Публикации: Оптика и электроника (рубрикатор)

Предисловие

Года 3-4 назад судьба распорядилась так, что в руки мне попал ноутбук Asus G2S. Счастье моё длилось ровно до прошлой зимы, когда ни с того, ни с сего на экране стали появляться артефакты, особенно при запуске игрушек или «мощных» приложений, активно работающих с видеочипом. В результате оказалось, что проблема именно в нём. Nvidia для практически всей геймерской линейки G2 поставляла видеочипы с браком (отслоение контактов между самим кристаллом и подложкой), который обнаруживался лишь через пару лет интенсивной работы. Решение было однозначным – замена видеочипа. Но что делать со старым?! Ответ на этот вопрос пришёл на редкость быстро…

Дело в том, что в качестве «хобби» я читаю лекции в СУНЦ МГУ (школа Колмогорова), и меня давно просили подготовить материал по микро и наноэлектронике, где бы объяснялось как, где и в каких условиях производят флешки, процессоры и т.д. А тут такой ценный образец пропадает, так что буквально через день старенький видеочип лежал под алмазным кругом микротома.


Наш старенький, но добротный Accutom-2. В корпорации добра даже нормальной фотографии этого девайса не нашлось.

Наверное, поступил глупо, что не снял видео процесса разрезания самого чипа, но что поделать – c’est la vie. Когда в руках у меня оказалось 3 части, то разочарованию не было предела. Оказалось, что срез был довольно грубым (хотя я рассчитывал, что микротом сможет разрезать ровно и оставить после себя гладкую поверхность), и пришлось ещё долго и упорно шлифовать и полировать торцевую поверхность чипа, которую я затем рассмотрел под электронным микроскопом.

О пользе полировки

Кстати, польза от полировки видна невооружённым взглядом, точнее вооружённым, но только оптическим микроскопом:


Слева фотографии до полировки, справа – после. Верхний ряд фотографий – увеличение 50x, нижний – 100x.

После полировки (фотографии справа) уже на увеличении 50x видны медные контакты, соединяющие отдельные структуры чипа. До полировки, они, конечно же, тоже проглядывают сквозь пыль и крошку, образовавшуюся после резки, но разглядеть отдельные контакты вряд ли удастся.

Электронная микроскопия

Оптика даёт 100-200 крат увеличения, однако это не идёт ни в какое сравнение с 100 000 или даже 1 000 000 крат увеличения, которое может выдать электронный микроскоп (теоретически для ПЭМ разрешение составляет десятые и даже сотые доли ангстрема, однако в силу некоторых реалий жизни такое разрешение не достигается). К тому же, чип изготовлен по техпроцессу 90 нм, и увидеть с помощью оптики отдельные элементы интегральной схемы довольно проблематично. А вот электроны вкупе с определёнными типами детектирования (SE2 – вторичные электроны) позволяют визуализировать разницу в химическом составе материала и, таким образом, заглянуть в самое кремниевое сердце нашего пациента, а именно узреть сток/исток, но об этом чуть ниже.

Печатная плата

Итак, приступим. Первое, что мы видим – печатная плата, на которой смонтирован сам кремниевый кристалл. К материнской плате ноутбука он крепится с помощью BGA пайки. В ходе разработки лекции для школьников я пользовался довольно подробными публикациями от компании Intel на Хабре, однако недавно нашёл пару видео фрагментов с канала Discovery о кремниевой электронике. Например, в этом видеофрагменте рассказано о том, как кремниевый чип устанавливается на подложку, а также как эти маленькие (~0,5 мм в диаметре) оловянные шарики упорядоченно размещаются на печатной плате. Китайцы с их трудолюбием и усердием тут совершенно ни при чём (Видео на youtube).

BGA пайка.


BGA пайка.

Сам же кристалл устанавливается на некое подобие BGA, давайте назовём его «mini»-BGA. Это те же шарики из олова, которые соединяют маленький кусочек кремния с большой многослойной печатной платой, только их размер гораздо меньше.


Сравнение BGA и mini-BGA пайки.


Сравнение BGA и mini-BGA пайки.

Кстати, между кристаллом и печатной платой находится очень много «шариков», которые, по всей видимости, являются своего рода заполнителем пустого пространства между этими элементами и, возможно, способствуют отводу тепла от самого чипа к PCB.


Множество шарообразных частиц заполняют пространство между чипом и печатной платой. А вы видите уже проглядывающие контакты на самом видеочипе?!

Далее будет немножко фотографий самой печатной платы. Она оказалось 8-ми слойной, причём все слои так или иначе соединены между собой. И ещё – материал платы «волнистый», это заметно, как на оптических фотографиях, так и на изображениях, полученных с помощью электронного микроскопа. Кто знает, почему?!

Элемент обвязки

Микротом позволил аккуратно разрезать один из элементов обвязки, который, судя по всему, является либо SMD резистором, либо конденсатором. Но, честно говоря, я ожидал увидеть всё что угодно, только не полосатую структуру (т.е. данный элемент собран послойно из нескольких материалов, о чём свидетельствует разность контраста), поэтому если есть знающие люди, то Ваши комментарии очень помогут разобраться.


Оптическая фотография элемента обвязки видеочипа.


Оптическая фотография элемента обвязки видеочипа.


Оптическая фотография элемента обвязки видеочипа.


СЭМ-фотография элемента обвязки видеочипа.


СЭМ-фотография элемента обвязки видеочипа.

Кристалл NVidia 8600GT собственной персоной

Итак, вроде все элементы чипа NVidia 8600 GT мы увидели, кроме самого главного – устройства самого камня, а точнее очень тонкого слоя на нём. О том, как кварцевый песок превращается в высокочистый монокристаллический кремний можно узнать из блога компании Intel или из следующего видео, опять-таки от канала Discovery (Видео на youtube).

Чтобы гонять электроны по своим медным и полупроводниковым контактам пластины из кремния прошли множество стадий обработки, а я взял и всё испортил, препарировал бедный чип. Но не буду долго томить… Вот, ради чего я так долго мучился, и что хотел увидеть – отдельные элементы, выполненные по техпроцессу 90 нм:


Отдельные элементы современной компьютерной техники.

Еле заметная разница в контрасте – это и есть те самые стоки/истоки, которые помогают нам с Вами работать за компьютером, играть в компьютерные игры, смотреть фильмы, слушать музыку и т.д. Размер структур составляет, по моим подсчётам, около 114 нм, учитывая ~10% в шкале и расчётах, а также особенности литографии, эта цифра очень хорошо согласуется с заявленным техпроцессом.
Далее будет ещё несколько фотографий видеочипа:

Заключение

Многое из увиденного внутри видеочипа меня поразило. Элемент обвязки – вообще, полосатый шедевр. И этим я с удовольствием поделился со школьниками на открытии олимпиады по нанотехнологиям, очный тур которой проводился в Москве в апреле месяце. На открытии мне довелось прочитать подготовленную лекцию.
Конечно, публикации от Intel, фото, найденные в Интернете с помощью корпорации добра, красивые картинки и анимация – отличная вещь, позволяющая быстро получить требуемую информацию и знание. Однако когда лично ты разрезаешь чип, изучаешь его, не отрываясь от экрана монитора часами, и видишь, что техпроцесс действительно 90 нм, что кто-то смог создать, просчитать всю эту конструкцию до мельчайших деталей, то в этот момент чувствуешь радость и гордость за человечество, которое создало такой совершенный продукт. Это просто WOW!

P.S. В дальгейшем планируется продолжить начатую тему. Уже в полуготовом виде на сегодняшний день в коробочке аккуратно лежат мёртвая и препарированная флешка, HDD, кусочек CD диска и резистивный дисплей китаефона. Следите за обновлениями на Хабре и Нанометре.