywiczny (kolor pomarańczowy) © GE Phoenix Rys. 8. Wirtualny obraz rekonstrukcji 3D przedstawiający próbkę bazaltu. Dla polepszenia analizy zaciemniono obszar skały i poddano wizualizacji tylko strukturę sieci porów. [/i]

Obsługa i przygotowanie do wykonania CT jest proste. Obiekt ustawia się na specjalnym obrotowym uchwycie pomiędzy lampą rentgenowską i detektorem. Tworzenie obrazu zaczyna się od wykonania serii zdjęć dwuwymiarowych. Seria zdjęć jest wykonywana podczas obrotu próbki o 360° w polu widzenia o kątowych przyrostach 0,25...0,5° co jeden skok. Zdjęcia te zawierają informacje o pozycji i gęstości obiektu. Zgromadzone dane są następnie wykorzystywane do numerycznej rekonstrukcji objętościowej za pomocą algorytmu odfiltrowującego tylną projekcję. Czas rekonstrukcji obrazu zależy od wielkości próbki. Rekonstrukcja odbywa się równolegle do gromadzenia danych, tak więc wynik jest dostępny zaraz po zakończeniu procesu. Rezultatem jest wizualizacja 3D badanego obiektu. Możliwe jest też „krojenie” segmentowe obrazu i podgląd w każdym kierunku. Przykładowe aplikacje Na rys. 4–8 przedstawiono niektóre z możliwych zastosowań tomografii komputerowej, pochodzące z modelu Nanotom z firmy Phoenix. Jak widać, wizualizowane są wszystkie wewnętrzne szczegóły odpowiadające gęstości lub porowatości, a odległości wewnętrzne mogą być zmierzone. Istnieje możliwość wykonywania zdjęć w różnych fazach procesu lutowania. Można oglądać krystaliczne struktury odróżniające się od struktur składających się z metali. Składniki próbek mogą być indywidualnie wizualizowane za pomocą tłumienia kontrastu, tak aby wyróżnić interesujący nas materiał. W ten sposób zazwyczaj ukryte pod porami odlewy z metali lekkich lub kamienne próbki mogą być również analizowane. Dzięki technikom inspekcji nieniszczącej, być może w niedalekiej przyszłości będzie możliwe wyparcie metod niszczących, a tym samym obniżenie kosztów i skrócenie czasu poświęconego na przeprowadzanie żmudnej kontroli. Autorem tekstu jest Daniel Trzciński z firmy PB Technik