Czy kontrola X-ray uszkadza DRAM?

Poprzednie badania szeroko omawiały degradację zdolności odświeżania pamięci DRAM spowodowaną napromieniowaniem rentgenowskim, jednak poziom napromieniowania PCB nie został wówczas dokładnie scharakteryzowany pod kątem kontroli rentgenowskiej po SMT (przykładami mogą być opracowania X-Ray Radiation Effect in DRAM Retention Time z 2007 roku, Impact of X-Ray Radiation on the Reliability of Logic Integrated Circuits z 2020 roku oraz An Evaluation of X-Ray Irradiation Induced Dynamic Refresh Characterization in DRAM z 2019 roku). Ponadto, brakuje danych z testów funkcjonalnych układów pamięci BGA, które zostały poddane naświetlaniu promieniami rentgenowskimi. Obecnie zespół inżynierów z firmy Intel opracował dokument, charakteryzujący poziom naświetlenia promieniami rentgenowskimi w zależności od grubości obudowy i płytkach o różnej grubości, oceniając szereg materiałów i grubości filtrów. Ponadto scharakteryzowano naświetlanie zarówno w automatycznych, jak i ręcznych systemach inspekcji.

Ta kompleksowa ocena ma na celu dostarczenie wglądu w wpływ naświetlania promieniami rentgenowskimi na pamięć DRAM, rzucając światło na potencjalne zagrożenia i informując o strategiach ograniczania zagrożeń. W omawianym artykule zbadano również tolerancję PCB zawierających pamięci BGA na promieniowanie, wskazując próg, przy którym pojawiają się problemy z funkcjonalnością.

Coraz częściej pojawiają się obawy, iż kontrola rentgenowska może powodować ukryte uszkodzenia elementów półprzewodnikowych. W kilku wcześniejszych publikacjach przytaczane jest twierdzenie, iż nawet jeśli promieniowanie zwykle nie powoduje natychmiastowej awarii, może negatywnie wpływać na funkcjonowanie układu DRAM w przyszłości. Jednak określenie progów bezpieczeństwa dla każdego rodzaju uszkodzenia może być trudne. Użytkownicy muszą zadbać o skonfigurowanie ustawień kontroli w sposób, który zapewni najlepsze możliwe wyniki obrazowania, jednocześnie minimalizując ryzyko uszkodzenia próbek. Trzeba jednak podkreślić, iż ewentualne wystąpienie ukrytych uszkodzeń dotyczy tylko niewielkiego odsetka komponentów.

Jednym z głównych zastosowań DRAM jest umieszczenie pamięci blisko procesora w celu zwiększenia przepustowości i zmniejszenia opóźnień. Statyczny czas odświeżania lub czas retencji to ilość czasu, w której komórka DRAM może niezawodnie przechowywać dane, a kilka badań wykazało degradację czasu retencji DRAM po wystawieniu na promieniowanie rentgenowskie. Pomiary innych parametrów czasowych, takich jak czas dostępu czy czas wstępnego ładowania, nie wskazały na występowanie żadnych znaczących zmian po rentgenie. Podsumowując, tylko czas odświeżania wydaje się być najbardziej wrażliwym parametrem. Pogorszenie się tego parametru często powodowane jest niepożądanym wyciekiem ładunku elektrycznego z kondensatora (tzw. leakage). Uszkodzenie DRAM spowodowane napromieniowaniem stanowi poważne wyzwanie dla inspekcji BGA. Wraz ze zmniejszaniem się rozstawu kulek pod BGA coraz częściej konieczne staje się stosowanie większych przybliżeń, uzyskiwanych poprzez zmniejszanie odległości między obudową a źródłem promieni rentgenowskich, a tym samym prowadzą do większej dawki.

Zespół autorów opracowania DRAM damage due to X-Ray Inspections Post PCB Assembly z Intel przeanalizował wpływ takich zmiennych jak rodzaj i grubość materiału filtra rentgenowskiego, grubość płytki drukowanej i czas trwania procesu inspekcji. Analizowano również wpływ ustawień mocy i napięcia promieniowania rentgenowskiego na jakość inspekcji.

Pomiar promieniowania przeprowadzono przy użyciu powszechnie stosowanego detektora termoluminescencyjnego (TLD) o dokładności +/5% i minimalnej raportowanej dawce 0,01 rad. TLD są proste w użyciu: ich zasada działania polega na tworzeniu tzw. centrów kolorów w ich strukturze krystalicznej podczas pochłaniania promieniowania jonizującego (w tym promieni rentgenowskich). Następne ogrzewanie się materiału TLD uwalnia zmagazynowane fotony wytworzone przez promieniowanie, ponieważ każde ’centrum koloru’ powraca do stanu o najniższej energii. Wyniki (fotony = dawka) z próbki testowej można następnie odnieść do tabeli kalibracyjnej dla użytych TLD. Dozymetr przymocowano do obszaru, w którym należało zmierzyć promieniowanie, za pomocą taśmy kaptonowej. Promieniowanie mierzono w różnych typach maszyn: automatycznej inspekcji rentgenowskiej (AXI lub 3D X-ray) i ręcznej inspekcji rentgenowskiej (MXI lub 2D X-ray). Autorzy dokumentu szczegółowo opisują przebieg eksperymentu i swoje cząstkowe wnioski – jak zwykle po szczegóły odsyłamy do oryginału opracowania DRAM damage due to X-Ray Inspections Post PCB Assembly, my zaś skupimy się na podsumowaniu badań.

Podsumowanie

W opisywanym dokumencie przedstawiono kilka strategii niwelowania ryzyka uszkodzenia DRAM poprzez minimalizację dawek promieniowania, przyjmowanych przez PCB podczas kontroli rentgenowskiej:

• Jedną z kluczowych obserwacji jest to, że sama płytka PCB działa jak skuteczna osłona, znacznie zmniejszając narażenie na promieniowanie (zależność tę pokazano na rysunku 1). Efekt ochronny został wyraźnie wykazany w wynikach eksperymentów, podkreślając konieczność uwzględnienia właściwości materiału płytki podczas kontroli.
• W badaniu zbadano również wpływ czasu kontroli na dawkę, ujawniając bezpośrednią korelację - dłuższe czasy kontroli skutkują większą ekspozycją na promieniowanie. Stwierdzenie to podkreśla potrzebę optymalizacji czasu kontroli w celu zminimalizowania dawki, jednak bez uszczerbku dla dokładności kontroli.
• Innym omawianym krytycznym czynnikiem jest wybór materiału filtrującego. Miedź została zidentyfikowana jako najskuteczniejszy filtr do ekranowania promieniowania, znacznie zmniejszający poziomy dawki. Jednak redukcja dawki na też swoje minusy - ze względu na zmniejszoną penetrację promieni rentgenowskich, obrazy uzyskane za pomocą filtrów miedzianych były bardzo złej jakości.
• Ponadto w artykule zbadano zależność między grubością materiału a dawką, stwierdzając, że zależność ta ma charakter wykładniczy. W miarę jak grubość materiału wzrasta, redukcja dawki staje się marginalna, wskazując na malejące korzyści przy dalszym zwiększaniu grubości.
• W artykule zbadano również tolerancję na promieniowanie PCB zawierających BGA. Nie zaobserwowano początkowej degradacji wydajności pamięci DRAM nawet po nadmiernym narażeniu na promieniowanie i to wielokrotnie przekraczające zalecany przez producenta limit narażenia pamięci DRAM.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!