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电子显微技术观察:我的手机里面有什么?LED,Chip,SAW 发布时间:2014-03-06

手机是诺基亚3310型,几乎有10年了,但是许多未来手机也是在这个基础上设计的。


诺基亚3310手机
诺基亚3310手机


首先打开手机后盖,揭露电路板,去掉金属保护层,选择那些可以找到更多感兴趣和有更多细节可检测,可以放大的作为调查对象。我们检测的第一个元件是键盘后面的发光二极管之一,随后着眼于一个微芯片。检测完这些元件后,我们将决定那些元件对对调查最令人感兴趣,我们就选择他们。

发光二极管
去除手机封盖后,检查电路板,我们决定更详细的检查一个元件。我们首先选择了一个发光二极管。这个主要用于,在摁键盘时和在收到电话时照亮键盘。首先从电路板上拆下一个LED,安放在一个新的电路板中以便我们可以更容易的检测。


光学显微镜下的LED


光学显微镜下的LED


光学显微镜下的LED
核查这个LED仍然可以工作,我们把它放在光学显微镜下,给它通过各种电压,看是否点亮,是否和LED表现相同。下面是在不太难过电压下的照片。


光学显微镜下的LED


 这里能看到LED表现符合我们的预期,一旦超过3v电压通过LED,显而易见的发出大量光。
我们于是把LED放在扫描电镜中,检测更多细节,试着鉴定其组成成分。

LED在SEM下
在光学显微镜下检测LED后,我们使用扫描电镜,进一步检测它的细节,鉴定组成元素成分。


LED图片(扫描电镜SEM)


我们将样品旋转90°后,我们看到一条确定线在LED侧面,我们选择这个进一步调查,看看这条线的每一面的材料中是否有区别。我们通过这个线执行了一个线扫描程序,但是在关注点上没有发现任何区别。这个确定一个事实,线的任何一面元素成分没有差别,或者如果有差别,我们可能也探测器不到,因为它只有非常少量的掺杂。


LED图片(透射电镜TEM)

在透射电子显微镜TEM下的LED


测完SEM,我们使用TEM检查。在检测前,需要先制备LED,以适合TEM检测需要。这需要砂纸打磨,研磨直到小于几个微米厚。


小于几个微米厚的LED

小于几个微米厚的LED


一个可以看到样品有多么薄的是在边缘附近,显现干涉图样,由样品上反射的光和样品边界表面上的光干涉引起的。这告诉我们,样品厚度和光的波长相似,或者在那一点是几倍波长的厚度。样品必须达到这么薄,才能适合TEM工作。


在LED上的干涉花样

在LED上的干涉花样


我们将LED放入透射电镜TEM中,使用比先前高很多的放大倍数检测。


LED图片(透射电镜TEM)


从TEM上获得的第一张图像主要显示给我们样品上面的污染物


LED图片(透射电镜TEM)


我们进一步放大,我们看到叠栅条纹在污染物中出现。 


LED图片(透射电镜TEM)


我们可以获得一个电子衍射花样来帮助我们揭示原子晶格空间间距。
 
微芯片

我们检测的手机第二个元件是一个微芯片。手机电路板中有四个,我们选择一个,首先使用光学显微镜获得一些图像,如下图。


微芯片(显微镜) 

微芯片(显微镜)微芯片(显微镜)


这些图像显示,使用光学显微镜进一步放大,微芯片显示越来越多细节

在透射电镜中的芯片
我们使用LED同样的透射电镜样品制备方法,我们放入的样品图像显示如下,光学显微镜拍摄


微芯片(显微镜)

 

我们将检测样品的顶部区域,看这个晶体管。
下面是我们使用TEM观察芯片上的晶体管获得第一张图。这是一张很低的放大倍数,只有4000倍,在我们进一步放大前,显示元件的各部分。你可以看到不同的源和渠,伴随用来控制电流的门。也可以看到不同的层,不同的氧化物层生长在硅片上。


微芯片(透射电镜TEM)


下面哪的图片是10000倍,显示晶体管的发射源,两边带有门。


微芯片(透射电镜TEM)


下面图像5万倍,显示嵌入层顶部的发射源。


微芯片(透射电镜TEM)


下面的图像显示一个门,附近的硅片缺陷。这个来源于制造过程。


微芯片(透射电镜TEM)


下图显示门更大的细节,在多晶硅门和硅基片之间有一个间隙,作为一个平行板电容器,可以用来操纵周围的电场。
在门的顶部覆盖一层金属提高门的导电性。


微芯片(透射电镜TEM)


最后图片,放大50万倍,这里我们可以测量间隙尺度是19.6nm,大约200个原子厚度。通常间隙越小,门的作用越好,但门工作在太高的电压,这比当前的标准落后10年。


表面声波装置(透射电镜TEM)


表面声波装置


我们检测的下一个装置是表面声波装置(SAW)。这个装置用来提取特殊频率的波,渐次减弱其他频率的波,因此只有需要的频率,没有背景波被提取。用在手机上更便宜更小,比其他诸如石英晶体替代物更好。


SAW装置(显微镜)


光学显微镜下的SAW装置


这个装置通过在需要波的频率下上下机械振荡来工作的。在这个频率下,它可以提取波,但其他频率的波得到吸收。下图是使用光学显微镜从一个角度拍摄的图像,显示不同的颜色传感器线,突出电极之间的不同间距,和不同的频率波相符合。


突出不同电极间距的SAM装置


突出不同电极间距的SAM装置


下图显示传感器的末端的缓冲器,没有连接在传感器的剩余部分。这用来在末端渐次减弱阻止其继续。


传感器的末端的缓冲器


下面的图片扫描电镜的图像,突出显示没有连接,我们可以看到在充电末的缓冲器。


充电末的缓冲器


右侧的缓冲器比SAW其余部分更快的而充电 


SAW化学成分
使用扫描电镜中的X射线能谱,检测SAW装置的化学组成。首先看装置周围的金属,然后是中部的基体,结果显示如下。

SAW装置的化学组成(能谱分析EDX)


能谱图显示含有氧,铝,硅,钽。然而硅的主峰也显示包含一个铝的特征峰。由此,我们不能完全确认是否含有硅,但相当肯定其他三种元素存在。我们使用电脑软件生成一个图,在同一x射线分析条件下将材料是什么的图,到底有没有。确认硅是存在的。使用谱峰核查功能。


SAW装置的化学组成(能谱分析EDX)


基体分析显示相似的结果,包含和前面相同的峰  ,但依然对硅是否存在不能下结论,但在基体的其他部分暗示硅也存在。




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