СПОСОБ МУЛЬТИЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ Российский патент 2015 года по МПК G01N23/04 

Изобретение относится к средствам цифровой рентгенографии и может быть использовано для радиографического неразрушающего контроля, в частности для обнаружения скрытых дефектов изделий микроэлектроники с неоднородной структурой.

Изделия микроэлектроники с неоднородной структурой содержат неоднородные функциональные элементы (узлы) с различным числом слоев $$n=\overline{1\dots N}$$ , их толщиной d_n и линейным коэффициентом ослабления µ_n (фиг. 1). В дальнейшем под уровнем неоднородности i-го функционального элемента будем понимать

где N_i - число слоев в i-м функциональном элементе.

Тогда интенсивность излучения за i-м функциональным элементом изделия микроэлектроники

где I₀ - интенсивность излучения на поверхности объекта контроля (изделия микроэлектроники).

Под интенсивностью излучения следует понимать энергию рентгеновских лучей, проходящих в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению лучей [Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. М.-Л.: изд-во «Энергия», 1966. - 568 с.]. Зачастую излучение рентгеновского источника (трубки) характеризуют энергией, под которой понимают энергию рентгеновских лучей, проходящих через данную поверхность за данное время.

Известны способы двухэнергетической рентгенографии (см., например, Jens Ricke, et al., Clinical results of Csl-detector-based dual-exposure dual energy in chest radiography // Eur Radiol (2003) 13. P. 2577-2582; Мазуров А.И. Последние достижения в цифровой рентгенотехнике // Медицинская техника, 2010. №5 (263). - С. 10), согласно которым из двух изображений, сделанных при разных анодных напряжениях на рентгеновской трубке, путем субтракции получают изображения мягких и костных тканей. Использование способов с переключением анодного напряжения на рентгеновской трубке и последовательным получением двух изображений усиливает износ рентгеновской трубки за счет резкого переключения анодного напряжения и развивающихся при этом переходных процессов и увеличивает время исследования, что приводит к увеличению полученной пациентом дозы и большему относительному смещению изображений, ухудшающему результат дальнейшей обработки изображений методом субтракции.

Кроме того, известные способы оказываются неприемлемыми для рентгеновского неразрушающего контроля изделий микроэлектроники, имеющих, как правило, более двух уровней неоднородностей, характеризующихся различными толщинами и коэффициентами линейного ослабления.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ мультиэнергетической рентгенографии (патент РФ №2366990 от 10.09.2009), заключающийся в том, что производят ряд снимков при разных значениях анодного напряжения, разные значения анодного напряжения достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного или пульсирующего анодного напряжения, питающего рентгеновскую трубку, и обработкой снимков получают отдельные изображения мягких и костных тканей.

Недостатком способа-прототипа является невозможность его использования для рентгеновского неразрушающего контроля изделий микроэлектроники с неоднородной структурой, обусловленная следующими причинами.

1. Для обеспечения требуемого контраста рентгеновского изображения требуется генерация излучения с различной интенсивностью I₀ (различной энергетикой) по числу уровней неоднородностей (1) объекта контроля. Способ-прототип обеспечивает регистрацию отдельных снимков в течение двух промежутков времени: один снимок окажется выполненным при эффективной энергии рентгеновского излучения, соответствующей среднему значению анодного напряжения для диапазона U₁-U₂, а второй снимок - при другой величине эффективной энергии рентгеновского излучения, соответствующей среднему значению анодного напряжения для диапазона U₃-U₄. Субтракция полученных изображений позволит получить отдельные изображения изделий микроэлектроники только с двумя уровнями неоднородности.

2. Динамический диапазон изменения интенсивности I₀ (эффективной энергии) рентгеновского излучения должен обеспечивать требуемый контраст (или другой избранный показатель качества) рентгеновского изображения для всех N уровней неоднородностей. Как показано в книге [Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. М.-Л.: изд-во «Энергия», 1966. - 568 с.] на с. 43, при увеличении тока i_A, протекающего через рентгеновскую трубку, увеличивается число электронов, тормозящихся на аноде, следовательно, увеличивается интенсивность I₀ излучения. В способе-прототипе изменение эффективной энергии рентгеновского излучения достигается только регулированием анодного напряжения U_A, что не позволяет достичь требуемого динамического диапазона и обеспечить с заданной точностью установку интенсивности излучения с требуемой длиной волны λ.

3. Важным требованием к неразрушающему контролю является повышение его оперативности (снижение времени осуществления) [Шмаков М. Выбор системы рентгеновского контроля. Взгляд технолога // Технологии в электронной промышленности, №4, 2006. - С. 60-68]. Получение в способе-прототипе отдельных изображений увеличивает время их анализа.

Задачей изобретения является создание способа мультиэнергетической рентгенографии, позволяющего расширить возможности цифровой рентгенографии на изделия микроэлектроники с неоднородной структурой, повысить достоверность и оперативность радиографического неразрушающего контроля.

В заявленном способе эта задача решается тем, что в способе мультиэнергетической рентгенографии, заключающемся в том, что производят ряд снимков при разных значениях анодного напряжения, разные значения анодного напряжения достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного или пульсирующего анодного напряжения, питающего рентгеновскую трубку, дополнительно производят ряд снимков при разных значениях анодного тока, разные значения анодного тока достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного анодного тока, протекающего через рентгеновскую трубку, обработкой снимков получают изображение, на котором для всех функциональных элементов (узлов) изделия микроэлектроники с неоднородной структурой обеспечен заданный контраст или другой избранный показатель качества.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата за счет:

- точной установки интенсивности (эффективной энергии) рентгеновского излучения с заданной длиной волны, обеспечивающей достижение заданного контраста (или другого избранного показателя качества) всех функциональных элементов (узлов) изделия микроэлектроники с неоднородной структурой (повышение достоверности контроля);

- формирования одного изображения такого изделия, удовлетворяющего требованиям к достоверности и минимизирующего время его анализа (повышение оперативности).

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа мультиэнергетической рентгенографии, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - изделие микроэлектроники с неоднородной структурой;

фиг. 2 - зависимость интенсивности тормозного рентгеновского излучения от анодного напряжения;

фиг. 3 - зависимость интенсивности тормозного рентгеновского излучения от анодного тока;

фиг. 4 - зависимость интенсивности тормозного рентгеновского излучения от анодного напряжения и анодного тока.

Для повышения достоверности и оперативности радиографического неразрушающего контроля изделий микроэлектроники с неоднородной структурой (фиг. 1), согласно предлагаемому способу, выполняют следующие операции.

Производят ряд снимков при разных значениях анодного напряжения U_A, для чего используют М монохроматических излучений с соответствующими интенсивностями I₀ (λ_m), $$(m=\overline{1\dots M})$$ , где λ_m - длина волны, отвечающая максимуму интенсивности.

При этом разные значения анодного напряжения достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного или пульсирующего анодного напряжения, питающего рентгеновскую трубку. Если рентгеновская трубка работает при постоянной силе тока i_A и постоянном, не меняющемся во времени напряжении U_A, то кривая распределения плотности интенсивности в спектре излучения в каждый момент времени отвечает кривой U_A1 (фиг. 2).

Под плотностью интенсивности в спектре следует понимать отношение интенсивности лучей, заключенных в узком интервале длин волн спектра, к этому интервалу [Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. М.-Л.: изд-во «Энергия», 1966. - 568 с.].

Если же рентгеновская трубка будет работать при постоянной силе тока i_A той же величины, что и в первом случае, но при пульсирующем анодном напряжении, то распределение интенсивности в спектре излучения, отвечающее кривой U_A1, будет только в один момент времени, когда меняющееся напряжение достигнет своего максимума (U_max=U_A1). Во все другие моменты напряжение будет ниже и, следовательно, кривые распределения интенсивности излучения будут иные (кривые U_A2 и U_A3), имеющие большую минимальную длину волны и меньшую интенсивность полного излучения. Поэтому в случае пульсирующего напряжения кривая распределения интенсивности в спектре излучения будет меняться во времени. Минимальная длина волны будет такая же, как и в случае постоянного напряжения U_A=U_max, но максимум интенсивности будет сдвинут в сторону больших длин волн, и интенсивность всего спектра излучения станет меньше.

Производят ряд снимков при разных значениях анодного тока i_A, при этом разные значения анодного тока достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного анодного тока, протекающего через рентгеновскую трубку.

При увеличении тока, протекающего через рентгеновскую трубку, увеличивается число электронов, тормозящихся на аноде, следовательно, увеличивается излучение источника. Из кривых распределения плотности интенсивности в спектре излучения при различных силах тока i_A (фиг. 3) видно, что с увеличением тока увеличивается интенсивность каждой длины волны спектра во столько раз, во сколько раз возрос ток. Форма кривой распределения интенсивности остается неизменной, а длина волны, отвечающая максимуму интенсивности, сохраняет свое значение.

Далее обработкой снимков получают изображение, на котором для всех функциональных элементов (узлов) изделия микроэлектроники с неоднородной структурой обеспечен заданный контраст.

Для этого снимки изделия микроэлектроники с неоднородной структурой, полученные при разных значениях анодного напряжения U_A и анодного тока i_A, разделяют на изображения отдельных i-x функциональных элементов (узлов) путем решения системы уравнений

относительно ρ_i(λ_m). В выражении (3) I(λ_m) - интенсивность рентгеновского излучения с заданной длиной волны λ_m, достигаемая путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного или пульсирующего анодного напряжения и анодного тока.

Несмотря на уменьшение отношения сигнал/шум в разделенных изображениях обнаружение дефектов изделий микроэлектроники увеличивается из-за уменьшения «структурного шума», т.е. исключения из изображений мешающих структур.

Изображения отдельных функциональных элементов (узлов), для которых обеспечивается достижение заданного контраста, объединяются в изображение, на котором для всех функциональных элементов (узлов) изделия микроэлектроники с неоднородной структурой обеспечен заданный контраст.

Возможность решения сформулированной задачи изобретения была проверена натурным экспериментом описанных действий при следующих исходных данных.

1. Источником излучения являлся аппарат рентгеновский переносной для промышленного применения РАП-220.

2. В качестве объекта контроля использовалась однослойная печатная импульсного блока питания ПЭВМ.

3. При изменении анодного напряжения в пределах от 80 до 180 кВ и анодного тока в пределах от 3 до 5 мА производилась регистрация пяти снимков при следующих значениях анодных напряжения и тока:

1) U_A1=80 кВ, i_A1=3 мА;

2) U_A2=100 кВ, i_A2=3,5 мА;

3) U_A3=140 кВ, i_A3=3,5 мА;

4) U_A4=40 кВ, i_A3=4 мА;

5) U_A5=180 кВ, i_A3=4 мА.

4. Измерение энергии рентгеновского излучения осуществлялось фотографическим методом, описанным в книге [Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. М.-Л.: изд-во «Энергия», 1966. - 568 с. ] на с. 422-424.

Результаты оценки интенсивности излучения (фиг. 4) свидетельствует о возможности точной установки интенсивности I₀(U_A,i_A) рентгеновского излучения с заданной длиной волны и, как следствие, возможности цифровой рентгенографии изделий микроэлектроники с неоднородной структурой.

Анализ полученных снимков показал, что на них с требуемой (для задачи обнаружения скрытых дефектов) контрастностью хорошо различимы:

1) на первом снимке - дорожки печатной платы;

2) на втором - резисторы, конденсаторы малой емкости и полупроводниковые элементы (диоды и транзисторы);

3) на третьем - микросхемы, разъемы и электролитические конденсаторы большой емкости;

4) на четвертом - выходные трансформаторы;

5) на пятом - входной трансформатор.

Изображения указанных функциональных элементов с помощью специализированного программного средства объединялись в изображение, на котором для всех функциональных элементов импульсного блока питания был обеспечен заданный контраст. Сформированное изображение предъявлялось специалисту для визуального анализа скрытых дефектов.

Таким образом, результаты эксперимента подтверждают возможность решения задачи изобретения.

Использование: для радиографического неразрушающего контроля. Сущность изобретения заключается в том, что производят ряд снимков при разных значениях анодного напряжения, разные значения анодного напряжения достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного или пульсирующего анодного напряжения, питающего рентгеновскую трубку, при этом также производят ряд снимков при разных значениях анодного тока, разные значения анодного тока достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного или пульсирующего анодного тока, протекающего через рентгеновскую трубку, обработкой снимков получают изображение, на котором для всех функциональных элементов (узлов) изделия микроэлектроники с неоднородной структурой обеспечен заданный контраст. Технический результат: обеспечение возможности создания способа мультиэнергетической рентгенографии, позволяющего расширить возможности цифровой рентгенографии на изделия микроэлектроники с неоднородной структурой, повысив достоверность и оперативность радиографического неразрушающего контроля. 4 ил.

Способ мультиэнергетической рентгенографии, заключающийся в том, что производят ряд снимков при разных значениях анодного напряжения, разные значения анодного напряжения достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного или пульсирующего анодного напряжения, питающего рентгеновскую трубку, отличающийся тем, что производят ряд снимков при разных значениях анодного тока, разные значения анодного тока достигаются путем регистрации снимков в разные моменты времени действия переменного или пульсирующего анодного тока, протекающего через рентгеновскую трубку, обработкой снимков получают изображение, на котором для всех функциональных элементов (узлов) изделия микроэлектроники с неоднородной структурой обеспечен заданный контраст.