利用同步辐射显微断层成像技术研究多尺度三维微电子封装

摘要

本研究采用同步辐射显微断层扫描技术——一种非破坏性的三维成像方法，对横截面积为16 × 16 mm的完整微电子封装件进行整体检测。由于同步辐射具有高通量和高亮度，样品仅用3分钟即完成成像。 空间分辨率为8.7 µm。

摘要

同步辐射显微断层成像（SRµT）是一种非破坏性的三维（3D）成像技术，具有高通量优势，可实现快速数据采集和高空间分辨率。在电子工业中，人们对开展三维微电子封装的失效分析具有浓厚兴趣，其中许多封装包含多层高密度互连结构。在断层成像中，图像分辨率与可成像样品体积之间通常存在权衡关系。这种反比关系限制了传统计算机断层扫描（CT）系统的实用性，因为微电子封装的横截面积通常较大，为100–3,600 mm²²，但在微米尺度上具有重要特征。位于美国加利福尼亚州伯克利的先进光源（Advanced Light Source, ALS）的微米计算机断层扫描光束线配备了一套可调节的装置，可根据样品的特性进行优化配置， 即， 密度，厚度 等等。，最大允许截面为 36 x 36 mm。该装置可选择在约 7–43 keV 能量范围内以单色光模式运行，也可选择在白光模式下使用多色光束以实现最大通量。本文展示了对封装内整个 16 x 16 mm 系统进行成像的实验步骤，以在不到 3 分钟的扫描时间内获得空间分辨率为 8.7 µm 的三维图像。同时展示了以不同取向扫描的封装样品以及切片封装样品的高分辨率成像结果。相比之下，传统 CT 系统可能需要数小时采集数据，且分辨率可能更低。事实上，使用同步辐射断层成像装置时，视场与通量时间的比值显著更高。下述实验装置的描述可被实施并调整，适用于多种其他多材料体系。

引言

在微电子领域，如同许多其他领域一样，在表征样品时，微米尺度的无损检测是必要的。特别是对于微电子行业，人们关注对包含多层级和多种材料的三维微电子封装进行探测，并在组件经受热、电和机械应力时识别封装中的失效。全球各地的同步辐射设施均设有用于微电子封装失效分析的断层扫描和衍射光束线。此类研究的一些实例包括：成像由电迁移引起的空洞形成^1-3，评估锡晶须生长的机制^4,5，对锡及金属间化合物（IMCs）的过冷现象和各向异性热膨胀进行原位观察^6,7，对凝固过程及金属间化合物形成进行原位观察^8-10，锡及无铅焊料的各向异性力学行为与再结晶研究¹⁰，倒装芯片凸点中的空洞，以及对银纳米墨水烧结过程的原位观察¹¹。所有这些研究均进一步推动了微电子行业元器件的理解与发展。然而，这些研究大多集中于封装内的小区域。若采用高分辨率同步辐射显微断层扫描（SRµT）对完整尺寸的封装进行测试与表征，将可获取更多信息，从而进一步促进其发展。

当前生产的电子封装包含多层互连结构。这些封装和器件正变得越来越复杂，因而需要一种三维解决方案，以实现非破坏性检测，用于失效分析、质量控制、可靠性风险评估以及研发。某些缺陷需要能够检测小于5 µm尺寸特征的技术，包括铜基板通孔内部形成的空洞和裂纹，多层封装中识别未接触的开路焊盘和未润湿焊盘¹²，以及定位并量化焊球阵列（BGAs）和C4焊点中的空洞。在基板组装过程中，必须广泛识别并监控此类缺陷，以避免发生意外失效。

目前，采用实验室光源（也称为台式）的CT系统能够实现高达约1 µm的空间分辨率，并已成功用于多层封装中失效位置的定位，取得了令人满意的结果。然而，与同步辐射显微断层扫描（SRµT）系统相比，台式CT系统存在一些局限性^13,14。由于台式系统通常仅配备一种或两种X射线源能谱，因此其成像能力仅限于特定密度范围的材料。此外，传统台式CT系统的通量时间（TPT）仍然较长，对每个1-2 mm²的感兴趣区域，通常需要数小时的数据采集时间，这限制了其应用价值；例如，在分析硅通孔（TSV）、球栅阵列（BGA）或C4焊点的失效时，通常需要在样品内部以高分辨率采集多个视野（FoV）或感兴趣区域，导致总TPT达到8至12小时，这对于需要分析多个样品的传统台式CT系统而言是不可接受的。同步辐射光源提供的通量和亮度远高于传统X射线源，因此在相同感兴趣区域内可实现更快的数据采集速度。尽管SRµT在可成像材料类型和样品体积方面具有更高的灵活性，但其也存在特定于所用同步辐射源和装置的限制，主要包括样品最大可接受厚度和尺寸。在先进光源（ALS）的SRµT装置中，可成像的最大横截面积为<36 × 36 mm，而样品厚度则受限于可用的能量范围和通量，且与材料性质相关。

本研究旨在展示如何利用同步辐射显微断层成像技术（SRµT）对完整的多层系统级封装（SIP）进行高分辨率、低时间周期（TPT，3-20 分钟）成像，以用于检测三维半导体封装。有关台式CT与同步辐射源CT对比的更多细节可参见参考文献^13,14。

实验概述 & 光束线 8.3.2 描述：
全球有多个可用于断层扫描实验的同步辐射设施；大多数设施要求提交实验提案，由实验人员描述实验内容及其科学意义。本文所述实验均在美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）先进光源（ALS）的8.3.2光束线上完成。该光束线提供两种能量模式选择：1）单色光，能量范围约为7–43 keV；2）多色光 "白色" 光用于扫描高密度材料时，可利用整个可用的能量光谱。在8.3.2光束线的典型扫描过程中，样品被安装在旋转台上，X射线穿透样品后，衰减的X射线通过闪烁体转化为可见光，再经透镜放大，最终投射到CCD上进行记录。该过程在样品从0旋转至180度的同时进行。° 生成一系列图像，经重建后可获得具有微米级分辨率的样品三维视图。所得的断层扫描数据集大小根据扫描参数的不同，范围约为3-20 GB。 图1 显示样品扫描所用笼式装置的示意图。

本文所述的以下实验方案介绍了成像整个微电子封装样品所需的实验设置、数据采集和处理步骤，但这些步骤可根据不同样品进行调整。具体调整取决于样品的尺寸、密度、几何形状以及感兴趣的特征。表1和表2列出了在加利福尼亚州伯克利市劳伦斯伯克利国家实验室先进光源8.3.2线站（ALS, LBNL, Berkeley, CA）可实现的分辨率与样品尺寸组合。针对本研究中的微电子封装样品，采用多色（"白光"）X射线束进行成像，该光束的选择是基于样品组件的厚度和高密度特性。样品被水平固定在卡盘上，此取向可使整个样品位于光束高度范围内。光束高度方向约为4 mm，宽度方向约为40 mm，因此仅需一次扫描即可完整采集整个样品的图像。

方案

注意：以下所述的实验方案细节是专门为位于美国加利福尼亚州伯克利市的先进光源（ALS）8.3.2 光束线工作而编写的。在其他遍布全球的同步辐射设施上开展工作时，可能需要进行相应调整。在这些设施上运行实验必须完成适当的安全和辐射防护培训，相关培训指南可在各个同步辐射设施的官方网站上找到。有关断层扫描实验方案（ALS，劳伦斯伯克利国家实验室，加利福尼亚州伯克利）的任何变更或更新，请参见光束线操作手册¹⁵。断层扫描过程的详细信息可参见参考文献¹⁶。光束线科学家可随时解答任何问题，并协助完成实验设置。

1. 在8.3.2线站（ALS，LBNL）进行断层扫描的步骤

1. 通过将样品安装在专为适配光束线旋转台设计的样品架上来准备扫描样品。对于没有定制夹具的样品，使用黏土或蜡将样品固定在立柱或钻夹头上。
   注意：本研究中扫描的样品是一个16 × 16 mm、高度仅约3 mm的微电子封装。为了使整个封装位于视场范围内，使用光束线提供的黏土将样品水平安装。
   1. 对样品进行对准，以确保其在旋转180度时始终处于视场范围内。在将样品装入屏蔽舱内的旋转台之前，可先使用一个离线的模拟旋转台对样品进行对准。通常通过目视检查旋转中心即可满足对准要求。
   2. 将附有样品的样品架安装到屏蔽舱内。样品装入屏蔽舱后，两个正交的对中马达可调节样品相对于旋转中心的位置。
      注意：有时需要在实验前预先进行样品制备，以确保样品尺寸符合目标分辨率的要求。例如，部分16 × 16 mm的微电子封装被切割成更小的片段以进行更高分辨率的扫描。样品尺寸可参考表1和表2确定。
2. 根据样品尺寸和感兴趣特征的大小选择扫描放大倍数。8.3.2光束线提供多种可选透镜，成像像素尺寸范围为0.35–9 µm。根据放大倍数的不同，样品必须具有合适的横截面积，因为视场随放大倍数的增加而减小。
   1. 由于此处扫描的样品最长方向为22.6 mm，根据表1和表2所示，选择PCO.4,000相机搭配1X透镜，该组合可提供最大的样品视场。所得像素尺寸为8.7 µm。
3. 使用光束线控制计算机设置X射线能量，或切换至多色光束模式。8.3.2光束线的X射线能量范围连续覆盖4–80 keV，但所安装的多层单色仪将可用能量范围限制在约7–43 keV，且最大通量出现在约12 keV。为获得最佳图像质量，应根据目标透射率约30%来选择能量，该值可在数据采集计算机上测量。通常情况下，透射率随能量升高而增加。
   1. 对于微电子封装，由于其厚度和材料特性，"选择白光"模式。
      注意：8.3.2光束线操作手册中详细列出了在"白光"与单色模式之间切换的具体步骤。
   2. 使用"白光"模式时，需在X射线光路中串联2–4片金属铝和铜滤片，以滤除低能X射线。对于本样品，使用总厚度约为1.2 mm的两片铜片。
   3. 可通过以下网站预先计算样品的透射率：
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html 或 http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ 或 http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb.php。例如，输入样品的化学式和估计厚度后，系统将输出一张显示透射率随能量变化的曲线图。
4. 验证旋转台的旋转中心是否与相机中心对齐。通过光束线控制计算机上的软件将样品旋转180度，并在计算机上观察放射图像，目视检查样品位置的变化，以确认样品是否对齐。对对准的调整也通过同一台计算机进行。若样品对准偏差过大，导致样品部分区域在旋转过程中移出视场，图像质量将显著下降。
5. 手动设置扫描时的样品到探测器距离。相机安装在可水平移动的平移台上，用于调节样品与探测器之间的距离。当该距离增加时，相位衬度的贡献也随之增强。相位效应有助于更清晰地成像微小裂纹和边缘，但也会产生其他通常不希望出现的"晕环效应"伪影。
6. 验证光束线的对准状态。检查图像的聚焦情况，并在必要时调节聚焦马达。通过将样品移动已知距离并测量其在图像中移动的像素数，计算µm/像素，以确认像素尺寸校准的准确性。体素尺寸将根据实验设置的不同而变化。
   1. 检查图像水平移动时，图像特征是否沿固定像素行水平移动；若否，则调节相机倾斜马达，使其满足该条件。此步骤用于对齐旋转轴，使其与像素列平行，这是后续重建算法所假设的对准状态。
7. 为每张放射图像选择曝光时间。曝光时间范围为1–1,500毫秒，具体选择取决于扫描能量和分辨率（后者决定了每个分辨率单元的观测通量）。所选时间应在最短扫描时间与更高计数（从而获得最佳信噪比）之间取得平衡。
   1. 对于微电子封装，每次曝光的样品扫描时间设为100毫秒。
      注意：确保无饱和像素，或至少低于推荐的目标值100。控制系统将相机计数显示在转换后的量程上，每台相机的最大计数为65,535。
8. 使用数据采集计算机设置扫描参数。
   1. 输入所需的角范围以及在该范围内采集的图像数量。选择的角度越多，扫描时间越长，数据集也越大。常见的角度数量为在0–180度范围内采集513、1,025或2,049个角度。本研究在数据采集过程中采用180度范围内的1,025个角度。
   2. 选择扫描模式。扫描模式有两种选项：1）常规模式和2）连续断层扫描模式。推荐使用连续模式，因其可实现最短扫描时间（约3分钟）。在此模式下，旋转台在采集图像时持续转动；而在常规模式下，旋转台在每个角度停止后再采集图像。
   3. 设定明场和暗场图像的数量。明场和暗场图像是进行重建所必需的。暗场图像采集时快门关闭，明场（或背景）图像采集时样品移出视场。需确认样品已平移足够距离，确保其不在明场图像中出现，以避免重建图像中出现严重伪影。此处采集15张暗场图像和15张明场图像。
   4. 判断是否需要拼接。若样品高度超过视场范围，则可启用拼接功能，系统将扫描样品并垂直平移，直至完整覆盖整个样品。
9. 在数据采集计算机上执行扫描运行。扫描将根据输入的设置自动进行。

2. 断层扫描数据处理步骤

1. 将数据传输至光束线配备的分析计算机，按照光束线标准流程对数据集进行重建和滤波处理。数据重建可独立于数据采集过程运行。
   注意：数据会自动传输至高性能计算机 NERSC，在该平台上进行处理和重建。用户可注册 NERSC 账户，通过 SPOT Suite 网络门户（spot.nersc.gov）访问自己的数据。该门户目前仍处于开发阶段，因此许多用户更倾向于自行控制重建参数，在这种情况下，请遵循后续步骤。
2. 按照以下步骤重建原始图像：1）归一化图像，2）创建正弦图堆栈，3）应用环状伪影去除/滤波，4）执行平行束重建。重建基于滤波反投影算法。重建过程生成包含样本体积中每个像素位置和强度信息的TIFF图像。整个流程的示意图如下所示 图2.
   1. 要访问该插件，请启动FIJI（Fiji Is Just ImageJ的缩写），然后选择菜单 Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming，如下图所示。ALS设施的用户可使用专为ImageJ/Fiji开发的自定义插件完成整个重建过程，该插件集成了多个软件包，旨在简化重建流程。
      注意：Fiji 及该插件可在多台 Beamline 8.3.2 分析计算机上使用。
   2. 打开 FIJI 对话框后（如下图所示），选择用于重建的原始文件。此时，原始图像、亮场图像和暗场图像的图像栈应已加载。
   3. 通过点击“检测旋转中心”来确定旋转中心，然后选择“预览重建”以查看重建后的图像。旋转中心的数值也可手动输入并进行预览。
   4. 通过该界面，可调整环状伪影去除参数、图像类型（8、16 或 32 位）、像素范围、图像旋转角度，并定义裁剪区域。每次设置新的参数后，均可通过“预览重建”按钮查看重建效果。
   5. 参数选定后，选择“run”以重建整个图像堆栈。所有后续数据文件将保存在指定的“Output directory”中，默认路径为原始数据文件夹内的一个输出文件。
3. 通过访问网站 http://spot.nersc.gov/，可从任意计算机获取来自断层扫描的原始数据，该网站是通过 SPOT 门户连接的美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC 超级计算机）服务器。
   注意：每位研究人员必须拥有自己的 NERSC 账户，以访问其特定的数据集。用户可在 https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php 申请账户。在光束线实验站，每个研究团队将被分配一个光束线账户。该账户用于访问光束线计算机，也可通过 Globus Online 直接访问光束线服务器上的数据。
4. 通过将二维重建图像序列载入任意三维分析软件，以三维和二维形式可视化数据。本文所展示的样品和图像采用 Avizo 软件进行分析与可视化，该软件可在中国台湾同步辐射设施8.3.2光束线的任一分析计算机上供光束线用户使用。
5. 数据集上传至可视化软件后，需进行进一步的数据分析，以获取样本中特定特征的量化信息。通常会对数据集进行下采样，以减小输出数据的大小。然而，这可能会增大体素尺寸，降低图像保真度，但可使图像视图更平滑，便于分割。
   1. 通过对二维重建切片堆栈的直方图进行阈值分割，选择感兴趣的片段特征，并为落在指定范围内的像素分配新的像素值。
   2. 可视化分割后的体数据和表面。特征完成分割后，可使用 Avizo 或任何其他偏好的可视化软件进行三维观察。这能够实现对特定区域（如某个感兴趣区域中的焊球）的三维表面渲染。
   3. 量化样本中的特征， 即裂纹尺寸、过孔、孔隙率、缺陷 等等。 一旦识别出感兴趣的特征（如通孔或裂纹），即可对这些特征进行分割，并通过分析断层扫描数据集，量化裂纹宽度、长度、通孔体积及孔隙率分布等三维信息。
   4. 创建一个展示样品在不同取向下的动态影像。影片1展示了以水平方向成像的微电子封装样品的各种横截面视图与容积渲染视图示例。

结果

利用断层扫描技术所捕获的图像，是由于微电子封装中的焊料互连、金属走线及其他材料对X射线的吸收程度不同所致，这种差异取决于这些多材料各自的衰减长度和厚度。该SIP封装包含一个通过第一级互连（FLI）倒装芯片C4焊球（直径约80 µm）连接至陶瓷基板的硅芯片；通过直径约350 µm的中层互连（MLI）焊球将该基板连接至FR4环氧树脂电路板；以及在电路板背面直径约650 µm的第二级互连（SLI）BGA焊球。图2展示了样品处于水平放置方向时的示意图；选择此方向是为了在一次扫描中将整个样品纳入视场范围。图3展示了同一完整封装样品在一次扫描中以低TPT（表2）成像所获得的三维图像。该数据使用Avizo软件进行分析和处理。对于微电子封装，选取0.175°的角增量，共采集180度范围内的1,025幅图像。图3A中可见电路板的通孔、铜导通孔以及部分基板结构。图3B放大显示了感兴趣区域，即现场可编程门阵列（FPGA）芯片与基板的一个角落，展示了对完整多层封装中各个组件进行快速检测的能力。...

讨论

方案部分所述的所有步骤对于获得多尺度、多材料样品的高分辨率图像均至关重要。其中最关键的步骤之一是样品安装和光学聚焦，这对于获取可用于定量分析的高质量图像尤为关键。具体而言，样品的轻微移动会导致重建图像中出现伪影，而离焦则会降低分辨率。为避免图像质量问题，建议在扫描下一个样品的同时重建一张测试图像。这有助于识别扫描设置过程中可能出现的任何问题。如果重建图像存在问题，则可能需要重新扫描样品，并特别注意样品的安装与对齐。在设置过程中还可能遇到其他问题，例如Labview软件错误、样品台电机故障或X射线束缺失等。相关故障排除的详细步骤可在光束线手册中找到，该手册位于光束线网站上。若实验人员遇到手册中未涵盖的问题，或希望进一步提升图像质量，应咨询光束线科学家以探讨其他可行方案。

此处展示的所有图像均突显了使用同步辐射显微断层成像技术（SRµT）在几分钟内对整个多层微电子封装进行高空间分辨率成像的优势，并能够对样品内部特定结构进行无损分析。对于本研究中成像的样品，重建时间不到一小时。先进光源（ALS）提供的宽能量谱使得通过适当的滤波可同时对高原子序数和低原子序数元素进行成像，从而实现对裂纹、孔...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
光束线 8.3.2	美国加利福尼亚州伯克利高级光源		http://microct.lbl.gov/