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A Complimentary Inspection Technique based on Computer Tomography and Plenoptic Camera for MEMS Components

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Uno sguardo più attento ai micro-componenti

I sistemi microelettromeccanici sono dispositivi microfabbricati impiegati in molti prodotti elettronici, ma la loro produzione è afflitta da difetti difficili da rilevare. I ricercatori hanno creato un sistema che si avvale della tecnologia basata sui raggi X e sulla visione 3D per rilevare facilmente le imperfezioni.

Tecnologie industriali

I sistemi microelettromeccanici (MEMS, Micro-electro-mechanical systems) sono ovunque, all’interno di accelerometri, giroscopi, sensori di pressione, microfoni e altro ancora. Questi componenti sono fondamentali e integrati nell’elettronica delle auto, nelle apparecchiature dei videogiochi, nonché nella applicazioni per la comunicazione mobile. Tutti questi MEMS sono fabbricati mediante strumenti di microfabbricazione, principalmente nei processi tridimensionali (3D). I produttori richiedono sofisticati strumenti di ispezione per le microstrutture 3D, ma i metodi attuali non sempre riescono a rilevare difetti critici e le alternative manuali sono troppo esose. Il progetto CITCOM, finanziato dall’UE, si propone di migliorare radicalmente la produzione dei MEMS incrementando il livello di maturità tecnologica (TRL) delle apparecchiature di immaginografia 3D e di ispezione a raggi X. I ricercatori hanno previsto che la loro apparecchiatura di ispezione sarà pronta per essere implementata da produttori come Philips o Microchip quali potenziali utenti finali.

Due moduli per l’ispezione MEMS

CITCOM ha sviluppato due moduli: un sistema di produzione in linea con visione 3D per ispezionare il 100 % della produzione MEMS e un sistema a raggi X su linea secondaria che può essere usato per l’analisi selettiva e avanzata. I ricercatori hanno creato il modulo ottico a visione 3D sulla base di un normale sensore wafer micro-elettrico installato con una fotocamera plenottica e un software di ispezione automatizzata per rilevare informazioni importanti dalla luce. «Queste fotocamere acquisiscono informazioni sull’origine del raggio di luce in uno spazio 3D attraverso una serie di microlenti posizionate proprio di fronte ad un normale chip fotosensitivo», sottolinea il coordinatore del progetto CITCOM, Francesco Crivelli. «Dopo la calibrazione della fotocamera l’oggetto scansionato viene ricostruito su computer, producendo una mappa tridimensionale e un’immagine interamente messa a fuoco.» Il sistema a raggi X di CITCOM comprende una fonte a raggi X che i ricercatori hanno sviluppato specificatamente per questo progetto, un rilevatore e un manipolatore. I ricercatori hanno dotato il sistema di un grosso rilevatore integratore di carica da 5,5 MP per rilevare efficacemente difetti delle dimensioni di un submicron. Il team ha sviluppato un software dedicato che automatizza il processo di ispezione per entrambi i moduli e ha creato un software back-end che integra il controllo dell’hardware di immaginografia, dirige il flusso di analisi dell’immagine e invia le informazioni a tutti gli altri componenti del sistema di ispezione. I ricercatori hanno creato una funzionalità di riconoscimento automatizzato dei difetti che si avvale dell’apprendimento profondo per rilevare anomalie come difetti e particelle estranee.

Prove di affidabilità sui moduli

I ricercatori hanno testato l’affidabilità e la resistenza del sistema di CITCOM su campioni MEMS forniti dai partner nonché utenti finali. Per le prove di affidabilità, CITCOM si è avvalso di laboratori specializzati per i campioni forniti da Microchip. Il team ha scoperto che CITCOM potrebbe arrivare a migliorare l’efficienza della produzione fornendo gli strumenti necessari per identificare i difetti ad una fase precoce della produzione. CITCOM ha dimostrato che il sistema aumenta l’efficienza, riduce il consumo di elettricità e diminuisce gli scarti prodotti, abbassando anche i costi di manutenzione e operazione fino al 76 %. Si prevede un potenziale calo del 40 % nelle categorie di impatto ambientale che includono i cambiamenti climatici, il consumo energetico e l’eutrofizzazione. «Il successo di CITCOM è provato dalla concreta volontà dei vari partner di proseguire la collaborazione oltre la chiusura del progetto», fa notare Crivelli. «Questo ci permetterà di testare le configurazioni in un ambiente di produzione reale e di finalizzare la tecnologia verso la commercializzazione.» Quando la resa produttiva effettiva del complesso MEMS e microsistemi migliorerà, la rafforzata sostenibilità del processo potrà ridurre i rifiuti, apportando un impatto positivo all’ambiente.

Parole chiave

CITCOM, sistemi microelettromeccanici (MEMS), raggi X, ottica, visione 3D

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