Utilisation de rayonnement synchrotron Microtomographie d'enquêter sur Multi-échelle Forfaits microélectroniques en trois dimensions

Cette expérience a été conçue pour utiliser la microtomographie à rayonnement synchrotron, qui est une technique d’imagerie tridimensionnelle non destructive, afin d’étudier un échantillon complexe à plusieurs niveaux. L’échantillon imagé ici est un boîtier microélectronique complet d’une section transversale d’environ 17 x 17 millimètres. Cependant, les fonctionnalités qui nous intéressent vont du micromètre au millimètre.

Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet d’évaluer de manière non destructive le boîtier microélectronique à l’échelle micrométrique avec un temps d’acquisition de données rapide. La ligne de faisceau de tomographie de l’Advanced Light Source à Berkeley, en Californie, dispose d’une configuration qui peut être adaptée pour optimiser la résolution et la qualité de l’image en fonction des propriétés d’un échantillon, telles que le volume et la densité. Cependant, la taille de l’échantillon est limitée à un champ de vision maximal autorisé de 36 x 36 millimètres.

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des semi-conducteurs. Par exemple, il peut être utilisé pour analyser les boîtiers électroniques et identifier les défaillances grâce à un test de fiabilité dans le développement de procédés, ainsi que pour fournir une flexibilité expérimentale ou comment une source de rayons X peut détecter rapidement les défauts dans des boîtiers microélectroniques complexes de nouvelle génération. Préparez l’échantillon pour le balayage en le montant sur un porte-échantillon conçu pour s’adapter à la platine de rotation de la ligne de faisceau.

Pour les échantillons qui n’ont pas de support personnalisé, collez l’échantillon sur un poteau ou un mandrin de perçage avec de l’argile ou de la cire. Avant de charger l’échantillon sur la platine de rotation à l’intérieur de la huche, il y a une platine de rotation simulée hors ligne qui est utilisée pour aligner l’échantillon. L’inspection visuelle du centre de rotation est généralement suffisante pour l’alignement.

Montez l’échantillon fixé au porte-échantillon à l’intérieur du clapier. Une fois l’échantillon monté dans la huche, deux moteurs de centrage orthogonaux permettent de positionner l’échantillon par rapport au centre de rotation. Sélectionnez l’agrandissement du balayage en fonction de la taille de l’échantillon et de la taille de la caractéristique d’intérêt.

Étant donné que l’échantillon numérisé ici mesure 22,6 millimètres dans la direction la plus longue, sélectionnez l’objectif 1X avec le point PCO de 4 000. Cette combinaison donne le plus grand champ de vision de l’échantillon. La taille de pixel résultante est de 8,7 microns.

Réglez l’énergie des rayons X ou passez à un faisceau polychromatique à l’aide de l’ordinateur de contrôle de la ligne de faisceau. Pour obtenir la meilleure qualité d’image, basez la sélection de l’énergie sur le ciblage d’une transmission d’environ 30 %, qui peut être mesurée sur l’ordinateur d’acquisition de données. En général, le pourcentage de transmission augmente avec l’augmentation de l’énergie.

Pour le boîtier microélectronique, sélectionnez la lumière blanche en raison de l’épaisseur et du matériau du boîtier. Lorsque vous utilisez le mode lumière blanche, ajoutez deux à quatre filtres métalliques, en aluminium et en cuivre alignés avec le faisceau de rayons X pour filtrer les rayons X de faible énergie. Pour cet échantillon, utilisez deux feuilles de cuivre d’une épaisseur totale d’environ 1,2 millimètre.

Ensuite, vérifiez que le centre de rotation de la platine est aligné avec le centre de la caméra. Pour vérifier que l’échantillon est aligné, faites-le pivoter de 180 degrés à l’aide du logiciel sur l’ordinateur de contrôle de la ligne de faisceau et observez visuellement le changement d’emplacement de l’échantillon en visualisant les radiographies sur l’ordinateur. Contrôlez les modifications d’alignement sur le même ordinateur.

Réglez l’échantillon à la distance du détecteur pour le balayage. La caméra est sur une platine de translation qui peut se déplacer horizontalement et est utilisée pour changer la distance de l’échantillon au détecteur. Lorsque la distance augmente, la contribution du contraste du visage augmente également.

Entrez la plage angulaire souhaitée et le nombre d’images à collecter sur cette plage. Plus il y a d’angles sélectionnés, plus les temps de balayage sont longs et plus la taille de l’ensemble de données est importante. Pour cette étude, utilisez 1 025 angles sur 180 degrés lors de l’acquisition des données.

Après avoir sélectionné le mode de balayage et le nombre d’images en fond clair et en fond sombre comme décrit dans le protocole texte, vérifiez que la translation de l’échantillon est suffisante pour qu’il ne soit pas présent dans l’image en fond clair afin d’éviter des défauts importants dans les images reconstruites. Ici, acquérez 15 images en fond sombre et 15 images en fond clair. Après avoir déterminé si la mosaïque est nécessaire, exécutez l’exécution de l’analyse sur l’ordinateur d’acquisition de données.

L’analyse s’exécutera automatiquement en fonction des paramètres saisis. Voici un rendu 3D de l’ensemble d’un système de réseau de portes programmables sur le terrain dans un boîtier avec une résolution de 8,7 microns et un temps de balayage de trois minutes. Une vue agrandie d’une région du boîtier montre un coin du substrat du réseau de portes programmables sur le terrain et les interconnexions des circuits imprimés.

Un rendu volumique 3D des trois niveaux d’interconnexion différents montre l’ensemble du système dans son emballage avec une résolution de 8,7 microns. Ici, une image reconstruite en 3D du boîtier de colorant du processeur balayé verticalement avec des connexions de soudure d’interconnexion de premier niveau et d’interconnexion de niveau intermédiaire est présentée. Une région agrandie d’une tranche reconstruite en 2D montre une boule de soudure d’interconnexion de niveau intermédiaire avec un grand vide central et des fissures causées lors d’un test de contrainte thermique intentionnel.

Cette vidéo montre des images de tomographie du boîtier microélectronique imagé dans l’orientation horizontale. Le rendu volumique 3D de l’emballage de 16 x 16 millimètres carrés le montre sous différents angles. Ici, le film fait un panoramique à travers les différentes vues en coupe transversale pour afficher des informations internes à l’intérieur du package.

La capacité de la tomographie à s’adapter à de grandes tailles d’échantillons avec un temps de passage plus rapide, en particulier par rapport aux systèmes de tomodensitométrie de table, est de la plus haute importance pour l’industrie des semi-conducteurs. Cette technique permet de quantifier de manière non destructive les fissures, les vides, le délaminage, les défauts, et bien plus encore. Cette méthode est très utile pour donner un aperçu des interconnexions de joints de soudure pour l’industrie de la microélectronique.

Cependant, il peut également être appliqué à un large éventail de systèmes de matériaux tels que les alliages métalliques, les composites, les biomatériaux, les matières organiques et les composants fabriqués de manière additive. Bien qu’il existe une large gamme de matériaux et de volumes qui peuvent être imagés à l’aide de la microtomographie à rayonnement synchrotron, il existe des limites en raison de la gamme d’énergie disponible à l’installation synchrotron ALS. Plus précisément, les matériaux à haute densité sont limités à des tailles d’échantillon très minces en raison de la nécessité d’obtenir une transmission suffisante des rayons X à travers l’échantillon.

L’une des étapes les plus critiques de la configuration expérimentale est le montage et la mise au point stables de l’optique. Ces étapes sont essentielles pour obtenir des images de qualité qui peuvent être utilisées pour la quantification des données. Plus précisément, même un léger mouvement de l’échantillon provoque des artefacts dans l’image reconstruite, et la mise au point provoque une détérioration de la résolution.

Pour éviter les problèmes de qualité d’image, reconstruisez une image de test qui peut avoir lieu simultanément pendant le balayage de l’échantillon suivant. Lorsque vous tentez ce type d’expérience, il est important de modifier votre configuration en fonction des propriétés de votre échantillon et de parler à votre scientifique de l’optimisation de vos procédures expérimentales. La capacité de haute résolution de la microtomographie à rayonnement synchrotron fournit des informations précieuses pour l’analyse des défaillances et le développement du processus d’assemblage.

L’application de la tomodensitométrie synchrotron 3D à rayons X à un boîtier microélectronique ouvre un large éventail de possibilités en matière d’égalité et de fiabilité des boîtiers microélectroniques 3D, y compris des tests de fiabilité, l’inspection des défaillances dans des boîtiers complexes. Il fournit également des orientations pour le développement de la prochaine génération de tomodensitométrie à rayons X 3D à l’échelle du laboratoire.