Name: Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-04-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 46 s
Description: Poznaj mikrotomografię promieniowania synchrotronowego do nieniszczącej analizy pakietów mikroelektronicznych. Ta metoda umożliwia szybkie uzyskanie obrazów 3D o wysokiej rozdzielczości.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Część LLNL tej pracy została wykonana pod auspicjami Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych przez Lawrence Livermore National Laboratory na podstawie umowy DE-AC52-07NA27344. Autorzy Intel Corporation chcieliby podziękować Pilinowi Liu, Liang Hu, Williamowi Hammondowi i Carlosowi Orduno z Intel Corporation za zebranie danych i pomocne dyskusje. Zaawansowane źródło światła jest wspierane przez dyrektora Biura Nauki w Biurze Podstawowych Nauk Energetycznych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie umowy nr 1. DE-AC02-05CH11231.

Uwaga: Opisane poniżej szczegóły protokołu zostały napisane specjalnie dla pracy na linii badawczej 8.3.2 w ALS, Berkeley, CA. Adaptacje mogą być wymagane do pracy w innych obiektach synchrotronowych, które można znaleźć na całym świecie. Do prowadzenia eksperymentów w tych obiektach wymagane jest odpowiednie szkolenie w zakresie bezpieczeństwa i promieniowania, a wytyczne dotyczące szkolenia można znaleźć na stronie internetowej każdego ośrodka synchrotronowego. Wszelkie zmiany lub aktualizacje protokołu tomografii (ALS, LBNL, Berkeley, CA) można znaleźć w instrukcji15 linii badawczej. Szczegółowe informacje na temat procesu tomografii można znaleźć w piśmiennictwie16. Naukowcy pracujący na linii badawczej są dostępni, aby odpowiedzieć na wszelkie pytania i ułatwić przygotowanie eksperymentu.
1. Etapy wykonywania tomografii na linii badawczej 8.3.2 (ALS, LBNL)
<ol>
	<li>Przygotuj próbkę do skanowania, montując ją na uchwycie na próbkę zaprojektowaną tak, aby pasowała do etapu obrotowego linii badawczej. W przypadku próbek, które nie mają niestandardowego mocowania, przyklej próbkę do słupka lub uchwytu wiertarskiego za pomocą gliny lub wosku. 
	Uwaga: Próbka zeskanowana w tym badaniu była opakowaniem mikroelektronicznym o wymiarach 16 x 16 mm i wysokości zaledwie ~3 mm. W celu zmieszczenia całego opakowania w polu widzenia, próbka została zamontowana poziomo za pomocą gliny dostarczonej na linii badawczej.
	<ol>
		<li>Wyrównaj próbkę tak, aby podczas obrotu o 180 stopni pozostała w polu widzenia. Przed załadowaniem próbki na stolik rotacyjny wewnątrz klatki znajduje się symulowany stolik rotacji offline, który służy do wyrównania próbki. Oględziny środka obrotu są zwykle wystarczające do wyrównania.</li>
		<li>Zamontuj próbkę przymocowaną do uchwytu na próbkę wewnątrz klatki. Po zamontowaniu próbki w klatce, dwa ortogonalne silniki centrujące umożliwiają ustawienie próbki względem środka obrotu. 
		Uwaga: Czasami konieczne jest przygotowanie próbki przed czasem eksperymentu, aby upewnić się, że rozmiar próbki jest prawidłowy dla żądanej rozdzielczości. Na przykład niektóre pakiety mikroelektroniczne o wymiarach 16 x 16 mm zostały pocięte na mniejsze części w celu dalszego skanowania w wysokiej rozdzielczości. Wielkość próby można określić za pomocą tabel 1 i 2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wybierz powiększenie skanu w oparciu o wielkość próbki i rozmiar obiektu, który Cię interesuje. Beamline 8.3.2 posiada kilka soczewek do wyboru, które wytwarzają obrazy o różnych rozmiarach pikseli od 0,35 - 9 μm. W zależności od powiększenia, próbka musi mieć odpowiednią powierzchnię przekroju poprzecznego, ponieważ pole widzenia zmniejsza się wraz ze wzrostem powiększenia.
	<ol>
		<li>Ponieważ skanowana tutaj próbka ma 22,6 mm w najdłuższym kierunku, wybierz obiektyw 1X z PCO.4,000, jak pokazano w tabelach 1 i 2, ta kombinacja daje największe pole widzenia próbki. Wynikowy rozmiar piksela wynosi 8,7 μm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ustaw energię promieniowania rentgenowskiego lub przełącz się na wiązkę polichromatyczną za pomocą komputera sterującego linią badawczą. Zakres energii promieniowania rentgenowskiego na linii 8.3.2 jest ciągły od 4-80 keV, ale zamontowany wielowarstwowy monochromator ogranicza zakres energii do ~7-43 keV, podczas gdy strumień szczytowy występuje przy ~12 keV. Aby uzyskać najlepszą jakość obrazu, oprzyj wybór energii na ukierunkowaniu na transmisję ~30%, którą można zmierzyć na komputerze akwizycji danych. Ogólnie rzecz biorąc, %Transmission wzrasta wraz ze wzrostem energii.
	<ol>
		<li>W przypadku pakietu mikroelektronicznego "wybierz białe" światło ze względu na grubość i materiał opakowania. 
		Uwaga: Instrukcja obsługi linii badawczej 8.3.2 zawiera szczegółowe instrukcje dotyczące przełączania pomiędzy trybem "białym" a monochromatycznym.</li>
		<li>Korzystając z trybu "białego" światła, dodaj 2-4 filtry metalowe, aluminiowe i miedziane zgodnie z wiązką promieniowania rentgenowskiego, aby odfiltrować promieniowanie rentgenowskie o niższej energii. Do tej próbki użyj 2 blach miedzianych o łącznej grubości ~1,2 mm.</li>
		<li>Oblicz transmisję przez próbkę z wyprzedzeniem, używając: 
		http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html lub http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ lub http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb.php. Na przykład wprowadzenie wzoru chemicznego i szacowanej grubości próbki spowoduje wyświetlenie wykresu przedstawiającego procentową transmisję w funkcji zakresu energii.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Sprawdź, czy środek obrotu stołu montażowego jest wyrównany ze środkiem kamery. Aby sprawdzić, czy próbka jest wyrównana, należy obrócić ją o 180 stopni za pomocą oprogramowania na Komputerze Sterującym Linią Badawczą i wizualnie obserwować zmianę położenia próbki poprzez przeglądanie zdjęć rentgenowskich na komputerze. Kontroluj zmiany wyrównania na tym samym komputerze. Jakość obrazu pogarsza się, gdy wyrównanie próbki jest na tyle nieprawidłowe, że obszary próbki opuszczają pole widzenia podczas rotacji próbki.</li>
	<li>Ręcznie ustaw odległość próbki od detektora do skanowania. Kamera znajduje się na stoliku translacyjnym, który może poruszać się w poziomie, co służy do zmiany odległości próbki na detektor. Wraz ze wzrostem odległości zwiększa się również udział kontrastu fazowego. Efekty fazowe są pomocne w łatwiejszym obrazowaniu subtelnych pęknięć i krawędzi, ale także powodują inne artefakty "efektu aureoli", które często są niepożądane.</li>
	<li>Sprawdź wyrównanie linii badawczej. Sprawdź ostrość obrazu i w razie potrzeby wyreguluj silnik ostrości. Upewnij się, że kalibracja rozmiaru piksela jest poprawna, przesuwając próbkę o określoną wartość i mierząc liczbę pikseli, które próbka przesunęła w celu obliczenia μm/piksel. Rozmiar woksela będzie się zmieniał w zależności od konfiguracji eksperymentalnej.
	<ol>
		<li>Sprawdź, czy podczas przesuwania się obrazu w poziomie, elementy obrazu są śledzone poziomo wzdłuż stałego piksela, a jeśli nie, dostosuj silnik nachylenia aparatu tak, aby tak było. Powoduje to wyrównanie osi obrotu tak, aby była równoległa do kolumn pikseli, czyli wyrównania przyjętego później przez algorytmy rekonstrukcji.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wybierz czas naświetlania dla każdego zdjęcia rentgenowskiego. Zakres czasu naświetlania wynosi 1-1 500 ms, a wybór zależy od energii skanowania i rozdzielczości (która określa obserwowany strumień na element rozdzielczości). Wybrany czas powinien zapewniać kompromis między najszybszym czasem skanowania a skanowaniem z większą liczbą zliczeń, a tym samym najlepszym stosunkiem sygnału do szumu.
	<ol>
		<li>W przypadku pakietu mikroelektronicznego należy użyć czasu skanowania próbki wynoszącego 100 ms na ekspozycję. 
		Uwaga: Upewnij się, że nie ma nasyconych pikseli lub co najmniej mniej niż zalecana wartość docelowa wynosząca 100. System sterowania jest ustawiony tak, aby wyświetlał liczbę kamer na przeliczonej skali, tak aby maksymalna liczba zliczeń każdej kamery wynosiła 65 535.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skonfiguruj parametry skanowania za pomocą komputera do akwizycji danych.
	<ol>
		<li>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. Typowe liczby kątów to 513, 1,025 i 2,049 w zakresie 0-180 stopni. W tym badaniu użyj 1,025 kątów powyżej 180 stopni podczas pozyskiwania danych.</li>
		<li>Wybierz tryb skanowania. Dwie opcje trybu skanowania to 1) normalna i 2) ciągła tomografia. Preferowany jest tryb ciągły, ponieważ zapewnia najkrótszy czas skanowania, ~3 min. W tym trybie stolik obrotu porusza się w sposób ciągły w miarę zbierania obrazów. W trybie normalnym etap obrotu zatrzymuje się pod każdym kątem, a następnie zbierany jest obraz.</li>
		<li>Określ liczbę obrazów w jasnym i ciemnym polu. Obrazy jasnego i ciemnego pola są niezbędne do wykonania rekonstrukcji. W przypadku obrazów w ciemnym polu migawki zamykają się, a w przypadku obrazów w jasnym polu lub tła próbki przesuwają się poza pole widzenia. 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.</li>
		<li>Określ, czy kafelkowanie jest konieczne. Jeśli próbka jest wyższa niż pole widzenia, dostępna jest opcja kafelkowania, która zeskanuje próbkę, a następnie przesunie ją w pionie, aż cała próbka zostanie przechwycona.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uruchom skanowanie na komputerze do pozyskiwania danych. Skanowanie zostanie uruchomione automatycznie na podstawie wprowadzonych ustawień.</li>
</ol>
2. Kroki do wykonania przetwarzania danych tomograficznych
<ol>
	<li>Przesyłanie danych do komputera analitycznego dostępnego na linii badawczej w celu przeprowadzenia rekonstrukcji i filtrowania zbioru danych za pomocą protokołu linii badawczej. Rekonstrukcja może przebiegać niezależnie od akwizycji danych. 
	Uwaga: Dane są automatycznie przesyłane do NERSC, komputera o wysokiej wydajności, gdzie są przetwarzane i rekonstruowane. Użytkownicy mogą założyć konto w NERSC, aby uzyskać dostęp do swoich danych za pośrednictwem portalu internetowego SPOT Suite pod adresem spot.nersc.gov. Ten portal jest nadal w trybie rozwoju, więc wielu użytkowników woli mieć większą kontrolę nad parametrami rekonstrukcji, w takim przypadku postępują zgodnie z pozostałymi krokami.</li>
	<li>Zrekonstruuj surowe obrazy, wykonując następujące kroki: 1) znormalizuj obrazy, 2) utwórz stos sinogramów, 3) zastosuj usuwanie pierścieni/filtry i 4) wykonaj równoległą rekonstrukcję wiązki. Rekonstrukcja opiera się na algorytmie projekcji wstecznej z filtrem. W wyniku procesu rekonstrukcji powstają obrazy TIFF, które zawierają informacje o lokalizacji i intensywności każdego piksela składającego się na objętość próbki. Schemat całego procesu przedstawiono na rysunku 2.
	<ol>
		<li>Aby uzyskać dostęp do wtyczki, uruchom FIJI (co jest akronimem od Fiji Is Just ImageJ) i wybierz menu Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming, jak pokazano poniżej. Użytkownik w placówce ALS może przeprowadzić cały proces rekonstrukcji za pomocą niestandardowej wtyczki do ImageJ/Fiji, która integruje kilka pakietów oprogramowania zaprojektowanych w celu usprawnienia procesu rekonstrukcji. 
		Uwaga: Fiji i wtyczka są dostępne do użytku na wielu komputerach analitycznych Beamline 8.3.2.</li>
		<li>Po otwarciu okna dialogowego FIJI, jak pokazano poniżej, wybierz plik raw przeznaczony do rekonstrukcji. Stos surowych, jasnych i ciemnych obrazów powinien być teraz załadowany.</li>
		<li>Znajdź środek obrotu, klikając "Wykryj środek obrotu", a następnie, aby zobrazować zrekonstruowany obraz, wybierz "Podgląd rekonstrukcji". Wartość środka obrotu można również wprowadzić ręcznie i wyświetlić podgląd.</li>
		<li>Za pomocą tego interfejsu istnieje możliwość zmiany parametrów usuwania pierścienia, typu obrazu (8, 16 lub 32 bity), zakresu pikseli, kąta obrotu obrazów oraz zdefiniowania przyciętego regionu. Każdy nowy zestaw parametrów można zwizualizować za pomocą przycisku "Podgląd rekonstrukcji".</li>
		<li>Po wybraniu parametrów zrekonstruuj cały stos obrazów, wybierając opcję "uruchom". Wszystkie kolejne pliki danych można znaleźć w określonym "Katalogu wyjściowym", domyślny katalog będzie znajdował się w pliku wyjściowym w folderze nieprzetworzonych danych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Uzyskaj dostęp do surowych danych ze skanów tomograficznych z dowolnego komputera, przechodząc do strony internetowej http://spot.nersc.gov/, która jest serwerem NERSC (superkomputer LBNL) za pośrednictwem portalu SPOT. 
	Uwaga: Każdy badacz musi mieć własne konto NERSC, aby uzyskać dostęp do określonych zestawów danych. Użytkownik może założyć konto w https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. Na linii badawczej każda grupa badawcza ma przypisane konto linii badawczej. Konto to służy do uzyskiwania dostępu do komputerów linii badawczych, a także może być używane do uzyskiwania dostępu do danych bezpośrednio z serwera linii za pomocą Globus Online.</li>
	<li>Wizualizuj dane zarówno w 3D, jak i 2D, ładując stos zrekonstruowanych obrazów 2D do dowolnego oprogramowania do analizy 3D. Prezentowane tu próbki i obrazy wykorzystują oprogramowanie Avizo do przeprowadzenia analizy i wizualizacji, które jest dostępne dla użytkowników linii badawczej na dowolnym komputerze analitycznym linii badawczej 8.3.2.</li>
	<li>Po przesłaniu zestawu danych do oprogramowania do wizualizacji należy przeprowadzić dalszą analizę danych, aby uzyskać ilościowe informacje na temat określonych cech w próbce. Często zestawy danych są próbkowane w dół w celu zmniejszenia rozmiaru danych wyjściowych. Może to jednak zwiększyć rozmiar woksela, zmniejszając wierność, ale wygładzić widok obrazu w celu łatwiejszej segmentacji.
	<ol>
		<li>Wybierz interesujące Cię obiekty segmentu, progując histogram stosu zrekonstruowanych w 2D plasterków i przypisując nową wartość piksela do pikseli, które mieszczą się w określonym zakresie.</li>
		<li>Wizualizacja podzielonych na segmenty objętości i powierzchni. Po segmentacji obiekty są wyświetlane w 3D za pomocą Avizo lub dowolnego preferowanego oprogramowania do wizualizacji. Pozwala to na renderowanie powierzchni 3D określonych cech, takich jak kulki lutownicze w określonym obszarze zainteresowania.</li>
		<li>Określ ilościowo cechy w próbce, tj. rozmiar pęknięcia, przelotki, porowatość, defekty itp. Po zidentyfikowaniu interesującej cechy, takiej jak przelotka lub pęknięcie, cecha może zostać podzielona na segmenty, a informacje wolumetryczne dotyczące szerokości pęknięcia, długości, objętości przelotki, rozkładu porowatości można określić ilościowo, oceniając zestaw danych tomograficznych.</li>
		<li>Utwórz film przedstawiający próbkę pokazującą próbkę w różnych orientacjach. Film 1 przedstawia przykłady różnych widoków przekrojów poprzecznych i widoków renderowania objętości dla pakietu mikroelektronicznego zobrazowanych w orientacji poziomej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Tian, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+X-ray+microtomography+study+of+3-D+void+growth+induced+by+electromigration+in+eutectic+SnPb+flip-chip+solder+joints%5BTitle%5D)+AND+%22Scr.+Mater%22%5BJournal%5D)">Quantitative X-ray microtomography study of 3-D void growth induced by electromigration in eutectic SnPb flip-chip solder joints.</a> Scr. Mater. 65, 646-649 (2011).</li>
<li>Tian, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+diagnosis+of+electromigration+induced+failure+time+of+Pb-free+flip+chip+solder+joints+by+high+resolution+synchrotron+radiation+laminography%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rapid diagnosis of electromigration induced failure time of Pb-free flip chip solder joints by high resolution synchrotron radiation laminography.</a> Appl. Phys. Lett. 99, 082114(2011).</li>
<li>Lee, A., Liu, W., Ho, C. E., Subramanian, K. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synchrotron+x-ray+microscopy+studies+on+electromigration+of+a+two-phase+material%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Synchrotron x-ray microscopy studies on electromigration of a two-phase material.</a> J. Appl. Phys. 102, 053507(2007).</li>
<li>Sarobol, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+local+grain+misorientation+and+%CE%B2-Sn+elastic+anisotropy+on+whisker+and+hillock+formation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Res%22%5BJournal%5D)">Effects of local grain misorientation and β-Sn elastic anisotropy on whisker and hillock formation.</a> J. Mater. Res. 28, 747-756 (2013).</li>
<li>Sarobol, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recrystallization+as+a+nucleation+mechanism+for+whiskers+and+hillocks+on+thermally+cycled+Sn-alloy+solder+films%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Lett%22%5BJournal%5D)">Recrystallization as a nucleation mechanism for whiskers and hillocks on thermally cycled Sn-alloy solder films.</a> Mater. Lett. 99, 76-80 (2013).</li>
<li>Elmer, J., Specht, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+Sn+and+In+Solidification+Undercooling+and+Lattice+Expansion+Using+In+Situ+X-Ray+Diffraction%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electron.+Mater%22%5BJournal%5D)">Measurement of Sn and In Solidification Undercooling and Lattice Expansion Using In Situ X-Ray Diffraction.</a> J. Electron. Mater. 40, 201-212 (2011).</li>
<li>Elmer, J., Specht, E., Kumar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microstructure+and+In+Situ+Observations+of+Undercooling+for+Nucleation+of+%CE%B2-Sn+Relevant+to+Lead-Free+Solder+Alloys%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electron.+Mater%22%5BJournal%5D)">Microstructure and In Situ Observations of Undercooling for Nucleation of β-Sn Relevant to Lead-Free Solder Alloys.</a> J. Electron. Mater. 39, 273-282 (2010).</li>
<li>Gourlay, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+investigation+of+unidirectional+solidification+in+Sn-0.7Cu+and+Sn-0.7Cu-0.06Ni%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Mater%22%5BJournal%5D)">In situ investigation of unidirectional solidification in Sn-0.7Cu and Sn-0.7Cu-0.06Ni.</a> Acta Mater. 59, 4043-4054 (2011).</li>
<li>Ma, H. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+study+on+growth+behavior+of+Ag3Sn+in+Sn-3.5Ag%2FCu+soldering+reaction+by+synchrotron+radiation+real-time+imaging+technology%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Alloys+Compd%22%5BJournal%5D)">In-situ study on growth behavior of Ag3Sn in Sn-3.5Ag/Cu soldering reaction by synchrotron radiation real-time imaging technology.</a> J. Alloys Compd. 537, 286-290 (2012).</li>
<li>Zhou, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Situ+Synchrotron+Characterization+of+Melting%2C+Dissolution%2C+and+Resolidification+in+Lead-Free+Solders%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electron.+Mater%22%5BJournal%5D)">In Situ Synchrotron Characterization of Melting, Dissolution, and Resolidification in Lead-Free Solders.</a> J. Electron. Mater. 41, 262-272 (2012).</li>
<li>Elmer, J., Specht, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-Situ+X-Ray+Diffraction+Observations+of+Low-Temperature+Ag-Nanoink+Sintering+and+High-Temperature+Eutectic+Reaction+with+Copper%5BTitle%5D)+AND+%22Metall.+Mater.+Trans.+A%22%5BJournal%5D)">In-Situ X-Ray Diffraction Observations of Low-Temperature Ag-Nanoink Sintering and High-Temperature Eutectic Reaction with Copper.</a> Metall. Mater. Trans. A. 43, 1528-1537 (2012).</li>
<li>Li, Y., Moore, J. S., Pathangey, B., Dias, R. C., Goyal, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lead-Free+Solder+Joint+Void+Evolution+During+Multiple+Subsequent+High-Temperature+Reflows%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Device+Mater.+Rel%22%5BJournal%5D)">Lead-Free Solder Joint Void Evolution During Multiple Subsequent High-Temperature Reflows.</a> IEEE Trans. Device Mater. Rel. 12, 494-500 (2012).</li>
<li>Elmer, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synchrotron+Radiation+Microtomography+for+Large+Area+3D+Imaging+of+Multilevel+Microelectronic+Packages%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electron.+Mater%22%5BJournal%5D)">Synchrotron Radiation Microtomography for Large Area 3D Imaging of Multilevel Microelectronic Packages.</a> J. Electron. Mater. 43, 4421-4427 (2014).</li>
<li>Li, Y., et al. High Resolution and Fast Throughput-time X-ray Computed Tomography for Semiconductor Packaging Applications. Proceedings of the 64th IEEE Electronic.Components and Technology Conference (ECTC). , 1457-1463 (2014).</li>
<li>McElrone, A. J., Choat, B., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Brodersen, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+High+Resolution+Computed+Tomography+to+Visualize+the+Three+Dimensional+Structure+and+Function+of+Plant+Vasculature%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Using High Resolution Computed Tomography to Visualize the Three Dimensional Structure and Function of Plant Vasculature.</a> J Vis Exp. , e50162(2013).</li>
<li>Kinney, J. H., Nichols, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-Ray+Tomographic+Microscopy+%28XTM%29+Using+Synchrotron+Radiation%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Mater.+Sci%22%5BJournal%5D)">X-Ray Tomographic Microscopy (XTM) Using Synchrotron Radiation.</a> Annu. Rev. Mater. Sci. 22, 121-152 (1992).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Wszystkie kroki opisane w sekcji protokołu mają kluczowe znaczenie dla uzyskania obrazów o wysokiej rozdzielczości próbek wieloskalowych i wielomateriałowych. Jednym z najbardziej krytycznych etapów jest montaż próbki i ogniskowanie optyki, które są niezbędne do uzyskania wysokiej jakości obrazów, które można wykorzystać do oceny ilościowej. W szczególności nawet niewielki ruch próbki spowodowałby artefakty w zrekonstruowanym obrazie, a rozmycie spowodowałoby pogorszenie rozdzielczości. Aby uniknąć problemów z jakością o...

W dziedzinie mikroelektroniki, podobnie jak w wielu innych dziedzinach, przy charakteryzowaniu próbek konieczna jest nieniszcząca ocena w skali mikrometrycznej. Szczególnie w przemyśle mikroelektronicznym istnieje zainteresowanie sondowaniem obudów mikroelektronicznych 3D, zawierających wiele poziomów i wielu materiałów, oraz identyfikowaniem uszkodzeń w pakietach podczas naprężeń termicznych, elektrycznych i mechanicznych komponentów. Na całym świecie ośrodki promieniowania synchrotronowego posiadają wyznaczone linie tomografii i dyfrakcji, które służą do analizy uszkodzeń pakietów mikroelektronicznych. Przykładami tego są obrazowanie powstawania pustek spowodowanych elektromigracją1-3, ocena mechanizmów wzrostu wiskerów cyny4,5, obserwacje in situ niedochłodzenia i anizotropowej rozszerzalności cieplnej cyny i związków międzymetalicznych (IMC)6,7, obserwacja in situ krzepnięcia i tworzenia IMC8-10, anizotropowe zachowanie mechaniczne i rekrystalizacja lutów bezcynowych i ołowiowych10, puste przestrzenie w wybrzuszeniach flip chip oraz obserwacje in situ spiekania Ag-nanotuszu11. Wszystkie te badania przyczyniły się do dalszego pogłębienia wiedzy i rozwoju komponentów w przemyśle mikroelektronicznym. Jednak wiele z tych badań koncentrowało się na małych regionach w pakiecie. Więcej informacji można uzyskać podczas testowania i charakteryzowania pełnowymiarowego pakietu przy użyciu SRμT o wysokiej rozdzielczości w celu dalszego ich rozwoju.
Produkowane pakiety elektroniczne zawierają teraz wiele warstw połączeń. Te pakiety i urządzenia stają się coraz bardziej złożone, co wymaga rozwiązania 3D do nieniszczącej oceny w odniesieniu do analizy awarii, kontroli jakości, oceny ryzyka niezawodności i rozwoju. Niektóre defekty wymagają techniki, która może wykryć cechy o rozmiarze mniejszym niż 5 μm, w tym puste przestrzenie i pęknięcia tworzące się wewnątrz przelotek podłoża miedzianego, identyfikując bezdotykowe otwarte i niemokre pola lutownicze w opakowaniach wielopoziomowych12, lokalizując i określając ilościowo puste przestrzenie w układach siatek kulowych (BGA) i połączeniach lutowanych C4. Podczas procesu montażu podłoża tego typu wady muszą być identyfikowane i intensywnie monitorowane, aby uniknąć niepożądanych awarii.
Obecnie systemy tomografii komputerowej korzystające ze źródeł laboratoryjnych, znane również jako stołowe, są w stanie zapewnić nawet ~1 μm rozdzielczość przestrzenną i są używane do izolowania awarii w pakietach wielopoziomowych z obiecującymi wynikami. Jednak stołowe systemy tomografii komputerowej mają pewne ograniczenia w porównaniu z konfiguracjami SRμT13,14. Systemy stołowe są ograniczone do obrazowania tylko określonego zakresu gęstości materiałów, ponieważ zwykle zawierają tylko jedno lub dwa widma źródła promieniowania rentgenowskiego. Ponadto czas przetwarzania (TPT) jest długi w przypadku konwencjonalnych stacjonarnych systemów tomografii komputerowej, które wymagają kilku godzin czasu zbierania danych na obszar zainteresowania o powierzchni 1-2mm2, co może ograniczać jego użyteczność; na przykład analiza uszkodzeń w przelotkach krzemowych (TSV), układach BGA lub połączeniach C4 często wymaga uzyskania wielu pól widzenia (FoV) lub obszarów zainteresowania w wysokiej rozdzielczości w próbce, co skutkuje całkowitym TPT wynoszącym 8-12 godzin, co jest przeszkodą dla konwencjonalnych stołowych systemów tomografii komputerowej, gdy trzeba przeanalizować wiele próbek. Promieniowanie synchrotronowe zapewnia znacznie większy strumień i jasność niż konwencjonalne źródła promieniowania rentgenowskiego, co skutkuje znacznie szybszym czasem pozyskiwania danych dla danego obszaru zainteresowania. Chociaż SRμT pozwala na większą elastyczność w odniesieniu do rodzajów materiałów, które można obrazować, i objętości próbki, ma ograniczenia, które są specyficzne dla źródła synchrotronowego i użytej konfiguracji, w szczególności maksymalną akceptowalną grubość i wielkość próbki. W przypadku konfiguracji SRμT w ALS maksymalny obszar przekroju poprzecznego, który można zobrazować, wynosi <36 x 36 mm, a grubość jest ograniczona zakresem energii i dostępnym strumieniem oraz zależy od materiału.
To badanie służy do pokazania, jak SRμT może być wykorzystany do zobrazowania całego wielopoziomowego systemu w pakiecie (SIP) o wysokiej rozdzielczości i niskim TPT (3-20 min) do wykorzystania w kontroli pakietów półprzewodników 3D. Więcej szczegółów na temat porównania tomografów komputerowych z synchrotronowymi przekładnikami prądowymi można znaleźć w piśmiennictwie13,14.
Przegląd eksperymentu i linia badawcza 8.3.2 Opis: 
Na całym świecie dostępne są urządzenia synchrotronowe do eksperymentów tomograficznych; Większość z tych obiektów wymaga złożenia propozycji, w której eksperymentator opisuje eksperyment, a także jego wpływ naukowy. Wszystkie opisane tutaj eksperymenty zostały przeprowadzone w ALS w Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) na linii badawczej 8.3.2. Dla tej linii badawczej dostępne są dwie opcje trybu energii: 1) monochromatyczny w zakresie energii ~7-43 keV lub 2) polichromatyczne "białe" światło, gdzie przy skanowaniu materiałów o dużej gęstości wykorzystywane jest całe dostępne spektrum energii. Podczas typowego skanowania na linii badawczej 8.3.2 próbka jest montowana na stoliku rotacyjnym, gdzie promienie rentgenowskie przenikają przez próbkę, a następnie osłabione promienie rentgenowskie są przekształcane w światło widzialne przez scyntylator, powiększane przez soczewkę, a następnie rzutowane na matrycę CCD w celu rejestracji. Odbywa się to, gdy próbka obraca się od 0 do 180°, tworząc stos obrazów, który jest rekonstruowany w celu uzyskania widoku 3D próbki z rozdzielczością mikrometra. Wynikowy rozmiar zestawu danych tomograficznych waha się od ~3 do 20 Gb w zależności od parametrów skanowania. Rysunek 1 przedstawia schemat klatki, w której skanowana jest próbka.
Poniższy protokół opisany tutaj opisuje etapy eksperymentalnej konfiguracji, akwizycji danych i przetwarzania wymagane do obrazowania całego pakietu mikroelektronicznego, ale kroki mogą być modyfikowane w celu obrazowania różnych próbek. Modyfikacje zależą od wielkości próby, gęstości, geometrii i cech będących przedmiotem zainteresowania. Tabele 1 i 2 przedstawiają kombinacje rozdzielczości i wielkości próby dostępne na linii badawczej 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). W badanym tu pakiecie mikroelektronicznym próbka została zobrazowana za pomocą polichromatycznej ("białej") wiązki, która została wybrana ze względu na grubość i dużą gęstość składników próbki. Próbka została zamontowana w orientacji poziomej na uchwycie uchwytowym, taka orientacja pozwoliła na zmieszczenie całej próbki w wysokości wiązki, która jest równoległa o wysokości ~4 mm i szerokości ~40 mm, dzięki czemu wymagała tylko jednego skanowania, aby uchwycić całą próbkę.

<table><tbody><tr><td>Linia badawcza 8.3.2</td><td>Zaawansowane źródło światła, Berkeley, Kalifornia, USA</td><td></td><td>http://microct.lbl.gov/</td></tr></tbody></table>

wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Mikrotomografia promieniowania synchrotronowego (SRμT) to nieniszcząca technika obrazowania trójwymiarowego (3D), która oferuje wysoki strumień dla szybkiego pozyskiwania danych z wysoką rozdzielczością przestrzenną. W przemyśle elektronicznym istnieje poważne zainteresowanie przeprowadzaniem analizy awarii w pakietach mikroelektronicznych 3D, z których wiele zawiera wiele poziomów wzajemnych połączeń o dużej gęstości. Często w tomografii występuje kompromis między rozdzielczością obrazu a objętością próbki, którą można zobrazować. Ta odwrotna zależność ogranicza przydatność konwencjonalnych systemów tomografii komputerowej (CT), ponieważ pakiet mikroelektroniczny jest często duży w przekroju poprzecznym 100-3 600 mm2, ale ma ważne cechy w skali mikronowej. Linia badawcza do mikrotomografii w Advanced Light Source (ALS) w Berkeley w Kalifornii w USA ma konfigurację, którą można dostosować do właściwości próbki, tj. gęstości, grubości itp., o maksymalnym dopuszczalnym przekroju 36 x 36 mm. Ta konfiguracja ma również możliwość bycia monochromatycznym w zakresie energii ~7-43 keV lub pracującym z maksymalnym strumieniem w trybie światła białego przy użyciu wiązki polichromatycznej. Poniżej przedstawiono szczegółowe informacje na temat etapów eksperymentalnych podjętych w celu zobrazowania całego systemu 16 x 16 mm w pakiecie, w celu uzyskania obrazów 3D systemu o rozdzielczości przestrzennej 8,7 μm, a wszystko to w czasie skanowania krótszym niż 3 minuty. Pokazane są również wyniki z pakietów zeskanowanych w różnych orientacjach oraz pakiet podzielony na sekcje w celu obrazowania o wyższej rozdzielczości. W przeciwieństwie do tego, konwencjonalny system tomografii komputerowej potrzebowałby wielu godzin, aby zarejestrować dane z potencjalnie gorszą rozdzielczością. Rzeczywiście, stosunek pola widzenia do czasu przepustowości jest znacznie wyższy w przypadku korzystania z zestawu tomografii promieniowania synchrotronowego. Poniższy opis konfiguracji eksperymentalnej może być zaimplementowany i dostosowany do użytku z wieloma innymi materiałami wielomateriałowymi.

Obrazy zarejestrowane za pomocą tomografii powstają dzięki różnicowemu pochłanianiu promieni rentgenowskich w połączeniach lutowniczych, ścieżkach metalicznych i innych materiałach w obudowie mikroelektronicznej, w zależności od różnych długości tłumienia i grubości tych wielu materiałów. Obudowa SIP składała się z krzemowego rdzenia przytwierdzonego do ceramicznej podłoża za pomocą kul lutowniczych C4 flip chip pierwszego poziomu połączeń (FLI) o średnicy około 80 µm; kul lutowniczych drugiego poziomu połączeń (MLI) o ś...

W tym badaniu mikrotomografia promieniowania synchrotronowego, nieniszcząca technika obrazowania trójwymiarowego, jest wykorzystywana do zbadania całego pakietu mikroelektronicznego o polu przekroju poprzecznego 16 x 16 mm. Ze względu na wysoki strumień i jasność synchrotronu, próbka została zobrazowana w zaledwie 3 minuty z rozdzielczością przestrzenną 8,7 μm.

Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Niniejszy eksperyment został zaprojektowany z wykorzystaniem mikrotomografii z promieniowaniem synchrotronowym, która jest nieniszczącą techniką obrazowania trójwymiarowego, w celu zbadania złożonej, wielopoziomowej próbki. Obrazowaną tutaj próbką jest cała obudowa mikroelektroniczna o przekroju wynoszącym około 17 na 17 milimetrów. Jednakże cechy, których rozdzielczość chcemy uzyskać, obejmują skalę długości od mikrometrów do milimetrów.Główną zaletą tej techniki jest możliwość nieniszczącej oceny obudowy mikroelektronicznej w skali mikrometrycznej przy szybkim czasie akwizycji danych. Linia wiązki do tomografii producenta (maker tomography) w Advanced Light Source w Berkeley w Kalifornii posiada układ, który można dostosować w celu optymalizacji rozdzielczości i jakości obrazu w zależności od właściwości próbki, takich jak objętość i gęstość. Jednakże rozmiar próbki jest ograniczony do maksymalnie dopuszczalnego pola widzenia wynoszącego 36 na 36 milimetrów.Ta metoda może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie półprzewodników. Może być ona wykorzystana na przykład do analizy obudów elektronicznych i identyfikacji awarii poprzez test niezawodności w procesie rozwoju,

using-synchrotron-radiation-microtomography-to-investigate-multi

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykorzystaliśmy synchrotronową tomografię rentgenowską w Europejskiej Instalacji Promieniowania Synchrotronowego (ESRF), aby nieinwazyjnie uzyskać trójwymiarowe zbiory danych tomograficznych o rozdzielczości piksela 0.7µm. Dzięki zastosowaniu oprogramowania do renderowania objętościowego możliwe jest zrekonstruowanie struktur wewnętrznych w ich stanie naturalnym, bez artefaktów powstających podczas sekcjonowania histologicznego.

Nieinwazyjna wizualizacja 3D z rozdzielczością submikronową z wykorzystaniem synchrotronowej tomografii rentgenowskiej

Bezsoczewkowa tomografia optyczna to trójwymiarowa technika mikroskopowa oferująca rozdzielczość przestrzenną &lt;1 μm × &lt;1 μm × &lt;3 μm odpowiednio w wymiarach x, y i z, przy dużej objętości obrazowania wynoszącej 15-100 mm3, co może być szczególnie użyteczne w integracji z platformami typu lab-on-a-chip.

Bezosobnikowa tomograficzna mikroskopia na chipie z wykorzystaniem wielokątnego oświetlenia i superrozdzielczości pikselowej

Opisujemy metodę mikroskopii korelcyjnej, która łączy szybką mikroskopię 3D z żywymi komórkami fluorescencyjnymi i tomografię krioelektronową o wysokiej rozdzielczości. Wykazujemy możliwości metody korelacyjnej poprzez obrazowanie dynamicznych, małych cząstek HIV-1 oddziałujących z komórkami HeLa gospodarza.

Mikroskopia korelacyjna do analizy statyczno-wytrzymałościowej 3D oddziaływań dynamicznych

Synchrotronowa mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego jest używana do obrazowania elektrochemicznego wzrostu dendrytów z elektrody litowo-metalowej przez membranę elektrolitu polimerowego.

Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Ten raport opisuje protokół przygotowania próbki i specyficzne warunki obrazowania do wykonywania skaningowej transmisyjnej tomografii elektronowej grubych próbek biologicznych.

Przygotowanie i obserwacja grubych próbek biologicznych metodą skaningowej transmisyjnej tomografii elektronowej

Protokół opisuje procedury pozyskiwania obrazów tomografii komputerowej (CT) ziarnistego gruntu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej podczas trójosiowego ściskania oraz stosowania technik przetwarzania obrazów do tych obrazów CT w celu zbadania mechanicznego zachowania gleby pod obciążeniem w skali ziarna.

Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Opisujemy przygotowanie wstęg odcinków szeregowych i ich zbieranie na dużym nośniku transferu do użycia jako próbki tomografii matrycowej, wraz z automatycznymi procedurami obrazowania w skaningowym mikroskopie elektronowym. Protokół umożliwia badania przesiewowe, wyszukiwanie i ukierunkowane obrazowanie miejscowych, rzadkich zdarzeń oraz pozyskiwanie dużych ilości danych.

Tomografia matrycowa do ukierunkowanego pozyskiwania informacji objętościowych za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej

Ten protokół prezentuje technikę mapowania miejsc replikacji w strukturalnie zachowanej chromatynie in situ, która wykorzystuje kombinację wstępnego znakowania EdU-streptawidyny-Nanogold i ChromEMT.

Obrazowanie domen replikacyjnych w ultrastrukturalnie zachowanej chromatynie za pomocą tomografii elektronowej

Ten protokół wideo ilustruje, jak wykonać skaningową tomografię elektronową mikroskopii transmisyjnej na próbkach wirusologicznych. Dla optymalnych rezultatów próbki przygotowuje się przez zamrażanie pod wysokim ciśnieniem i późniejszą podstawienie zamrożenia.

Skaningowa transmisyjna tomografia elektronowa w wirusologii: obrazowanie 3D próbek zamrożonych i zamrożonych pod wysokim ciśnieniem

Wiązka molekularna sprzężona z przestrajalnym próżniowym spektrometrem masowym fotojonizacji ultrafioletowej w synchrotronie dostarcza wygodnego narzędzia do badania struktury elektronowej izolowanych cząsteczek i klastrów fazy gazowej. Za pomocą tej techniki wyjaśniono mechanizmy transferu protonów w dimerach zasad DNA.

Spektrometria mas wiązki molekularnej z przestrajalnym próżniowym promieniowaniem synchrotronowym ultrafioletowym (VUV)

Poznaj mikrotomografię promieniowania synchrotronowego do nieniszczącej analizy pakietów mikroelektronicznych. Ta metoda umożliwia szybkie uzyskanie obrazów 3D o wysokiej rozdzielczości.

Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych (Wideo) | JoVE Journal

Wykorzystanie mikrotomografii promieniowania synchrotronowego do badania wieloskalowych trójwymiarowych pakietów mikroelektronicznych

Przeglądaj więcej filmów