Mit Synchrotronstrahlung Mikrotomographie Mehrskalige Dreidimensionale Mikroelektronische Bauteile zur Untersuchung

Dieses Experiment wurde entwickelt, um die Synchrotronstrahlungs-Mikrotomographie, ein zerstörungsfreies dreidimensionales Bildgebungsverfahren, zu nutzen, um eine komplexe mehrstufige Probe zu untersuchen. Bei der Probe, die hier abgebildet wird, handelt es sich um ein ganzes mikroelektronisches Gehäuse mit einer Querschnittsfläche von etwa 17 mal 17 Millimetern. Die Merkmale, an deren Auflösung wir interessiert sind, reichen jedoch von der Längenskala von Mikrometer bis Millimeter.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie das mikroelektronische Gehäuse im Mikrometermaßstab mit schneller Datenerfassungszeit zerstörungsfrei bewerten kann. Die Maker-Tomographie-Strahllinie an der Advanced Light Source in Berkeley, Kalifornien, verfügt über einen Aufbau, der angepasst werden kann, um die Auflösung und Bildqualität basierend auf den Eigenschaften einer Probe wie Volumen und Dichte zu optimieren. Die Stichprobengröße ist jedoch auf ein maximal zulässiges Sichtfeld von 36 x 36 Millimetern begrenzt.

Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Halbleiterbereich zu beantworten. Es kann beispielsweise zur Analyse elektronischer Gehäuse und zur Identifizierung von Fehlern durch einen Zuverlässigkeitstest in der Prozessentwicklung verwendet werden, aber auch zur Bereitstellung experimenteller Flexibilität oder zur schnellen Erkennung von Defekten in komplexen mikroelektronischen Gehäusen der nächsten Generation. Bereiten Sie die Probe für den Scan vor, indem Sie sie auf einen Probenhalter montieren, der so konstruiert ist, dass er in den Rotationstisch der Strahlführung passt.

Bei Proben, die keine spezielle Halterung haben, kleben Sie die Probe mit Ton oder Wachs an einen Pfosten oder Bohrfutter. Vor dem Laden der Probe auf den Rotationstisch in der Kabine gibt es einen Offline-Scheinrotationstisch, der zum Ausrichten der Probe verwendet wird. Für die Ausrichtung ist in der Regel eine Sichtprüfung des Drehschwerpunkts ausreichend.

Montieren Sie die Probe am Probenhalter in der Hütte. Sobald die Probe in der Kabine montiert ist, ermöglichen zwei orthogonale Zentriermotoren die Positionierung der Probe in Bezug auf den Drehmittelpunkt. Wählen Sie die Vergrößerung für den Scan basierend auf der Stichprobengröße und der interessierenden Merkmalsgröße aus.

Da die hier gescannte Probe in der längsten Richtung 22,6 Millimeter groß ist, wählen Sie die 1X-Linse mit dem PCO-Punkt 4.000. Diese Kombination ergibt das größte Sichtfeld der Stichprobe. Die resultierende Pixelgröße beträgt 8,7 Mikrometer.

Stellen Sie die Röntgenenergie ein oder wechseln Sie mit dem Strahlliniensteuerungscomputer zu einem polychromatischen Strahl. Um die beste Bildqualität zu erhalten, stützen Sie sich bei der Energieauswahl auf eine Transmission von ca. 30 %, die auf dem Datenerfassungscomputer gemessen werden kann. Im Allgemeinen steigt die prozentuale Transmission mit zunehmender Energie.

Wählen Sie für das mikroelektronische Gehäuse aufgrund der Dicke und des Materials des Gehäuses weißes Licht aus. Wenn Sie den Weißlichtmodus verwenden, fügen Sie zwei bis vier Metall-, Aluminium- und Kupferfilter in einer Linie mit dem Röntgenstrahl hinzu, um die Röntgenstrahlen mit geringerer Energie herauszufiltern. Verwenden Sie für diese Probe zwei Kupferbleche mit einer Gesamtdicke von etwa 1,2 Millimetern.

Vergewissern Sie sich anschließend, dass der Drehmittelpunkt des Tisches mit dem Mittelpunkt der Kamera ausgerichtet ist. Um zu überprüfen, ob die Probe ausgerichtet ist, drehen Sie sie mit Hilfe der Software auf dem Strahlliniensteuerungscomputer um 180 Grad und beobachten Sie die Änderung der Probenposition visuell, indem Sie die Röntgenbilder auf dem Computer anzeigen. Steuern Sie Änderungen an der Ausrichtung auf demselben Computer.

Stellen Sie die Probe auf den Detektorabstand für den Scan ein. Die Kamera befindet sich auf einem Translationstisch, der sich horizontal bewegen kann und verwendet wird, um die Probe auf den Detektorabstand zu ändern. Wenn der Abstand zunimmt, erhöht sich auch der Kontrastbeitrag des Gesichts.

Geben Sie den gewünschten Winkelbereich und die Anzahl der Bilder ein, die über diesen Bereich gesammelt werden sollen. Je mehr Winkel ausgewählt sind, desto länger sind die Scanzeiten und desto größer ist der Datensatz. Verwenden Sie für diese Studie 1.025 Winkel über 180 Grad während der Datenerfassung.

Nachdem Sie den Scanmodus und die Anzahl der Hell- und Dunkelfeldbilder ausgewählt haben, wie im Textprotokoll beschrieben, stellen Sie sicher, dass die Probe weit genug verschoben ist, so dass sie nicht im Hellfeldbild vorhanden ist, um große Fehler in den rekonstruierten Bildern zu vermeiden. Hier erfassen Sie 15 Dunkelfeldbilder und 15 Hellfeldbilder. Nachdem Sie festgestellt haben, ob eine Kachelung erforderlich ist, führen Sie run scan auf dem Datenerfassungscomputer aus.

Der Scan wird automatisch basierend auf den eingegebenen Einstellungen ausgeführt. Hier sehen Sie ein 3D-Rendering eines gesamten Field Programmable Gate Array-Systems in einem Gehäuse, das mit einer Auflösung von 8,7 Mikrometern und einer Scanzeit von drei Minuten abgebildet wurde. Eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Gehäuses zeigt eine Ecke des Field Programmable Gate Array-Substrats und die Verbindungen zwischen der Leiterplatte.

Ein 3D-Volumen-Rendering der drei verschiedenen Verbindungsebenen zeigt das gesamte System im Gehäuse mit einer Auflösung von 8,7 Mikrometern. Hier wird ein 3D-rekonstruiertes Bild des vertikal gescannten CPU-Farbstoffgehäuses mit First-Level-Interconnect- und Mid-Level-Interconnect-Lötverbindungen gezeigt. Ein vergrößerter Bereich einer rekonstruierten 2D-Scheibe zeigt eine mittlere Verbindungslötkugel mit einem großen Hohlraum in der Mitte und Rissen, die während eines absichtlichen thermischen Belastungstests verursacht wurden.

Dieser Film zeigt Tomographie-Bilder des mikroelektronischen Gehäuses, die in horizontaler Ausrichtung abgebildet sind. Das 3D-Volumen-Rendering des 16 mal 16 Quadratmillimeter großen Gehäuses zeigt es aus verschiedenen Perspektiven. Hier schwenkt der Film durch die verschiedenen Querschnittsansichten, um interne Informationen aus dem Paket zu zeigen.

Die Fähigkeit der Tomographie, große Probengrößen mit schnellerer Durchlaufzeit zu bewältigen, insbesondere im Vergleich zu Tisch-CT-Systemen, ist für die Halbleiterindustrie von größter Bedeutung. Diese Technik ermöglicht die zerstörungsfreie Quantifizierung von Rissen, Voids, Delaminationen, Defekten und vielem mehr. Diese Methode ist sehr nützlich, um Einblicke in Lötstellenverbindungen für die Mikroelektronikindustrie zu erhalten.

Es kann aber auch auf eine Vielzahl von Materialsystemen wie Metalllegierungen, Verbundwerkstoffe, Biomaterialien, organische Stoffe und additiv gefertigte Bauteile angewendet werden. Obwohl es eine breite Palette von Materialien und Volumina gibt, die mit der Synchrotronstrahlungsmikrotomographie abgebildet werden können, gibt es aufgrund des verfügbaren Energiebereichs an der ALS-Synchrotronanlage Einschränkungen. Insbesondere Materialien mit hoher Dichte sind auf sehr dünne Probengrößen beschränkt, da eine ausreichende Röntgendurchlässigkeit durch die Probe erforderlich ist.

Einer der kritischsten Schritte während des Versuchsaufbaus ist die stabile Montage und Fokussierung der Optik. Diese Schritte sind entscheidend, um qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten, die zur Quantifizierung der Daten verwendet werden können. Insbesondere führt bereits eine geringfügige Bewegung der Probe zu Artefakten im rekonstruierten Bild, und die Fokussierung führt zu einer Verschlechterung der Auflösung.

Um Probleme mit der Bildqualität zu vermeiden, rekonstruieren Sie ein Testbild, das gleichzeitig mit dem Scannen der nächsten Probe durchgeführt werden kann. Wenn Sie diese Art von Experiment versuchen, ist es wichtig, Ihren Aufbau in Abhängigkeit von den Eigenschaften Ihrer Probe zu modifizieren und mit Ihrem Beamline-Wissenschaftler über die Optimierung Ihrer experimentellen Verfahren zu sprechen. Die hohe Auflösung der Synchrotronstrahlungs-Mikrotomographie liefert wertvolle Informationen sowohl für die Fehleranalyse als auch für die Entwicklung von Montageprozessen.

Die Anwendung der Synchrotron-3D-Röntgen-CT auf ein mikroelektronisches Gehäuse eröffnet eine breite Palette von Möglichkeiten für die Gleichheit und Zuverlässigkeit von mikroelektronischen 3D-Gehäusen, einschließlich Zuverlässigkeitstests und der Inspektion von Fehlern in komplexen Gehäusen. Es bietet auch Richtungen für die Entwicklung von 3D-Röntgen-CT der nächsten Generation im Labormaßstab.