L'utilizzo delle radiazioni al sincrotrone microtomografia a indagare multi-scala Pacchetti microelettronici tridimensionali

Questo esperimento è stato progettato per utilizzare la microtomografia a radiazione di sincrotrone, che è una tecnica di imaging tridimensionale non distruttiva, al fine di studiare un campione multilivello complesso. Il campione qui ripreso è un intero pacchetto microelettronico che ha un'area della sezione trasversale di circa 17 per 17 millimetri. Tuttavia, le funzionalità che ci interessano risolvere variano in scala di lunghezza da micrometro a millimetro.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che può valutare in modo non distruttivo il pacchetto microelettronico su scala micrometrica con un tempo di acquisizione dati rapido. La linea di fascio per tomografia presso l'Advanced Light Source di Berkeley, in California, ha una configurazione che può essere personalizzata per ottimizzare la risoluzione e la qualità dell'immagine in base alle proprietà di un campione, come il volume e la densità. Tuttavia, la dimensione del campione è limitata a un campo visivo massimo consentito di 36 per 36 millimetri.

Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dei semiconduttori. Ad esempio, può essere utilizzato per analizzare i pacchetti elettronici e identificare i guasti attraverso un test di affidabilità nello sviluppo del processo, nonché per fornire flessibilità sperimentale o il modo in cui una sorgente di raggi X può rilevare rapidamente i difetti in complessi pacchetti microelettronici di nuova generazione. Preparare il campione per la scansione montandolo su un supporto per campioni progettato per adattarsi allo stadio di rotazione della linea del fascio.

Per i campioni che non dispongono di un supporto personalizzato, far aderire il campione a un perno o a un mandrino con argilla o cera. Prima di caricare il campione sullo stadio di rotazione all'interno della gabbia, è disponibile uno stadio di rotazione simulato offline che viene utilizzato per allineare il campione. L'ispezione visiva del centro di rotazione è solitamente sufficiente per l'allineamento.

Montare il campione attaccato al portacampione all'interno della gabbia. Una volta che il campione è stato montato nella gabbia, due motori di centraggio ortogonali permettono il posizionamento del campione rispetto al centro di rotazione. Selezionare l'ingrandimento per la scansione in base alle dimensioni del campione e alla dimensione della funzione di interesse.

Poiché il campione scansionato qui è di 22,6 millimetri nella direzione più lunga, selezionare l'obiettivo 1X con il punto PCO 4.000. Questa combinazione offre il campo visivo del campione più ampio. La dimensione dei pixel risultante è di 8,7 micron.

Impostare l'energia dei raggi X o passare a un raggio policromatico utilizzando il computer di controllo della linea del fascio. Per ottenere la migliore qualità dell'immagine, basare la selezione dell'energia su una trasmissione di circa il 30%, che può essere misurata sul computer di acquisizione dati. In generale, la percentuale di trasmissione aumenta con l'aumentare dell'energia.

Per il pacchetto microelettronico, selezionare la luce bianca in base allo spessore e al materiale del pacchetto. Quando si utilizza la modalità luce bianca, aggiungere da due a quattro filtri in metallo, alluminio e rame in linea con il fascio di raggi X per filtrare i raggi X a bassa energia. Per questo campione, utilizzare due fogli di rame con uno spessore totale di circa 1,2 millimetri.

Quindi, verificare che il centro di rotazione dello stage sia allineato con il centro della videocamera. Per verificare che il campione sia allineato, ruotarlo di 180 gradi utilizzando il software sul computer di controllo della linea del fascio e osservare visivamente il cambiamento nella posizione del campione visualizzando le radiografie sul computer. Controllare le modifiche all'allineamento sullo stesso computer.

Impostare il campione sulla distanza del rivelatore per la scansione. La telecamera si trova su un tavolino di traslazione che può muoversi orizzontalmente e viene utilizzata per modificare la distanza tra il campione e il rivelatore. All'aumentare della distanza, aumenta anche il contributo al contrasto del viso.

Immettere l'intervallo angolare desiderato e il numero di immagini da raccogliere in tale intervallo. Maggiore è il numero di angoli selezionati, maggiori saranno i tempi di scansione e maggiori saranno le dimensioni del set di dati. Per questo studio, utilizzare 1.025 angoli superiori a 180 gradi durante l'acquisizione dei dati.

Dopo aver selezionato la modalità di scansione e il numero di immagini in campo chiaro e scuro come descritto nel protocollo di testo, verificare che il campione sia traslato abbastanza lontano da non essere presente nell'immagine in campo chiaro per evitare grandi difetti nelle immagini ricostruite. Qui, acquisisci 15 immagini in campo scuro e 15 immagini in campo chiaro. Dopo aver determinato se è necessario l'affiancamento, eseguire l'esecuzione della scansione sul computer di acquisizione dati.

La scansione verrà eseguita automaticamente in base alle impostazioni inserite. Qui è mostrato un rendering 3D di un intero sistema di gate array programmabile sul campo in un pacchetto con risoluzione di 8,7 micron e un tempo di scansione di tre minuti. Una vista ingrandita di una regione del pacchetto mostra un angolo del substrato del gate array programmabile sul campo e le interconnessioni del circuito stampato.

Un rendering 3D del volume dei tre diversi livelli di interconnessione mostra l'intero sistema in un pacchetto con una risoluzione di 8,7 micron. Qui viene mostrata un'immagine ricostruita in 3D del pacchetto di coloranti CPU scansionato verticalmente con connessioni di interconnessione di primo livello e di interconnessione di medio livello. Una regione ingrandita di una fetta ricostruita in 2D mostra una sfera di saldatura di interconnessione di livello medio con un grande vuoto centrale e crepe causate durante il test di stress termico intenzionale.

Questo filmato mostra le immagini tomografiche del pacchetto microelettronico riprodotte con orientamento orizzontale. Il rendering 3D del volume del pacchetto di 16 x 16 millimetri quadrati lo mostra da diverse prospettive. In questo caso, il filmato scorre le diverse viste in sezione trasversale per mostrare le informazioni interne all'interno del pacchetto.

La capacità della tomografia di adattarsi a campioni di grandi dimensioni con tempi di filtrazione più rapidi, soprattutto rispetto ai sistemi CT da tavolo, è della massima importanza per l'industria dei semiconduttori. Questa tecnica consente la quantificazione non distruttiva di crepe, vuoti, delaminazioni, difetti e molto altro. Questo metodo è molto utile per fornire informazioni sulle interconnessioni dei giunti di saldatura per l'industria microelettronica.

Tuttavia, può essere applicato anche a un'ampia gamma di sistemi di materiali come leghe metalliche, compositi, biomateriali, sostanze organiche e componenti prodotti in modo additivo. Sebbene esista un'ampia gamma di materiali e volumi che possono essere visualizzati utilizzando la microtomografia a radiazione di sincrotrone, ci sono limitazioni dovute all'intervallo di energia disponibile presso la struttura di sincrotrone ALS. In particolare, i materiali ad alta densità sono vincolati a campioni di dimensioni molto sottili a causa della necessità di ottenere una trasmissione sufficiente dei raggi X attraverso il campione.

Uno dei passaggi più critici durante la configurazione sperimentale è il montaggio e la messa a fuoco stabili dell'ottica. Questi passaggi sono fondamentali per ottenere immagini di qualità che possono essere utilizzate per la quantificazione dei dati. In particolare, anche un leggero movimento del campione provoca artefatti nell'immagine ricostruita, e la messa a fuoco provoca un deterioramento della risoluzione.

Per evitare problemi con la qualità dell'immagine, ricostruire un'immagine di prova che può essere eseguita contemporaneamente durante la scansione del campione successivo. Durante il tentativo di questo tipo di esperimento, è importante modificare la configurazione in base alle proprietà del campione e parlare con lo scienziato della linea del fascio per ottimizzare le procedure sperimentali. La capacità ad alta risoluzione della microtomografia a radiazione di sincrotrone fornisce informazioni preziose sia per l'analisi dei guasti che per lo sviluppo del processo di assemblaggio.

L'applicazione della TC a raggi X 3D di sincrotrone a un pacchetto microelettronico apre un'ampia gamma di possibilità in termini di uguaglianza e affidabilità dei pacchetti microelettronici 3D, compresi i test di affidabilità, l'ispezione dei guasti in pacchetti complessi. Fornisce inoltre indicazioni per lo sviluppo di TC a raggi X 3D su scala di laboratorio di prossima generazione.