Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych

Eksperyment ten został zaprojektowany z myślą o wykorzystaniu mikrotomografii promieniowania synchrotronowego, która jest nieniszczącą techniką obrazowania trójwymiarowego, w celu zbadania złożonej próbki wielopoziomowej. Próbka, która jest tutaj obrazowana, to cały pakiet mikroelektroniczny o polu przekroju poprzecznego około 17 na 17 milimetrów. Jednak funkcje, które nas interesują, różnią się w skali długości od mikrometra do milimetra.

Główną zaletą tej techniki jest to, że może ona nieniszcząco ocenić pakiet mikroelektroniczny w skali mikrometrycznej z szybkim czasem pozyskiwania danych. Linia wiązki tomografii w Advanced Light Source w Berkeley w Kalifornii ma konfigurację, którą można dostosować w celu optymalizacji rozdzielczości i jakości obrazu w oparciu o właściwości próbki, takie jak objętość i gęstość. Wielkość próby jest jednak ograniczona do maksymalnego dopuszczalnego pola widzenia wynoszącego 36 na 36 milimetrów.

Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie półprzewodników. Na przykład może być używany do analizowania pakietów elektronicznych i identyfikowania awarii za pomocą testu niezawodności podczas opracowywania procesu, a także do zapewnienia elastyczności eksperymentalnej lub sposobu, w jaki źródło promieniowania rentgenowskiego może szybko wykrywać defekty w złożonych pakietach mikroelektronicznych nowej generacji. Przygotuj próbkę do skanowania, montując ją na uchwycie na próbkę zaprojektowaną tak, aby pasowała do stolika obrotowego linii wiązki.

W przypadku próbek, które nie mają niestandardowego mocowania, przyklej próbkę do słupka lub uchwytu wiertarskiego za pomocą gliny lub wosku. Przed załadowaniem próbki na stolik rotacyjny wewnątrz klatki znajduje się symulowany etap rotacji w trybie offline, który służy do wyrównania próbki. Oględziny środka obrotu są zwykle wystarczające do wyrównania.

Zamontuj próbkę przymocowaną do uchwytu na próbkę wewnątrz klatki. Po zamontowaniu próbki w klatce, dwa ortogonalne silniki centrujące umożliwiają ustawienie próbki względem środka obrotu. Wybierz powiększenie skanu w oparciu o wielkość próbki i rozmiar obiektu, który Cię interesuje.

Ponieważ zeskanowana tutaj próbka ma 22,6 milimetra w najdłuższym kierunku, wybierz obiektyw 1X z punktem PCO 4 000. Ta kombinacja daje największe pole widzenia próbki. Wynikowy rozmiar piksela to 8,7 mikrona.

Ustaw energię promieniowania rentgenowskiego lub przełącz się na wiązkę polichromatyczną za pomocą komputera sterującego linią wiązki. Aby uzyskać najlepszą jakość obrazu, oprzyj wybór energii na ukierunkowaniu na około 30% transmisji, którą można zmierzyć na komputerze akwizycji danych. Ogólnie rzecz biorąc, procentowa transmisja wzrasta wraz ze wzrostem energii.

W przypadku pakietu mikroelektronicznego wybierz światło białe ze względu na grubość i materiał opakowania. Korzystając z trybu światła białego, dodaj dwa do czterech filtrów metalowych, aluminiowych i miedzianych zgodnie z wiązką promieniowania rentgenowskiego, aby odfiltrować promieniowanie rentgenowskie o niższej energii. Do tej próbki użyj dwóch arkuszy miedzianych o łącznej grubości około 1,2 milimetra.

Następnie sprawdź, czy środek obrotu stołu montażowego jest wyrównany ze środkiem kamery. Aby sprawdzić, czy próbka jest wyrównana, obróć ją o 180 stopni za pomocą oprogramowania na komputerze sterującym linią wiązki i wizualnie obserwuj zmianę lokalizacji próbki, przeglądając zdjęcia rentgenowskie na komputerze. Kontroluj zmiany wyrównania na tym samym komputerze.

Ustaw odległość próbki do detektora dla skanowania. Kamera znajduje się na stoliku translacyjnym, który może poruszać się w poziomie i służy do zmiany odległości próbki na detektor. Wraz ze wzrostem odległości zwiększa się również udział kontrastu twarzy.

Wprowadź żądany zakres kątowy i liczbę obrazów do zebrania w tym zakresie. Im więcej wybranych kątów, tym dłuższy czas skanowania i większy rozmiar zestawu danych. W tym badaniu użyj kątów 1 025 w zakresie 180 stopni podczas pozyskiwania danych.

Po wybraniu trybu skanowania i liczby obrazów w jasnym i ciemnym polu zgodnie z opisem w protokole tekstowym, należy sprawdzić, czy próbka jest przesunięta na tyle daleko, aby nie była obecna na obrazie w jasnym polu, aby uniknąć dużych defektów w zrekonstruowanych obrazach. Tutaj uzyskaj 15 obrazów ciemnego pola i 15 obrazów jasnego pola. Po ustaleniu, czy kafelkowanie jest konieczne, uruchom skanowanie na komputerze do zbierania danych.

Skanowanie zostanie uruchomione automatycznie na podstawie wprowadzonych ustawień. Pokazano tutaj renderowanie 3D całego programowalnego systemu macierzy bramek w pakiecie, zobrazowane z rozdzielczością 8,7 mikrona i czasem skanowania wynoszącym trzy minuty. Powiększony widok obszaru pakietu pokazuje jeden róg programowalnego w terenie podłoża macierzy bramek i połączeń między płytkami drukowanymi.

Renderowanie objętości 3D trzech różnych poziomów połączeń pokazuje cały system w pakiecie o rozdzielczości 8,7 mikrona. Tutaj pokazano zrekonstruowany w 3D obraz pionowo zeskanowanego pakietu barwnika procesora z połączeniami lutowanymi pierwszego poziomu i interkonektem średniego poziomu. Powiększony obszar zrekonstruowanego wycinka 2D pokazuje kulkę lutowniczą średniego poziomu z dużą pustką środkową i pęknięciami powstałymi podczas celowych testów naprężeń termicznych.

Ten film przedstawia obrazy tomograficzne pakietu mikroelektronicznego zobrazowane w orientacji poziomej. Renderowanie objętości 3D pakietu o wymiarach 16 na 16 milimetrów kwadratowych pokazuje to z różnych perspektyw. W tym miejscu film przesuwa się przez różne widoki przekrojowe, aby pokazać wewnętrzne informacje z wnętrza pakietu.

Zdolność tomografii do przyjmowania dużych rozmiarów próbek przy krótszym czasie wprowadzania danych, zwłaszcza w porównaniu z stołowymi systemami tomografii komputerowej, ma ogromne znaczenie dla przemysłu półprzewodników. Technika ta umożliwia nieniszczącą kwantyfikację pęknięć, pustek, rozwarstwień, defektów i wielu innych. Ta metoda jest bardzo przydatna w dostarczaniu wglądu w połączenia lutowane dla przemysłu mikroelektronicznego.

Jednak może być również stosowany do szerokiej gamy systemów materiałowych, takich jak stopy metali, kompozyty, biomateriały, substancje organiczne i komponenty wytwarzane przyrostowo. Chociaż istnieje szeroki zakres materiałów i objętości, które można zobrazować za pomocą mikrotomografii promieniowania synchrotronowego, istnieją ograniczenia wynikające z dostępnego zakresu energii w ośrodku synchrotronowym ALS. W szczególności materiały o dużej gęstości są ograniczone do bardzo cienkich rozmiarów próbek ze względu na potrzebę uzyskania wystarczającej transmisji promieniowania rentgenowskiego przez próbkę.

Jednym z najbardziej krytycznych etapów podczas konfiguracji eksperymentalnej jest stabilny montaż i ogniskowanie optyki. Kroki te są niezbędne do uzyskania wysokiej jakości obrazów, które można wykorzystać do ilościowego określenia danych. W szczególności nawet niewielki ruch próbki powoduje artefakty w zrekonstruowanym obrazie, a ogniskowanie powoduje pogorszenie rozdzielczości.

Aby uniknąć problemów z jakością obrazu, zrekonstruuj obraz testowy, który może odbywać się jednocześnie, podczas skanowania następnej próbki. Podczas prób tego typu eksperymentu ważne jest, aby zmodyfikować konfigurację w zależności od właściwości próbki i porozmawiać z naukowcem zajmującym się linią wiązki na temat optymalizacji procedur eksperymentalnych. Zdolność mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do wysokiej rozdzielczości dostarcza cennych informacji zarówno do analizy awarii, jak i opracowywania procesu montażu.

Zastosowanie synchrotronowej tomografii rentgenowskiej 3D do pakietu mikroelektronicznego otwiera szeroki wachlarz możliwości w zakresie równości i niezawodności pakietów mikroelektronicznych 3D, w tym testy niezawodności, inspekcję uszkodzeń w złożonych pakietach. Wskazuje również kierunki rozwoju rentgenowskiej tomografii komputerowej 3D nowej generacji w skali laboratoryjnej.