El uso de la radiación del sincrotrón Microtomografía encargado de investigar multi-escala Paquetes microelectrónicos tridimensionales

Este experimento fue diseñado para utilizar la microtomografía de radiación sincrotrón, que es una técnica de imagen tridimensional no destructiva, con el fin de investigar una muestra compleja de varios niveles. La muestra que se está fotografiando aquí es un paquete microelectrónico completo que tiene un área de sección transversal de aproximadamente 17 por 17 milímetros. Sin embargo, las características que nos interesa resolver varían en longitud de micrómetro a milímetro.

La principal ventaja de esta técnica es que puede evaluar de forma no destructiva el paquete microelectrónico a escala micrométrica con un tiempo de adquisición de datos rápido. La línea de haz de tomografía de fabricante en la Fuente de Luz Avanzada en Berkeley, California, tiene una configuración que se puede adaptar para optimizar la resolución y la calidad de la imagen en función de las propiedades de una muestra, como el volumen y la densidad. Sin embargo, el tamaño de la muestra está limitado a un campo de visión máximo permitido de 36 por 36 milímetros.

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de los semiconductores. Por ejemplo, se puede utilizar para analizar paquetes electrónicos e identificar fallos a través de una prueba de fiabilidad en el desarrollo de procesos, así como para proporcionar flexibilidad experimental o cómo una fuente de rayos X puede detectar rápidamente defectos en paquetes microelectrónicos complejos de próxima generación. Prepare la muestra para el escaneo montándola en un portamuestras diseñado para encajar en la etapa de rotación de la línea de haz.

Para muestras que no tienen un montaje personalizado, adhiera la muestra a un poste o mandril de perforación con arcilla o cera. Antes de cargar la muestra en la etapa de rotación dentro de la conejera, hay una etapa de rotación simulada fuera de línea que se utiliza para alinear la muestra. La inspección visual del centro de rotación suele ser suficiente para la alineación.

Monte la muestra unida al portamuestras dentro de la conejera. Una vez que la muestra ha sido montada en la caseta, dos motores de centrado ortogonal permiten el posicionamiento de la muestra con respecto al centro de rotación. Seleccione la ampliación para el escaneo en función del tamaño de la muestra y el tamaño de la entidad de interés.

Dado que la muestra escaneada aquí es de 22,6 milímetros en la dirección más larga, seleccione la lente 1X con el punto PCO 4, 000. Esta combinación proporciona el campo de visión de muestra más grande. El tamaño de píxel resultante es de 8,7 micras.

Ajuste la energía de rayos X o cambie a un haz policromático utilizando la computadora de control de línea de haz. Para obtener la imagen de mejor calidad, base la selección de energía en una transmisión de aproximadamente el 30%, que se puede medir en la computadora de adquisición de datos. En general, el porcentaje de transmisión aumenta con el aumento de la energía.

Para el paquete microelectrónico, seleccione luz blanca debido al grosor y el material del paquete. Cuando use el modo de luz blanca, agregue de dos a cuatro filtros metálicos de aluminio y cobre en línea con el haz de rayos X para filtrar los rayos X de menor energía. Para esta muestra, utilice dos láminas de cobre con un grosor total de aproximadamente 1,2 milímetros.

A continuación, compruebe que el centro de rotación del escenario esté alineado con el centro de la cámara. Para verificar que la muestra esté alineada, gírela 180 grados usando el software en la computadora de control de la línea de haz y observe visualmente el cambio en la ubicación de la muestra viendo las radiografías en la computadora. Controle los cambios en la alineación en el mismo equipo.

Establezca la muestra a la distancia del detector para el escaneo. La cámara se encuentra en una etapa de traslación que puede moverse horizontalmente y se utiliza para cambiar la distancia de la muestra al detector. Cuando la distancia aumenta, la contribución del contraste facial también aumenta.

Introduzca el rango angular deseado y el número de imágenes que se van a recopilar en ese rango. Cuantos más ángulos se seleccionen, más largos serán los tiempos de escaneo y mayor será el tamaño del conjunto de datos. Para este estudio, utilice 1.025 ángulos de más de 180 grados durante la adquisición de datos.

Después de seleccionar el modo de escaneo y el número de imágenes de campo claro y oscuro como se describe en el protocolo de texto, verifique que la muestra esté traducida lo suficientemente lejos para que no esté presente en la imagen de campo claro para evitar grandes defectos en las imágenes reconstruidas. Aquí, adquiera 15 imágenes de campo oscuro y 15 imágenes de campo claro. Después de determinar si es necesario el mosaico, ejecute la ejecución del examen en el equipo de adquisición de datos.

El escaneo se ejecutará automáticamente en función de la configuración ingresada. Aquí se muestra una representación en 3D de un sistema de matriz de puertas programable en campo completo en un paquete con una resolución de 8,7 micras y un tiempo de escaneo de tres minutos. Una vista ampliada de una región del paquete muestra una esquina del sustrato de la matriz de puertas programables en campo y las interconexiones de la placa de circuito.

Una representación de volumen en 3D de los tres niveles de interconexión diferentes muestra todo el sistema en paquete con una resolución de 8,7 micras. Aquí, se muestra una imagen reconstruida en 3D del paquete de tinte de CPU escaneado verticalmente con interconexión de primer nivel y conexiones de soldadura de interconexión de nivel medio. Una región ampliada de un corte reconstruido en 2D muestra una bola de soldadura de interconexión de nivel medio con un gran vacío central y grietas causadas durante las pruebas de estrés térmico intencionales.

Esta película muestra imágenes de tomografía del paquete microelectrónico en la orientación horizontal. La representación del volumen 3D del paquete de 16 por 16 milímetros cuadrados lo muestra desde diferentes perspectivas. Aquí, la película se desplaza a través de las diferentes vistas transversales para mostrar información interna desde dentro del paquete.

La capacidad de la tomografía para acomodar grandes tamaños de muestra con un tiempo de ejecución más rápido, especialmente en comparación con los sistemas de TC de mesa, es de suma importancia para la industria de los semiconductores. Esta técnica permite la cuantificación no destructiva de grietas, vacíos, delaminación, defectos y mucho más. Este método es muy útil para proporcionar información sobre las interconexiones de las uniones soldadas para la industria de la microelectrónica.

Sin embargo, también se puede aplicar a una amplia gama de sistemas de materiales, como aleaciones metálicas, compuestos, biomateriales, compuestos orgánicos y componentes fabricados aditivamente. Aunque existe una amplia gama de materiales y volúmenes de los que se pueden obtener imágenes mediante microtomografía de radiación de sincrotrón, existen limitaciones debido al rango de energía disponible en la instalación de sincrotrón ALS. Específicamente, los materiales de alta densidad están limitados a tamaños de muestra muy delgados debido a la necesidad de obtener suficiente transmisión de rayos X a través de la muestra.

Uno de los pasos más críticos durante la configuración experimental es el montaje y el enfoque estables de la óptica. Estos pasos son vitales para obtener imágenes de calidad que se puedan utilizar para la cuantificación de los datos. En concreto, incluso un ligero movimiento de la muestra provoca artefactos en la imagen reconstruida, y el enfoque provoca un deterioro de la resolución.

Para evitar los problemas con la calidad de la imagen, reconstruya una imagen de prueba que pueda tener lugar simultáneamente mientras se escanea la siguiente muestra. Al intentar este tipo de experimento, es importante modificar la configuración en función de las propiedades de la muestra y hablar con el científico de la línea de haz sobre la optimización de los procedimientos experimentales. La capacidad de alta resolución de la microtomografía de radiación sincrotrón proporciona información valiosa tanto para el análisis de fallas como para el desarrollo de procesos de ensamblaje.

La aplicación de la tomografía computarizada de rayos X 3D de sincrotrón a un paquete microelectrónico abre una amplia gama de posibilidades en la igualdad y confiabilidad de los paquetes microelectrónicos 3D, incluidas las pruebas de confiabilidad, la inspección de fallas en paquetes complejos. También proporciona instrucciones para el desarrollo de la próxima generación de tomografías computarizadas de rayos X 3D a escala de laboratorio.