Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

本实验旨在利用同步辐射显微断层扫描，这是一种无损三维成像技术，以研究复杂的多级样品。这里成像的样品是一个完整的微电子封装，横截面积约为 17 x 17 毫米。但是，我们感兴趣的特征是长度范围从微米到毫米。

该技术的主要优点是它可以在微米级以快速的数据采集时间对微电子封装进行无损评估。位于加利福尼亚州伯克利的 Advanced Light Source 的创客断层扫描光束线有一个设置，可以根据样品的特性（如体积和密度）进行定制，以优化分辨率和图像质量。但是，样本量限制为 36 x 36 毫米的最大允许视野。

这种方法可以帮助回答半导体领域的关键问题。例如，它可用于分析电子封装并通过工艺开发中的可靠性测试来识别故障，以及提供实验灵活性或 X 射线源如何快速检测复杂的下一代微电子封装中的缺陷。通过将样品安装在设计用于光束线旋转台的样品架上来准备样品以进行扫描。

对于没有定制镶样的样品，用粘土或蜡将样品粘附在柱子或钻夹头上。在将样品装载到牛舍内的旋转台上之前，有一个离线模拟旋转台用于对齐样品。目视检查旋转中心通常足以进行对齐。

将连接到样品架上的样品安装在牛舍内。将样品安装在箱中后，两个正交定心电机允许样品相对于旋转中心进行定位。根据感兴趣的样本大小和特征大小选择扫描的放大倍数。

由于此处扫描的样品最长方向为 22.6 毫米，因此请选择 PCO 点为 4， 000 的 1X 镜头。这种组合提供了最大的样本视野。得到的像素大小为 8.7 微米。

设置 X 射线能量，或使用光束线控制计算机切换到多色光束。为了获得最佳质量的图像，能量选择基于大约 30% 的透射率，这可以在数据采集计算机上进行测量。一般来说，传输百分比随着能量的增加而增加。

对于微电子封装，根据封装的厚度和材料选择白光。当使用白光模式时，添加 2 到 4 个与 X 射线束对齐的金属铝和铜滤光片，以滤除能量较低的 X 射线。对于此示例，使用两块总厚度约为 1.2 毫米的铜片。

接下来，验证舞台的旋转中心是否与摄像头的中心对齐。要检查样品是否对齐，请使用光束线控制计算机上的软件将其旋转 180 度，并通过在计算机上查看 X 光片来目视观察样品位置的变化。在同一台计算机上控制对齐方式的更改。

将样品设置为扫描的检测器距离。相机位于可水平移动的平移台上，用于改变样品到检测器的距离。当距离增加时，人脸对比度贡献也会增加。

输入所需的角度范围以及在该范围内收集的图像数量。选择的角度越多，扫描时间越长，数据集大小越大。对于这项研究，在数据采集过程中使用 1， 025 度的 180 个角度。

按照文本协议中的说明选择扫描模式以及明场和暗场图像的数量后，验证样品是否平移得足够远，以至于它不会出现在明场图像中，以避免重建图像中出现大缺陷。在这里，获取 15 张暗场图像和 15 张明场图像。确定是否需要平铺后，在数据采集计算机上执行 run scan。

扫描将根据输入的设置自动运行。这里显示的是封装中整个现场可编程门阵列系统的 3D 渲染，成像分辨率为 8.7 微米，扫描时间为 3 分钟。封装某个区域的放大视图显示了现场可编程门阵列基板和电路板互连的一角。

三个不同互连级别的 3D 体积渲染显示了整个系统封装，分辨率为 8.7 微米。这里显示了垂直扫描的 CPU 染料封装的 3D 重建图像，具有第一级互连和中间级互连焊接连接。2D 重建切片的放大区域显示了一个中级互连焊球，该焊球具有较大的中心空隙和在有意热应力测试期间产生的裂纹。

该影片展示了在水平方向成像的微电子封装的断层扫描图像。16 x 16 平方毫米封装的 3D 体积渲染从不同的角度展示了它。在这里，影片通过不同的横截面视图平移，以显示封装内部的内部信息。

断层扫描能够以更快的吞吐量处理大样本量，尤其是与台式 CT 系统相比，对于半导体行业至关重要。该技术能够对裂纹、空隙、分层、缺陷等进行无损量化。这种方法对于深入了解微电子行业的焊点互连非常有用。

然而，它也可以应用于广泛的材料系统，例如金属合金、复合材料、生物材料、有机物和增材制造部件。尽管可以使用同步辐射显微断层扫描成像的材料和体积范围很广，但由于 ALS 同步加速器设施的可用能量范围存在限制。具体来说，由于需要通过样品获得足够的 X 射线透射，因此高密度材料被限制在非常薄的样品尺寸内。

实验设置过程中最关键的步骤之一是光学元件的稳定安装和聚焦。这些步骤对于获得可用于数据量化的高质量图像至关重要。具体来说，即使样品的轻微移动也会导致重建图像中出现伪影，而聚焦会导致分辨率下降。

为避免图像质量问题，请重建测试图像，该图像可以在下一个样品扫描时同时进行。在尝试此类实验时，请务必根据您的样品特性修改设置，并与您的光束线科学家讨论优化实验程序。同步辐射显微断层扫描的高分辨率能力为故障分析和装配工艺开发提供了有价值的信息。

同步加速器 3D X 射线 CT 在微电子封装中的应用为 3D 微电子封装的相等性和可靠性开辟了广泛的可能性，包括可靠性测试、复杂封装的故障检查。它还为下一代实验室规模的 3D X 射线 CT 的开发提供了方向。