Atti della conferenza "IL SINCROTRONE GETTA UNA NUOVA LUCE SULLE CRITICITA’ DI MATERIALI E COMPONENTI".

1. GRUPPO DI STUDIO TECNOLOGIEMECCANICHE
IL SINCROTRONE GETTA UNA NUOVA LUCE
SULLE CRITICITA’ DI MATERIALI E COMPONENTI
Relatori:
Dott. Marco PELOI, Dott. Diego DREOSSI, Dott.ssa Cristina MODOLO
Giovedì 30 giugno 2011
Ore 18.00
Centro Produttività Veneto - Fondazione Giacomo Rumor
Area Gruppi di Studio

2. Il sincrotrone getta una nuova luce sulle criticità
di materiali e componenti
Cristina Modolo
Marco Peloi
Diego Dreossi
Contact: Industrial Liaison Office - ilo@elettra.trieste.it
Website: ilo.elettra.trieste.it
1 Sincrotrone Trieste SCpA

3. Indice dei Contenuti
! Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ! La Tomografia con luce di sincrotrone:
! La societa’ ! La tecnica
! Il Laboratorio Elettra ! Potenzialità
! Come funziona un Sincrotrone ! Esempi Applicativi:
! Attività di Trasferimento Tecnologico • Tessuti leggeri
• Schiume polimeriche
! Microfabbricazione con luce di • Fratture nei metalli
sincrotrone • Dispositivo Biomedicale
! Microfluidistica, Micromeccanica • Componenti elettronici
• Celle combustibili
! Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone
! Corrosione / erosione
! Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED
! Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti
! Nanotubi
! Infrarosso
2 Sincrotrone Trieste SCpA

4. Sincrotrone Trieste S.C.p.A.
Società Consortile di Interesse Nazionale riconosciuta dalla legge 370/99 dello Stato Italiano, i cui
soci sono Area Science Park, Regione FVG, CNR, Invitalia.
La societa’ gestisce due laboratori per un totale di circa 400 dipendenti:
Elettra FERMI@Elettra
• acceleratore di particelle il terzo laser ad elettroni liberi
• costruito nel 1993 al mondo che consentirà di
• specializzato nell’analisi profonda analizzare processi ultraveloci per
dei materiali svelare il comportamento Operativo dal 2011,
Progetto Bandiera nel
dinamico dei materiali.
PNR 2011-2013
La Missione e’ promuovere la crescita culturale e socio/economica attraverso:
• La ricerca di base ed applicata nei campi di rilievo
• La formazione tecnica e scientifica
• Il trasferimento tecnologico e della conoscenza
3 Sincrotrone Trieste SCpA

5. Cosa offre oggi Sincrotrone Trieste
- Elettra -
10 Laboratori di supporto
Linee di Luce:
Soft X-Ray Optics, Hard X-Ray Optics,
23 operative, 2 in costruzione, 1 linea FEL
Instrumentation and Detectors, Surface
Science, Workshop for Beamline support,
Structural Biology, Interdisciplinary
Lithography, Microscopy Laboratory, Soft X-
Ray Polarimetry, Multilayers
4 Sincrotrone Trieste SCpA

6. Come funziona un Sincrotrone
Elettra è un potente microscopio che utilizza un particolare tipo di radiazione, la
“luce di Sincrotrone” per effettuare misure ed analisi dei materiali.
Linea di luce
Linea di luce • 24 Linee di Luce
Linea di luce • 5000 ore luce/anno
Sincrotrone Booster
anello di
accumulazione
• Piu’ di 1000 Utenti,
provenienti da piu’ di
25 Paesi
Linea di
Stazione Linea di luce
luce
di misura
Linea di luce
5 Sincrotrone Trieste SCpA

7. Come funziona un Sincrotrone
Insertion Devices and Bending magnet
Bending magnet
Insertion devices (straight sections)
Undulator Wiggler
6 Sincrotrone Trieste SCpA

8. Come funziona un Sincrotrone
Caratteristiche della luce
! Possibilità di scegliere la lunghezza d’onda in base al materiale
da esaminare
! Luce intensa, che permette misure estremamente rapide
! Luce fortemente collimata e coerente
Elettra
7 Sincrotrone Trieste SCpA

9. Come funziona un Sincrotrone
La luce come sonda e strumento
8 Sincrotrone Trieste SCpA

10. Come funziona un Sincrotrone
La luce come sonda e strumento
Scala spaziale Scala temporale
attoseconds
9 Sincrotrone Trieste SCpA

11. Attività di Trasferimento tecnologico
! Un ampio spettro di ! Collaborazione in progetti di
competenze: Fisica, Chimica, R&D su innovazione e
Meccanica, Biologia, IT etc.. miglioramento:
! Processi
! Tecnologie “leading edge” ! Prodotti
! Laboratori, beamlines etc…
! Servizi di Analisi chimiche e
! Diversi settori applicativi: strutturali dei materiali
Materiali High tech, Micro e
Nanotecnologie, Chimica e Catalisi,
! Microfabbricazione
Medicina e Diagnostica, etc…
10 Sincrotrone Trieste SCpA

12. Attività di Trasferimento tecnologico
Come lavoriamo
1. Discussione delle esigenze cliente
2. Scouting interno delle competenze
disponibili
3. Elaborazione Studio di Fattibilità
4. Presentazione soluzioni possibili e
proposta commerciale
11 Sincrotrone Trieste SCpA
11

13. Attività di Trasferimento tecnologico
Come lavoriamo
! Il primo test di fattibilità è “free of charge”
! Quotazione con costs analysis
! Le attività sono organizzate con una
struttura a progetto
! Costante condivisione dei risultati e Report
finale
! Confidenzialità
12 Sincrotrone Trieste SCpA

14. Indice dei Contenuti
! Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ! La Tomografia con luce di sincrotrone:
! La societa’ ! La tecnica
! Il Laboratorio Elettra ! Potenzialità
! Come funziona un Sincrotrone ! Esempi Applicativi:
! Attivita’ di Trasferimento Tecnologico • Tessuti leggeri
• Schiume polimeriche
! Microfabbricazione con luce di • Fratture nei metalli
sincrotrone • Dispositivo Biomedicale
! Microfluidistica, Micromeccanica • Componenti elettronici
• Celle combustibili
! Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone
! Corrosione / erosione
! Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED
! Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti
! Nanotubi
! Infrarosso
13 Sincrotrone Trieste SCpA

15. Microfabbricazione con luce di sincrotrone
Litografia Profonda con la tecnica LIGA
14 Sincrotrone Trieste SCpA

16. Microfabbricazione con luce di sincrotrone
Microfluidica
Fabbricazione di Micro
ElectroMechanical Systems
(MEMS)
per “nanotrapping” e
manipolazione di macromolecole
15 Sincrotrone Trieste SCpA

17. Microfabbricazione con luce di sincrotrone
Micromeccanica
Campi di applicazione:
- Tecnologia per sensori e attuatori
- Tecnologia spaziale e automotive
- Chirurgia non invasiva
- Rilascio di medicinali
16 Sincrotrone Trieste SCpA

18. Indice dei Contenuti
! Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ! La Tomografia con luce di sincrotrone:
! La societa’ ! La tecnica
! Il Laboratorio Elettra ! Potenzialità
! Come funziona un Sincrotrone ! Esempi Applicativi:
! Attivita’ di Trasferimento Tecnologico • Tessuti leggeri
• Schiume polimeriche
! Microfabbricazione con luce di • Fratture nei metalli
sincrotrone • Dispositivo Biomedicale
! Microfluidistica, Micromeccanica • Componenti elettronici
• Celle combustibili
! Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone
! Corrosione / erosione
! Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED
! Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti
! Nanotubi
! Infrarosso
17 Sincrotrone Trieste SCpA

19. Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone
Corrosione / erosione
Particolato sospeso in impianto di raffreddamento d’acqua
18 Sincrotrone Trieste SCpA

20. Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone
Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED
Al In
Pixel neri negli OLED
64 µm
Al2p
Aumento la tensione per arrivare alla rottura
In Al
19 Sincrotrone Trieste SCpA

21. Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone
Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti
Presenza di metalli nelle foglie del the
'+,(-.+#/(#0.1#2-%"(1# *#
)# *#
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20 Sincrotrone Trieste SCpA

22. Tecniche di analisi chimica con
luce di sincrotrone: Nanotubi
CNTs grown on substrates:
SiC
Nanoparticles Fe/Al2O3
Nanoparticles Fe/SiO2
ITO/glass
21 Sincrotrone Trieste SCpA

23. Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone
Beamline SISSI – Infrarosso - Analisi di filati
Collaborazione tra Sincrotrone Trieste e Carvico SPA.
L'obiettivo dell'attività di ricerca condotta nel corso
del primo anno di attività era quello di ottimizzare il
processo di produzione ed in particolare garantire
una qualità ancora più elevata del prodotto al cliente
finale.
Utilizzo di tecniche di analisi spettroscopica nel vicino
e medio infrarosso sui filati per comprenderne le
proprietà e valutare la reazioni a determinate
lavorazioni.
! Grazie ai risultati ottenuti è stato possibile selezionare dei parametri di
lavaggio solvente più efficienti che permetteranno all'azienda di ottenere
un maggior risparmio energetico.
22 Sincrotrone Trieste SCpA

24. Indice dei Contenuti
! Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ! La Tomografia con luce di sincrotrone:
! La societa’ ! La tecnica
! Il Laboratorio Elettra ! Potenzialità
! Come funziona un Sincrotrone ! Esempi Applicativi:
! Attivita’ di Trasferimento Tecnologico • Tessuti leggeri
• Schiume polimeriche
! Microfabbricazione con luce di • Fratture nei metalli
sincrotrone • Dispositivo Biomedicale
! Microfluidistica, Micromeccanica • Componenti elettronici
• Celle combustibili
! Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone
! Corrosione / erosione
! Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED
! Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti
! Nanotubi
! Infrarosso
23 Sincrotrone Trieste SCpA

25. La Tomografia con luce di sincrotrone
Visualizzazioni ad alta risoluzione spaziale ed in contrasto
sia planari sia volumetriche
" R&D – Struttura dei materiali, Sviluppo di nuovi materiali
" Ispezioni/Esempio - Inclusioni, Cracks, Porositá, Controlli di qualitá,
Ottimizzazione di processo
" Reverse Engineering - Rapid Prototyping, Surface Rendering, CAD,
Drawing and Design
" Metrologia
" 3D Modeling
24 Sincrotrone Trieste SCpA

26. La tecnica: Imaging con raggi X
!
Raggi X convenzionali !
Raggi X Elettra Contrasto di fase ad Elettra!
25 Sincrotrone Trieste SCpA

27. La tecnica
26 Sincrotrone Trieste SCpA

28. La tecnica
Acquisizione proiezioni
Ricostruzione assiale (slices)
27 Sincrotrone Trieste SCpA

29. La tecnica: Parametri fondamentali
Dimensioni
Oggetto
Composizione
" Risoluzione Spaziale
" Risoluzione in contrasto
" Campo di vista
" Tempo di acquisizione
28 Sincrotrone Trieste SCpA

30. La tecnica: Layout degli strumenti
Sorgente Rivelatore
Energia Convertitore: efficienza, risoluzione spaziale
Corrente Pixel: risoluzione spaziale, SNR, FOV
Macchia focale Range dinamico, DAQ time
Stabilitá
Magnificazione
Flusso x-ray
Penumbra
FOV
PhC
29 Sincrotrone Trieste SCpA

31. Esempio:
Ispezioni Confronto ottico / raggi X
Il microscopio ottico ha un campo di vista limitato e non permette di vedere
dentro il tessuto
Microscopio ottico Microscopio raggi X Microscopio ottico
A riflessione Elettra A trasmissione
Area ~ 2.4 x 1.8 mm2
30 Sincrotrone Trieste SCpA

32. Esempi:
Ispezioni vele hi-tech
Basalto
Carbonio
3 mm
Mylar Bolle d’aria
Radiografia in contrasto di fase di vela in sandwich di Mylar con
inserti in fibra di carbonio e basalto
31 Sincrotrone Trieste SCpA

33. Esempio:
Difetti da usura nei tessuti
Caratterizzazione di tessuti poco assorbenti o composti da elementi leggeri
come H e C, che risultano trasparenti microscopia convenzionale
~1.2 x 1.2 mm2
32 Sincrotrone Trieste SCpA

34. Esempio:
Struttura interna schiume polimeriche
Poliuretano
1 mm
Slices!
Ricostruzione3D del campione
!
(15.4 x 13.4 x 5.1) mm3!
Pixel size 14 micron
33 Sincrotrone Trieste SCpA

35. Esempio
Schiuma polimerica – Compressione
Direzione di
compressione
0% 11.5%
Piano dell’Immagine
23% 35.5%
34 Sincrotrone Trieste SCpA

36. Esempio:
Schiuma polimerica – Compressione
0% 11.5%
Rendering di alcune slices
Direzione di
compressione
Piano dell’Immagine
23% 35.5%
35 Sincrotrone Trieste SCpA

37. Esempio:
Schiume rinforzate con metalli
Fino a +340% nel modulo elastico
Sorrentino, Journal of Applied Science, 2011
36 Sincrotrone Trieste SCpA

38. Ispezioni/Esempio
Fratture nei metalli
Ricostruzione di cricche di fatica
multiassiale in provini di Alluminio
37 Sincrotrone Trieste SCpA Cosmi Bernasconi

39. Ispezioni/Esempio
Fratture nei metalli
38 Sincrotrone Trieste SCpA Cosmi Bernasconi

40. Esempio
Controlli di qualitá
Attacco metallico per un dispositivo biomedicale
44 Sincrotrone Trieste SCpA

41. Esempio
Controlli di qualitá
3--/#4-56-.+.7# 81/#4-56-.+.7#
40 Sincrotrone Trieste SCpA

42. Celle Combustibile
Membrane Electrode Assembly
1 mm
Visualizzazione di liquido
all’interno delle serpentine
41 Sincrotrone Trieste SCpA

43. Criticità di processi e
prodotti
Problematiche tipiche del settore
elettronico e meccatronico
Vicenza 30 Giugno 2011
Ing. A. Cecchetto (GAU – Gruppo automazione e conversione dell’energia)

44. Contesto operativo
L’analisi dei modi e della cause di guasto potrebbe essere fatta dal fornitore del
prodotto e/o processo sotto esame.
Ma, in più di qualche caso si richiede:
richiede
•Approccio di ente terzo al problema sotto analisi
•Rapidità nell’avere i risultati
•Certificazione delle prove e dei risultati (anche autorevolezza, immagine, …)
Per le PMI non si tratta sempre di semplici attività da gestire.
Valutazioni:
Valutazioni
•Costo/beneficio delle attività di analisi (Analisi economica, valutazione rischio, …)
•Studiare se ci sono problematiche comuni a gruppi di imprese (Es. validazioni prodotti e
processi)

45. Processo di saldatura
Verifica Rx uniformità ed Verifica migrazione ionica su
integrità saldature leghe (PCB NiAu, finitura
componente Sn, lega SAC)

46. Processo di saldatura
Verifica presenza Rx non evidenzia la mancata
contaminanti ambientali e saldatura, ma di fatto manca
contaminazione da materiali continuità Ohmmica. Una
di processo (es. flussanti) sezione meccanica altera
condizioni.

47. Guasti alla componentistica
Comportamento inner layers
Rx evidenzia penetrazione contaminanti a livello di
PCB sotto schock termici (288°C
die del chip sotto esame. Occorre analisi tipologia
per 10 s). Normalmente analisi
ed analisi struttura protettiva case.
in condizioni “statiche”.

48. Guasti alla componentistica
Rx dice componente. Si notano Sezione della zona di breakdown nel
soldering voids dovuti ad punto di rottura. Stesso componente
extratemperature conseguenza dell’immagine a sinistra.
del guasto

49. Meccatronica
Nell’integrazione delle applicazioni non si possono più scindere a livello di prodotto
problematiche meccaniche da elettroniche.
Alcuni esempi:
•Interazioni trattamenti superficiali metalli con parti elettroniche.
•Composizione carpenterie plastiche con funzioni schermanti.
•Affidabilità meccanica ed elettronica devono avere lo stesso ordine di grandezza.
Se poi si inizia a lavorare nel mondo delle nanotecnologie, gli strumenti
convenzionali di analisi non sempre sono idonei allo scopo.
Tribologia Nanotribologia.