マルチスケール三次元マイクロエレクト​​ロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

この実験は、非破壊の3次元イメージング技術である放射光マイクロトモグラフィーを用いて、複雑なマルチレベル試料を探索するために設計されました。ここで画像化されているサンプルは、断面積が約17 x 17 mmのマイクロエレクトロニクスパッケージ全体です。ただし、私たちが解決する対象フィーチャは、マイクロメートルからミリメートルまでの長さスケールで幅があります。

この技術の主な利点は、マイクロメートルスケールでマイクロエレクトロニクスパッケージを非破壊的に評価し、データ取得時間を短縮できることです。カリフォルニア州バークレーにあるAdvanced Light Sourceのメーカートモグラフィービームラインは、体積や密度などのサンプルの特性に基づいて解像度と画質を最適化するように調整できるセットアップを備えています。ただし、サンプルサイズは、最大許容視野 36 x 36 mm に制限されています。

この方法は、半導体分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。例えば、プロセス開発における信頼性試験を通じて電子パッケージを分析し、故障を特定するためだけでなく、実験の柔軟性を提供したり、X線源が複雑な次世代マイクロエレクトロニクスパッケージの欠陥を迅速に検出する方法などにも活用できます。ビームラインの回転ステージに収まるように設計されたサンプルホルダーにサンプルを取り付けて、スキャン用のサンプルを準備します。

カスタムマウントがないサンプルの場合は、粘土またはワックスでサンプルをポストまたはドリルチャックに接着します。ハッチ内の回転ステージにサンプルをロードする前に、サンプルの位置合わせに使用されるオフラインのモック回転ステージがあります。通常、位置合わせには回転中心の目視検査で十分です。

サンプルホルダーに取り付けたサンプルをハッチ内に取り付けます。サンプルをハッチに取り付けたら、2つの直交するセンタリングモーターにより、回転中心に対してサンプルを位置決めできます。スキャンの倍率は、対象のサンプルサイズと特徴サイズに基づいて選択します。

ここでスキャンしたサンプルは最長方向に22.6ミリメートルであるため、PCOポイント4, 000の1Xレンズを選択します。この組み合わせにより、最大のサンプル視野が得られます。結果のピクセル サイズは 8.7 ミクロンです。

X線のエネルギーを設定するか、ビームライン制御コンピュータで多色ビームに切り替えます。最高品質の画像を得るには、データ集録コンピュータで測定できる約30%の透過率を目標にエネルギー選択を行います。一般に、エネルギーの増加に伴い、透過率は増加します。

マイクロエレクトロニクスパッケージの場合、パッケージの厚さと材質により白色光を選択します。白色光モードを使用する場合は、X線ビームに沿って2〜4個の金属アルミニウムと銅フィルターを追加して、低エネルギーのX線をフィルタリングします。このサンプルには、合計厚さ約1.2ミリメートルの銅板を2枚使用します。

次に、ステージの回転中心がカメラの中心に揃っていることを確認します。試料の位置が整列していることを確認するには、ビームライン制御用コンピュータ上のソフトウェアで試料を180度回転させ、コンピュータ上のX線写真を見て試料位置の変化を視覚的に観察します。同じコンピューター上の配置に対する変更を制御します。

スキャンのためにサンプルを検出器距離に設定します。カメラは水平に移動できる並進ステージ上にあり、サンプルから検出器までの距離を変更するために使用されます。距離が長くなると、顔のコントラストの寄与度も増加します。

目的の角度範囲と、その範囲で収集する画像の数を入力します。選択した角度が多いほど、スキャン時間が長くなり、データセットのサイズが大きくなります。この研究では、データ取得中に180度にわたって1,025の角度を使用します。

テキストプロトコルに記載されているように、スキャンモードと明視野画像と暗視野画像の数を選択した後、再構成された画像の大きな欠陥を避けるために、サンプルが明視野画像に存在しないように十分に平行移動していることを確認します。ここでは、15枚の暗視野画像と15枚の明視野画像を取得します。タイリングが必要かどうかを判断した後、データ集録コンピュータでスキャンを実行します。

スキャンは、入力された設定に基づいて自動的に実行されます。ここに示されているのは、8.7ミクロンの解像度と3分のスキャン時間で画像化されたパッケージ内のフィールドプログラマブルゲートアレイシステム全体の3Dレンダリングです。パッケージの領域を拡大して見ると、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ・サブストレートの1つのコーナーと回路基板の相互接続が見えます。

3つの異なるインターコネクトレベルの3Dボリュームレンダリングは、8.7ミクロンの解像度でシステム全体をパッケージに示しています。ここでは、垂直にスキャンされたCPU色素パッケージの3D再構築画像を示し、第1レベルの相互接続と中間レベルの相互接続はんだ接続を示しています。2D再構築されたスライスの領域を拡大したところ、意図的な熱応力試験中に大きな中央の空隙と亀裂が生じた中レベルの相互接続はんだボールが示されています。

この動画は、マイクロエレクトロニクスパッケージを横向きに撮影したトモグラフィー画像です。16 x 16 平方ミリメートル パッケージの 3D ボリューム レンダリングは、さまざまな視点から示しています。ここでは、ムービーはさまざまな断面図をパンして、パッケージ内からの内部情報を表示します。

トモグラフィーが、特にテーブルトップCTシステムと比較して、より速いスループット時間で大きなサンプルサイズに対応する能力は、半導体業界にとって最も重要です。この技術により、亀裂、ボイド、層間剥離、欠陥などの非破壊定量化が可能になります。この方法は、マイクロエレクトロニクス業界向けのはんだ接合相互接続に関する洞察を提供するのに非常に役立ちます。

ただし、金属合金、複合材料、生体材料、有機物、積層造形部品など、幅広い材料システムにも適用できます。放射光マイクロトモグラフィーでイメージングできる材料や体積は多岐にわたりますが、ALSシンクロトロン施設では利用可能なエネルギー範囲に制限があります。具体的には、高密度材料は、サンプルを十分に透過させる必要があるため、非常に薄いサンプルサイズに制限されます。

実験セットアップ中の最も重要なステップの1つは、光学系の安定した取り付けと焦点合わせです。これらの手順は、データの定量化に使用できる高品質の画像を取得するために不可欠です。具体的には、サンプルがわずかに動くだけで再構成画像にアーティファクトが発生し、ピント合わせによって解像度が劣化します。

画質の問題を回避するには、次のサンプルのスキャン中に同時に実行できるテスト画像を再構築します。この種の実験を試みる際には、サンプルの特性に応じてセットアップを変更し、実験手順の最適化についてビームラインの科学者と話し合うことが重要です。シンクロトロン放射線マイクロトモグラフィーの高解像度機能は、故障解析と組立プロセス開発の両方に貴重な情報を提供します。

シンクロトロン3D X線CTをマイクロエレクトロニクスパッケージに適用することで、信頼性試験や複雑なパッケージの故障検査など、3Dマイクロエレクトロニクスパッケージの等価性と信頼性に幅広い可能性が広がります。また、次世代のラボスケール3D X線CTの開発の方向性も提供します。