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

Summary

Per questo studio radiazione di sincrotrone micro-tomografia, una tecnica di imaging non distruttiva tridimensionale, è impiegato per esaminare un intero pacchetto microelettronica con una sezione trasversale di 16 x 16 mm. A causa della forte flusso e la luminosità del sincrotrone il campione è stato ripreso in soli 3 minuti con una risoluzione spaziale 8.7 micron.

Abstract

La radiazione di sincrotrone micro-tomografia (SRμT) è una tecnica (3D) per immagini non distruttivo tridimensionale che offre un elevato flusso di tempi veloci di acquisizione dati ad alta risoluzione spaziale. Nell'industria elettronica è serio interesse ad effettuare analisi guasti su pacchetti microelettronici 3D, che contengono molti più livelli di interconnessioni ad alta densità. Spesso in tomografia c'è un compromesso tra la risoluzione dell'immagine e il volume di un campione che può essere ripreso. Questa relazione inversa limita l'utilità dei sistemi convenzionali tomografia computerizzata (CT) dal pacchetto microelettronico è spesso di grandi dimensioni in sezione trasversale 100-3,600 mm ^2, ma ha caratteristiche importanti sulla scala micron. La linea di luce di micro-tomografia alla sorgente avanzata Luce (SLA), a Berkeley, CA Stati Uniti d'America, ha una configurazione che è adattabile e può essere adattata per le proprietà di un campione, vale a dire, la densità, spessore, ecc, con un massimo permettonogrado sezione di 36 x 36 mm. Questa configurazione ha anche la possibilità di essere sia monocromatica nell'intervallo di energia ~ 7-43 keV o operare con flusso massimo in modalità luce bianca utilizzando un fascio policromatico. Qui presentati sono dettagli dei passaggi sperimentali adottate per l'immagine di un intero sistema 16 x 16 mm all'interno di un pacchetto, in modo da ottenere immagini 3D del sistema con una risoluzione spaziale di 8,7 micron tutti entro un tempo di scansione inferiore a 3 min. Anche indicati sono i risultati di pacchetti scansionati in diversi orientamenti e un pacchetto sezionato per l'imaging ad alta risoluzione. In contrasto con un sistema TC convenzionale vorrebbero ore per registrare i dati con una risoluzione potenzialmente più poveri. Infatti, il rapporto di campo di vista di tempo di attraversamento è molto più elevata quando si utilizza la configurazione di radiazione di sincrotrone tomografia. La descrizione seguente del setup sperimentale può essere implementato e adattato per l'uso con molti altri multi-materiali.

Introduction

Nel campo della microelettronica, come in molti altri campi, valutazione non distruttiva a scala micrometrica è necessario quando caratterizzare campioni. In particolare per l'industria microelettronica vi è interesse a sondare pacchetti microelettronica 3D, contenente multi-livello e multi-materiali, e di individuare i guasti nei pacchetti durante termico, elettrico, meccanico e sottolineando di componenti. In tutto il mondo sincrotrone strutture radiazioni hanno designato tomografia e diffrazione linee di luce che vengono utilizzati per l'analisi guasti di pacchetti microelettronici. Alcuni esempi di questo sono Imaging formazione di vuoti causati da elettromigrazione ^1-3, valutando i meccanismi per la crescita ^{di 4,5} latta baffo, osservazioni in situ di sottoraffreddamento e anisotropico dilatazione termica di stagno e composti intermetallici (IMC) ^6,7, in osservazione in situ di solidificazione e formazione IMC ^8-10, anisotropo comportamento meccanico ericristallizzazione di stagno e piombo saldature liberi ^10, vuoti a urti flip chip e osservazioni in situ di Ag-NanoInk sinterizzazione ^11. Tutti questi studi hanno ulteriormente migliorato la comprensione e sviluppo di componenti nell'industria microelettronica. Tuttavia, molti di questi studi si sono concentrati su piccole regioni all'interno del pacchetto. Maggiori informazioni possono essere raccolte da testare e caratterizzare il pacchetto full size con alta risoluzione SRμT al fine di favorire il loro sviluppo.

I pacchetti elettronici in produzione ora contengono più strati di interconnessioni. Questi pacchetti e dispositivi stanno crescendo sempre più complesso, che richiede una soluzione 3D per la valutazione non distruttiva per quanto riguarda analisi dei guasti, controllo della qualità, la valutazione del rischio di affidabilità, e lo sviluppo. Alcuni difetti richiedono una tecnica in grado di rilevare le caratteristiche meno di 5 micron di dimensioni, che include vuoti e fessure che formano all'interno del rame suvias bstrate, individuando senza contatto piazzole di saldatura aperta e nonwet nella confezione multilivello ^12, localizzare e quantificare i vuoti in matrici ball grid (BGA) e giunti di saldatura C4. Durante il processo di assemblaggio del substrato di questi tipi di difetti devono essere identificati e monitorati ampiamente per evitare errori indesiderati.

sistemi attualmente CT utilizzando fonti di laboratorio basata, noto anche come tavolo, sono in grado di fornire alto come ~ 1 micron risoluzione spaziale, e vengono utilizzati per isolare guasti in pacchetti multilivello con risultati promettenti. Tuttavia, i sistemi da tavolo CT hanno alcune limitazioni rispetto alle configurazioni SRμT ^13,14. sistemi da tavolo sono limitati a l'imaging solo una certa gamma di densità di materiali dal momento che di solito contengono solo spettri di origine di uno o due x-ray. Anche in-put-time (TPT) rimane a lungo per i sistemi da tavolo CT convenzionali che richiedono diverse ore di tempo di acquisizione dati per 1-2 mm ² regione d'interesse, che can limitare la sua utilità; per esempio, l'analisi fallimenti attraverso il silicio Vias (TSV), BGA o alle articolazioni C4 spesso richiedono l'acquisizione di Campo multiplo di Vista (FOV) o regioni di interesse ad alta risoluzione all'interno del campione, con conseguente TPT totale di 8-12 ore, che è un tappo di spettacolo per i sistemi CT tavolo convenzionali quando più campioni devono essere analizzati. La radiazione di sincrotrone fornisce flusso molto più elevato e la luminosità rispetto alle fonti convenzionali di raggi X, con conseguente tempi di acquisizione dei dati molto più veloce per una data regione di interesse. Anche se SRμT non consentire una maggiore flessibilità rispetto ai tipi di materiali che possono essere esposte e volume del campione, esso ha dei limiti, che sono specifici per la sorgente di sincrotrone e la configurazione utilizzata, lo spessore specifico massimo accettabile e dimensione del campione. Per la configurazione SRμT al ALS l'area di sezione trasversale massima che può essere ripreso è <36 x 36 mm e lo spessore è limitato dal campo energetico e flusso disponibile ed è s materialipecifici.

Questo studio è utilizzato per dimostrare come SRμT può essere utilizzato per l'immagine di un intero sistema a più livelli in pacchetto (SIP) con alta risoluzione e basso TPT (3-20 min) per l'uso in ispezione pacchetti semiconduttori 3D. Maggiori dettagli su confrontando tavolo TA per Synchrotron Fonte TA possono essere trovati nei riferimenti ^13,14.

Sperimentale Panoramica e Beamline 8.3.2 Descrizione:
Ci sono strutture di sincrotrone disponibili per gli esperimenti di tomografia di tutto il mondo; la maggior parte di queste strutture richiedono la presentazione di una proposta dove sperimentatore descrive l'esperimento, così come il suo impatto scientifico. Gli esperimenti descritti qui sono stati tutti eseguiti alla SLA presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) alla linea di luce 8.3.2. Per questa linea di luce ci sono due opzioni della modalità di energia: 1) monocromatica nell'intervallo di energia ~ 7-43 keV o 2) policromatica luce "bianca", dove l'intero dispospettro di energia ble è utilizzato per la scansione di materiali ad alta densità. Durante una scansione tipica a linea di luce 8.3.2 un campione è montato su una fase di rotazione in cui i raggi X penetrano campione, allora i raggi X attenuati sono convertiti in luce visibile attraverso uno scintillatore, amplificati da una lente, e quindi proiettate su un CCD per la registrazione. Ciò avviene mentre il campione ruota da 0 a 180 ° produrre una pila di immagini che viene ricostruita per ottenere una vista 3D del campione con risoluzione micrometrica. La dimensione di dati tomografico risultante varia da ~ 3-20 Gb seconda dei parametri di scansione. La Figura 1 mostra uno schema del hutch cui viene analizzato il campione.

Il seguente protocollo presentato qui descrive la configurazione sperimentale, l'acquisizione dei dati, e fasi di lavorazione necessarie per l'imaging un intero pacchetto microelettronica, ma i passi può essere modificato per un'immagine varietà di campioni. Le modifiche dipendono dalla dimensione del campione,la densità, le geometrie, e le caratteristiche di interesse. Le tabelle 1 e 2 presentano le combinazioni di taglia di decisione del campione disponibili a linea di luce 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Per il pacchetto microelettronica indagato qui il campione è stato ripreso con un fascio policromatico ( "bianco"), che è stato scelto a causa dello spessore e alta densità dei componenti del campione. Il campione è stato montato in posizione orizzontale su un mandrino di montaggio, questo orientamento consentito per l'intero campione per adattarla all'altezza del fascio, che è parallela con un'altezza di ~ 4 mm e larghezza di ~ 40 mm, richiedono pertanto un solo eseguire la scansione di catturare l'intero campione.

Protocol

Nota: i dettagli protocollo descritto qui di seguito sono stati scritti appositamente per il lavoro a linea di luce 8.3.2 alla SLA, Berkeley, CA. Gli adattamenti possono essere richiesti per i lavori in altri impianti di sincrotrone, che possono essere trovati in tutto il mondo. di sicurezza appropriate e la formazione di radiazione è necessaria per l'esecuzione di esperimenti in queste strutture e le linee guida per la formazione si possono trovare sul sito web di ogni impianto di sincrotrone individuo. Eventuali modifiche o aggiornam…

Representative Results

Le immagini acquisite tramite tomografia verificano a causa dell'assorbimento differenziale delle radiografie nelle interconnessioni saldatura, tracce metalliche e altri materiali nel pacchetto microelettronica in funzione delle diverse lunghezze di attenuazione e lo spessore di questi multi-materiali. Il pacchetto SIP consisteva in una di silicio morire attaccato ad un substrato ceramico con primo livello di interconnessione (FLI) flip chip palle C4 di saldatura di circa 80 micron di diametro; la metà del livello …

Discussion

Tutte le fasi descritte nella sezione del protocollo sono fondamentali per ottenere immagini ad alta risoluzione di campioni multi-scala e multi-materiale. Una delle fasi più critiche è il montaggio del campione e la focalizzazione di ottica, che sono essenziali per ottenere immagini di qualità che possono essere utilizzati per la quantificazione. In particolare, anche leggero movimento del campione causerebbe artefatti nell'immagine ricostruita e sfocatura causerebbe deterioramento della risoluzione. Per evitare…

Materials

Beamline 8.3.2

Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA

http://microct.lbl.gov/