Chemieunterricht: Wie man den Kristall eines Mikrochips für die Fotografie freilegt

Einführung

Wenn Sie sich schon einmal mit dem Fotografieren von Mikrochips beschäftigt haben, bietet Ihnen dieser Artikel wahrscheinlich nicht viel. Aber wenn Sie sich darauf einlassen möchten, aber nicht wissen, wo Sie anfangen sollen, dann ist es genau das Richtige für Sie.

Bevor wir anfangen, eine faire Warnung: Während das Verfahren ziemlich unterhaltsam ist, wird es zunächst wahrscheinlich körperlich schmerzhaft sein. Die während des Prozesses verwendeten Chemikalien sind giftig. Gehen Sie daher vorsichtig damit um. Auf diese Weise tut es immer noch weh, aber weniger. Wenn Sie auch nur ein wenig gesunden Menschenverstand haben, führen Sie das Verfahren in einem voll ausgestatteten chemischen Labor unter Aufsicht geschulter Fachkräfte durch: Wir mussten uns unmittelbar nach dem Lesen des Leitfadens mit Personen befassen, die dies zu Hause versucht haben. Und schließlich: Wenn Sie nicht wissen, ob Sie ohne Google-Suche Säure in Wasser oder Wasser in Säure gießen müssen und nicht wissen, was dieser Mangel an Wissen mit sich bringt, hören Sie sofort auf, dies zu lesen, und besuchen Sie einen Chemiekurs 101 in ein lokales College oder so.

Ausrüstung

Sie benötigen mindestens eine hochkonzentrierte Salpetersäure (HNO3) und Schwefelsäure (H2SO4). Wie legal sie zu kaufen sind, ist von Land zu Land unterschiedlich. Wenn Sie in einem Land leben, in dem die Regierung dem Schutz der Umwelt besondere Aufmerksamkeit schenkt, benötigen Sie verschiedene Komponenten (ich höre, dass die Deutschen Kolophonium verwenden, um gute Ergebnisse zu erzielen). Abgesehen von diesen beiden Kernsäuren benötigen Sie Isopropylalkohol und Aceton als Lösungsmittel. Sie benötigen auch etwas, in dem Sie die Chemikalien aufbewahren können. Da das Verfahren recht einfach ist, benötigen Sie nur ein paar Reagenzgläser, eine Brille und ein Stativ mit einem Ring, um das Röhrchen zu halten.

• Denken Sie beim Kauf eines gebrauchten Stativs daran, dass der Metallring das Glas der Röhre nicht berühren darf. Bei einigen gebrauchten Geräten fehlt möglicherweise die Gummischicht (oder Stoffschicht), die den Schlauch vor Kratzern schützt
• Säuren, mit denen Sie arbeiten werden, können mit Metall zerstörerische Reaktionen hervorrufen. Besorgen Sie sich daher eine säurebeständige Pinzette. Nach unserer Erfahrung neigen Pinzetten dazu, verloren zu gehen oder sich zu verbiegen. Kaufen Sie also ein Dutzend davon, um dieses Problem für immer zu lösen.
• Da saures Gas - insbesondere aus Salpetersäure - extrem giftig ist, benötigen Sie eine Abzugshaube, die das aus dem Rohr austretende Gas herauszieht, wenn Sie es aus der Anlage erwärmen.
• Verwenden Sie als praktischen Indikator dafür, wie hoch die Konzentration des sauren Gases war, Thermopapier, aus dem üblicherweise Flugzeug- oder Bahntickets hergestellt werden. Bei Kontakt mit saurem Gas wird Thermopapier entweder schwarz oder rot. Ein Flugticket, das etwas über der Röhre hängt, zeigt an, ob das saure Gas etwas zu schnell produziert wird.
• Um die Oberfläche des Mikrochips mit einem Lösungsmittel zu reinigen, können Sie realistischerweise nur eine Zahnbürste verwenden, ich empfehle jedoch Ultraschallbehälter. Sie könnten sie ziemlich billig von einem örtlichen Juwelier bekommen. Stellen Sie jedoch sicher, dass Ihr Lösungsmittel nicht auch die Kunststoffteile dieser Behälter auflöst.

• Und schließlich benötigen Sie eine einstellbare Wärmequelle. Sie haben wahrscheinlich bereits einen Bunsenbrenner bereit, aber er ist völlig ungeeignet für das, was wir tun werden. Verwenden Sie stattdessen eine billige Lötstation für SMDs: oberflächenmontierte Leiterplatten. Ein Aoyue 850A ist ein schönes Beispiel. Indem Sie den Luftstromregler der Heißluftpistole auf das Maximum einstellen und die Temperatur langsam erhöhen, können Sie das Rohr auf die erforderliche Temperatur erwärmen und dort halten.

Chemisches Verfahren

Ihr Mikrochip sollte der kleinste auf dem Markt verfügbare sein. Zum Beispiel gibt es bei Texas Instruments MSP430F2012 zwei Formfaktoren: PDIP (Plastic Dual Inline Package, Kunststoffgehäuse mit zwei Stiftreihen) und QFN (Quad Flat No-Leads, ein quadratisches Gehäuse ohne Stifte). Obwohl das von uns beschriebene Verfahren für beide Formfaktoren gilt, ist QFN vorzuziehen, da es viel kleiner ist und weniger Kunststoff enthält (der ohnehin aufgelöst werden müsste), was bedeutet, dass wir weniger Salpetersäure benötigen, um dorthin zu gelangen der Kristall.

• Verbinden Sie zunächst den Ring, der das Reagenzglas mit dem Stativ hält, und richten Sie die Heißluftpistole leicht unter den Boden des Röhrchens - aber feuern Sie sie noch nicht ab.
• Legen Sie den Chip in ein Röhrchen mit genügend Salpetersäure, um den Chip vollständig einzutauchen. Sie können auch einen Tropfen Schwefelsäure hinzufügen, wenn Sie möchten (aber nicht zu viel, sonst löst sich nicht nur der Kunststoff, sondern auch die eigentliche Schaltung auf). Sie werden schnell lernen, dies in kurzer Zeit zu tun, während das Glas noch kalt ist (zum Zweck der Selbsterhaltung, da Sie sehr schnell und schmerzhaft feststellen, dass kaltes Glas genau wie heißes Glas aussieht).
• Setzen Sie den Schlauch in das Stativ ein. Das Röhrchen sollte leicht geneigt sein und den unteren Teil zu Ihnen hin zeigen, damit gelegentlich kochende Säure aus Ihrem Gesicht austritt.
• Sie haben jetzt einen säurebedeckten Chip. Konfigurieren Sie nun die Lötstation so, dass der aus der Heißluftpistole austretende Luftstrom schnell, aber nicht erwärmt ist. Erhöhen Sie die Temperatur langsam und achten Sie dabei auf das saure Gas, das aus dem Rohr austritt. Die Idee ist, die Temperatur zu finden, bei der die Säure stark kocht, aber die Gase nicht aus dem Rohr austreten.
• Ein auf die Röhre gerichteter Laserpointer zeigt Ihnen die genaue Höhe des Gasstroms an, da saure Gase im Gegensatz zu sauberer Luft von einem Laserstrahl beleuchtet werden.
• Wenn Sie das Rohr überhitzen, strömen die sauren Gase nach draußen und füllen entweder die Abzugshaube oder das Labor. Im letzteren Fall beginnen alle Metalle im Labor zu verrotten, Ihre Lungen beginnen zu brennen und Feueralarme werden ausgelöst. Tu das nicht.
• Während der Chip in der Salpetersäure kocht, ändert sein Gehäuse allmählich seine Farbe. Es sollte so lange fortgesetzt werden, bis entweder die Säure beginnt, den Kristall selbst aufzulösen, oder seine Auflösungsfähigkeit erschöpft ist.
• Sie können feststellen, dass die Säure selbst auch ihre Farbe ändert. HNO3 wird nach dem Auflösen von Blei entweder grün oder blau - und es signalisiert, dass seine Fähigkeit, Kunststoff aufzulösen, nachgelassen hat. Nachdem die Säure „gesprudelt“ ist, lassen Sie das Röhrchen abkühlen und gießen Sie den Inhalt in ein leeres Gefäß.
• Zu diesem Zeitpunkt ist die Säure nicht stark genug, um das Gehäuse des Chips aufzulösen - aber immer noch stark genug, um Ihre Haut aufzulösen. HNO3-Verbrennungen tun anfangs nicht so weh, sodass Sie sie möglicherweise erst bemerken, wenn Sie einen gelben Fleck auf Ihrer Haut bemerken, der sich in etwa einer Woche auflöst. Manchmal spürt man es eher wie einen Juckreiz und nicht wie einen Brand, aber dennoch: Wenn ein Fleck auf der Hand zu jucken beginnt, laufen Sie sofort zum Wasserhahn. H2SO4 ist mittlerweile viel aggressiver. Wenn es mit der Haut in Kontakt kommt, beginnt es akut zu schmerzen und wird mit rotem Ausschlag bedeckt.

• Nun, da Sie wissen, dass Sie keine Finger in ein mit Säure gefülltes Röhrchen stecken sollten, entfernen Sie mit der Pinzette den Kristall des Chips aus dem Röhrchen und lassen Sie ihn in ein anderes Gefäß fallen - mit Aceton. Dann stellen Sie dieses Glas für ein paar Minuten in einen Ultraschallbehälter.
• Zu diesem Zeitpunkt ist der Kristall bis auf etwas Schmutz fast vollständig freigelegt. Wenn der Chip, an dem Sie arbeiten, groß ist, reicht eine Salpetersäuresitzung möglicherweise nicht aus, und der Kristall bleibt bedeckt. Wenn dies der Fall ist, wiederholen Sie den Vorgang, bis nur noch Schmutz auf dem Kristall vorhanden ist. Dann sollte der Kristall vor dem Aufnehmen des Fotos ein H2SO4-Bad nehmen, um die letzten verbleibenden Schmutzpartikel zu entfernen.
• Diese beiden Säuren unterscheiden sich erheblich in ihrem Verhalten. Sie können feststellen, dass sich der Chip beim Eintauchen in H2SO4 ganz anders verhält als in HNO3. H2SO4 hat eine höhere Siedetemperatur als HNO3, löste Kunststoff jedoch auch unterhalb seines Siedepunktes ziemlich gut auf. Sie können auch feststellen, dass H2SO4 das Gehäuse nicht färbt, sondern auflöst und gleichzeitig schwarz wird, was es schwieriger macht, den Kristall zu sehen, und somit erkennt, ob Sie ihn entfernen sollten oder nicht.
• Lassen Sie den Kristall nach einem H2SO4-Bad noch einige Minuten im Ultraschallbehälter. Jetzt ist es bereit für eine Fotosession.

Fotoausrüstung

Jetzt, wo Sie einen freiliegenden Kristall haben, ist es Zeit, ein Bild aufzunehmen. Dafür benötigen Sie ein metallografisches Mikroskop, das reflektierendes Licht ausstrahlt und nicht durchgelassen wird.

• Um ein Bild von einem Mikrochip-Kristall aufzunehmen, kaufen Sie entweder eine spezielle Mikroskopkamera oder verwenden Sie eine professionelle Digitalkamera. Beide Optionen haben ihre Vorteile, aber „Mikroskopkameras“ erweisen sich oft als die billigsten der billigen Webcams mit fehlerhafter Software, die nur für Windows funktioniert. Daher empfehle ich die Verwendung einer normalen Digitalkamera.
• Unabhängig davon, für welche Kamera Sie sich entscheiden, können Sie nicht den gesamten Chip in einem Bild erfassen. Sie müssten mehrere Aufnahmen machen und sie dann zusammennähen. Der einfachste Weg, dies zu tun, ist die Verwendung von Software zum Erstellen von Panoramaaufnahmen.
• Für das beste Ergebnis sollten sich Bildfragmente mit benachbarten Aufnahmen um etwa ein Drittel überlappen.
• Nachdem Sie den gesamten Chip aufgenommen haben, übertragen Sie die Bilder auf einen Computer mit ausreichend RAM und laden Sie sie auf Hugin hoch - ein Dienstprogramm zum Erstellen von Panoramabildern. Neben anderen nützlichen Funktionen wird auch eine Fehlerkorrektur durchgeführt, sofern nicht zu viele Fehler vorliegen. Hugin tut alles, um einen reibungslosen Schuss zu erzielen. Am Ende wird entweder ein perfekter Schuss oder ein Durcheinander ausgegeben. Wenn das Problem aufgrund eines kleinen Fehlers auftritt, können Sie es in der Anwendung beheben. Wenn die Fehler jedoch groß genug sind, z. B. unzureichende Überlappung oder ein schlechter Fokus, müssen Sie eine weitere Fotositzung durchführen. Das folgende Bild zeigt das vollständige Foto des Kristalls vom Clipper-Chip, der mit Hugin erstellt wurde.