Usando Synchrotron Radiation microtomografia para investigar Multi-escala Pacotes de microeletrônicos tridimensionais

Este experimento foi projetado para utilizar microtomografia de radiação síncrotron, que é uma técnica de imagem tridimensional não destrutiva, a fim de investigar uma amostra complexa de vários níveis. A amostra que está sendo fotografada aqui é um pacote microeletrônico inteiro que tem uma área de seção transversal de aproximadamente 17 por 17 milímetros. No entanto, os recursos que estamos interessados em resolver variam em escala de comprimento de micrômetro a milímetro.

A principal vantagem dessa técnica é que ela pode avaliar de forma não destrutiva o pacote microeletrônico na escala micrométrica com tempo de aquisição de dados rápido. A linha de feixe de tomografia do fabricante na Advanced Light Source em Berkeley, Califórnia, tem uma configuração que pode ser adaptada para otimizar a resolução e a qualidade da imagem com base nas propriedades de uma amostra, como volume e densidade. No entanto, o tamanho da amostra é limitado a um campo de visão máximo permitido de 36 por 36 milímetros.

Esse método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo de semicondutores. Por exemplo, ele pode ser usado para analisar embalagens eletrônicas e identificar falhas por meio de um teste de confiabilidade no desenvolvimento de processos, bem como para fornecer flexibilidade experimental ou como uma fonte de raios X pode detectar rapidamente defeitos em embalagens microeletrônicas complexas de próxima geração. Prepare a amostra para a varredura montando-a em um suporte de amostra projetado para caber no estágio rotacional da linha de feixe.

Para amostras que não possuem uma montagem personalizada, cole a amostra a um poste ou mandril de broca com argila ou cera. Antes de carregar a amostra no estágio de rotação dentro da gaiola, há um estágio de rotação simulado offline que é usado para alinhar a amostra. A inspeção visual do centro de rotação geralmente é suficiente para o alinhamento.

Monte a amostra anexada ao suporte de amostra dentro da gaiola. Uma vez que a amostra tenha sido montada na gaiola, dois motores de centralização ortogonais permitem o posicionamento da amostra em relação ao centro de rotação. Selecione a ampliação da varredura com base no tamanho da amostra e no tamanho do recurso de interesse.

Como a amostra digitalizada aqui tem 22,6 milímetros na direção mais longa, selecione a lente 1X com o ponto PCO 4.000. Essa combinação fornece o maior campo de visão de amostra. O tamanho do pixel resultante é de 8,7 mícrons.

Defina a energia de raios-x ou mude para um feixe policromático usando o computador de controle da linha de feixe. Para obter a melhor qualidade de imagem, baseie a seleção de energia em uma transmissão de aproximadamente 30%, que pode ser medida no computador de aquisição de dados. Em geral, a porcentagem de transmissão aumenta com o aumento da energia.

Para a embalagem microeletrônica, selecione luz branca devido à espessura e ao material da embalagem. Ao usar o modo de luz branca, adicione dois a quatro filtros de metal, alumínio e cobre alinhados com o feixe de raios-x para filtrar os raios-x de baixa energia. Para esta amostra, use duas folhas de cobre com uma espessura total de aproximadamente 1,2 milímetros.

Em seguida, verifique se o centro de rotação do palco está alinhado com o centro da câmera. Para verificar se a amostra está alinhada, gire-a em 180 graus usando o software no computador de controle da linha de feixe e observe visualmente a mudança na localização da amostra visualizando as radiografias no computador. Controle as alterações no alinhamento no mesmo computador.

Defina a amostra para a distância do detector para a varredura. A câmera está em um estágio de translação que pode se mover horizontalmente e é usada para alterar a distância da amostra para o detector. Quando a distância aumenta, a contribuição do contraste facial também aumenta.

Insira o intervalo angular desejado e o número de imagens a serem coletadas nesse intervalo. Quanto mais ângulos selecionados, maiores serão os tempos de varredura e maior será o tamanho do conjunto de dados. Para este estudo, use 1.025 ângulos acima de 180 graus durante a aquisição de dados.

Depois de selecionar o modo de varredura e o número de imagens de campo claro e escuro, conforme descrito no protocolo de texto, verifique se a amostra é transladada o suficiente para que não esteja presente na imagem de campo claro, a fim de evitar grandes defeitos nas imagens reconstruídas. Aqui, adquira 15 imagens de campo escuro e 15 imagens de campo claro. Depois de determinar se o mosaico é necessário, execute a verificação de execução no computador de aquisição de dados.

A verificação será executada automaticamente com base nas configurações inseridas. Aqui é mostrada uma renderização 3D de um sistema de matriz de portas programável em campo inteiro em uma imagem de pacote com resolução de 8,7 mícrons e um tempo de varredura de três minutos. Uma visão ampliada de uma região do pacote mostra um canto do substrato da matriz de portas programáveis em campo e as interconexões da placa de circuito.

Uma renderização de volume 3D dos três níveis de interconexão diferentes mostra todo o sistema em pacote com uma resolução de 8,7 mícrons. Aqui, é mostrada uma imagem reconstruída em 3D do pacote de corante da CPU digitalizado verticalmente com conexões de solda de interconexão de primeiro nível e interconexão de nível médio. Uma região ampliada de uma fatia reconstruída 2D mostra uma esfera de solda de interconexão de nível médio com um grande vazio central e rachaduras causadas durante o teste de estresse térmico intencional.

Este filme mostra imagens de tomografia do pacote microeletrônico fotografado na orientação horizontal. A renderização do volume 3D do pacote de 16 por 16 milímetros quadrados mostra isso de diferentes perspectivas. Aqui, o filme percorre as diferentes visualizações transversais para mostrar informações internas de dentro do pacote.

A capacidade da tomografia de acomodar grandes tamanhos de amostra com tempo de execução mais rápido, especialmente em comparação com os sistemas de TC de mesa, é de extrema importância para a indústria de semicondutores. Essa técnica permite a quantificação não destrutiva de rachaduras, vazios, delaminação, defeitos e muito mais. Este método é muito útil para fornecer informações sobre interconexões de juntas de solda para a indústria de microeletrônica.

No entanto, também pode ser aplicado a uma ampla gama de sistemas de materiais, como ligas metálicas, compósitos, biomateriais, orgânicos e componentes fabricados aditivamente. Embora haja uma ampla gama de materiais e volumes que podem ser visualizados usando microtomografia de radiação síncrotron, existem limitações devido à faixa de energia disponível na instalação de síncrotron ALS. Especificamente, os materiais de alta densidade são restritos a tamanhos de amostra muito finos devido à necessidade de obter transmissão de raios-x suficiente através da amostra.

Uma das etapas mais críticas durante a configuração experimental é a montagem e foco estáveis da ótica. Essas etapas são vitais para a obtenção de imagens de qualidade que possam ser usadas para quantificação dos dados. Especificamente, mesmo um leve movimento da amostra causa artefatos na imagem reconstruída, e o foco causa uma deterioração na resolução.

Para evitar problemas com a qualidade da imagem, reconstrua uma imagem de teste que pode ocorrer simultaneamente enquanto a próxima amostra é examinada. Ao tentar esse tipo de experimento, é importante modificar sua configuração dependendo das propriedades da amostra e conversar com o cientista da linha de feixe sobre como otimizar seus procedimentos experimentais. A capacidade de alta resolução da microtomografia por radiação síncrotron fornece informações valiosas para a análise de falhas e o desenvolvimento do processo de montagem.

A aplicação da TC de raios X 3D síncrotron a uma embalagem microeletrônica abre uma ampla gama de possibilidades na igualdade e confiabilidade das embalagens microeletrônicas 3D, incluindo testes de confiabilidade, inspeção de falhas em embalagens complexas. Ele também fornece instruções para o desenvolvimento de TC de raios-x 3D em escala laboratorial de próxima geração.