Summary
לקבלה-טומוגרפיה מיקרו קרינת synchrotron במחקר זה, טכניקת הדמיה תלת ממדים שאינם הרסנית, מועסק לחקור חבילת המיקרואלקטרוניקה כולו עם שטח חתך של 16 x 16 מ"מ. בשל השטף והבהירות הגבוהים של סינכרוטרון המדגם היה צלם רק 3 דקות עם ברזולוציית 8.7 מיקרומטר מרחבית.
Abstract
קרינת Synchrotron-טומוגרפיה מיקרו (SRμT) הוא טכניקת הדמיה שאינה הרסנית תלת ממדי (3D), אשר מציעה שטף גבוה לזמני רכישת נתונים מהירים עם רזולוציה מרחבית גבוהה. בענף האלקטרוניקה יש עניין רציני בביצוע ניתוח הכישלון על חבילות מיקרו-אלקטרוניים 3D, רבים אשר מכילים מספר רמות של הקשרים בצפיפות גבוהה. לעתים קרובות בטומוגרפיה קיימת תחלופה בין רזולוציית התמונה ואת היקף מדגם כי ניתן הדמיה. יחס הפוך זה מגביל את השימושיות של טומוגרפיה ממוחשבת קונבנציונליות מערכות (CT) מאז חבילת המיקרואלקטרוניקה גדולה לעתים קרובות באזור חתך 100-3,600 מ"מ 2, אבל יש תכונות חשובות על מיקרון הסולם. Beamline מיקרו-טומוגרפיה על מקור האור המתקדם (ALS), בברקלי, קליפורניה ארה"ב, יש התקנה אשר ניתנת להתאמה והוא יכול להיות מותאם על נכסי מדגם, כלומר, צפיפות, עובי, וכו ', עם מקסימום לאפשרחתך מסוגל של 36 x 36 מ"מ. התקנה זו יש גם את האפשרות של להיות או מונוכרומטי בטווח האנרגיה ~ 7-43 keV או הפעלה עם שטף מרבי במצב אור הלבן באמצעות קרן צבעונית. פרטים מתפרסמים כאן מהצעדים הניסיונות נלקחו כדי לקלוט תמונה של מערכת 16 מ"מ 16 x כולו בתוך חבילה, כדי להשיג תמונות 3D של המערכת עם רזולוציה מרחבית של 8.7 מיקרומטר והכל בתוך זמן סריקה של פחות מ -3 דקות. מוצגים גם הן תוצאות מחבילות שנסרקו נטיות שונות וחבילת מחולק הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר. בניגוד מערכת CT קונבנציונלית תידרש שעות כדי להקליט נתונים עם רזולוציה עניה בפוטנציה. ואכן, היחס בין השדה של נוף לעת תפוקה גבוה בהרבה אם באמצעות הגדרת טומוגרפיה קרינה synchrotron. התיאור שלהלן של הגדרת הניסוי ניתן ליישם ומותאם לשימוש עם הרבה חומרים אחרים רבים.
Introduction
בתחום המיקרואלקטרוניקה, כמו בתחומים רבים אחרים, הערכה בלתי הרסנית בקנה מידת מיקרומטר נחוצה כאשר מאפיינת דגימות. במיוחד עבור תעשיית המיקרואלקטרוניקה יש עניין חיטוט חבילות המיקרואלקטרוניקה 3D, המכילים רמות רבות-חומרים רבים, וזיהוי כשלי חבילות במהלך תרמית, חשמל, מכאני והדגישה של רכיבים. מסביב סינכרוטרון בעולם מתקני קרינה ייעדו beamlines טומוגרפיה עקיפה המשמשים ניתוח הכישלון של חבילות מיקרו-אלקטרוניים. דוגמאות לכך הן הדמית היווצרות חלל נגרמת על ידי חשמלי 1-3, הערכת מנגנוני 4,5 צמיחת פח זיף, בתצפיות באתרו של undercooling התפשטות תרמית איזוטרופי פח ותרכובות intermetallic (IMCs) 6,7, בהתבוננות באתרו של התמצקות IMC היווצרות 8-10, התנהגות מכנית אניסוטרופי וrecrystallization של בדיל ועופרת הלחמות חינם 10, חללים בליטות שבב להעיף, ובשנת תצפיות באתרו של sintering Ag-NanoInk 11. כל המחקרים הללו קידמו עוד יותר את ההבנה ופיתוח של רכיבים בענף מיקרו-אלקטרוניים. עם זאת, רבים מהמחקרים האלה התמקדו אזורים קטנים בתוך החבילה. מידע נוסף ניתן שלוקטו בדיקות ואפיון החבילה בגודל מלא באמצעות SRμT ברזולוציה גבוהה על מנת לקדם את התפתחותם.
החבילות האלקטרוניות שתופקנה עכשיו מכילות מספר שכבות של חיבורים. חבילות אלה והתקנים גדלים יותר ויותר מורכב הקוראת פתרון 3D להערכה שאינה הרסנית לגבי ניתוח כישלון, בקרת איכות, הערכת סיכונים אמינים, ופיתוח. פגמים מסוימים דורשים טכניקה שיכולה לזהות תכונות פחות מ -5 מיקרומטר בגודל, הכוללים חללים וסדקים להרכיב בתוך נחושת suVIAS bstrate, זיהוי רפידות הלחמה ללא מגע פתוח nonwet באריזה מדורגת 12, איתור וכימות חללים במערכים לרשת כדור (BGAs) והמפרקים הלחמה C4. במהלך תהליך הרכבת מצע סוגים אלה של ליקויים חייבים להיות מזוהים פיקוח נרחב על מנת למנוע כשלים רצויים.
כיום מערכות CT באמצעות מקורות מבוססי מעבדה, הידוע גם בשם שולחן, מסוגלות לספק גבוה ככל ~ 1 מיקרומטר ברזולוציה מרחבית, ו נמצאות בשימוש על מנת לבודד כשלי חבילות מדורגות עם תוצאות מבטיחות. עם זאת, מערכות השולחן CT יש מספר מגבלות בהשוואה setups SRμT 13,14. מערכות שולחן מוגבלות הדמיה רק טווח צפיפות מסוים של חומרים שכן הם בדרך כלל מכילים רק ספקטרום מקור אחד או שניים רנטגן. כמו כן דרך-לשים פעמי (TPT) נותר ארוכה למערכות קונבנציונליות שולחן CT הדורש כמה שעות של זמן רכישת נתונים לכל 1-2 מ"מ 2 אזור של אינטרס, אשר can להגביל את השימושיות שלה; למשל, כשלים בניתוח דרך פיאז הסיליקון (TSV), BGAs או המפרקים C4 לעתים קרובות דורשים רכישת שדה מרובה של צפיות (FoV) או אזורים של עניין ברזולוציה גבוהה בתוך המדגם, וכתוצאה מכך TPT הכולל של 8-12 שעות, שהוא פקק להראות למערכות CT שולחן קונבנציונליות כאשר דגימות מרובות צריכות להיות מנותחות. קרינת Synchrotron מספקת הרבה יותר גבוה שטף ובהיר יותר מאשר מקורות רנטגן קונבנציונליים, וכתוצאה מכך הרבה פעמי רכישת נתונים מהירות יותר עבור אזור נתון של עניין. למרות SRμT אין לאפשר גמישות רבה יותר לעניין סוגים של חומרים שניתן צילמו נפח דגימה, אך יש לה מגבלות, שהן ספציפיות למקור סינכרוטרונית ההתקנה בשימוש, עובי מרבי מקובל וגודל מדגם ספציפי. עבור התקנת SRμT בבית ALS באזור החתך המקסימאלי שניתן צלם הוא <36 x 36 מ"מ העובי מוגבל על ידי מגוון אנרגית השטף הזמין והוא s חומרpecific.
מחקר זה משמש כדי להדגים כיצד SRμT יכול להיות מנוצל כדי לקלוט תמונה של מערכת מרובת רמות כולו בחבילה (SIP) עם רזולוציה גבוהה TPT נמוך (3-20 דקות) לשימוש בודק חבילות מוליכים למחצה 3D. עוד פרטים על השוואת השולחן CT של עד של מקור Synchrotron CT ניתן למצוא אזכור 13,14.
ניסיוני סקירה & beamline 8.3.2 תיאור:
ישנם מתקנים סינכרוטרון זמין עבור ניסויים טומוגרפיה ברחבי העולם; רוב המתקנים האלה מחייבים הגשת הצעה שבה בניסויים מתארים את הניסוי, כמו גם ההשפעה המדעית שלה. הניסויים שתוארו כאן כל בוצעו על ALS ב המעבדה הלאומית לורנס ברקלי (LBNL) ב beamline 8.3.2. עבור beamline זה קיימות שתי אפשרויות במצב האנרגיה: 1) מונוכרומטי בטווח אנרגיה ~ 7-43 keV או 2) צבעוני "לבן" אור שבו availa כולוספקטרום האנרגיה ble משמש בעת סריקת חומרים צפיפות גבוהה. במהלך סריקה טיפוסית בבית beamline 8.3.2 מדגם רכוב על במת סיבוב שבו רנטגן לחדור המדגם, אז צילומי רנטגן המוחלשים מומרי אור הנראה באמצעות scintillator, מוגדלים על ידי עדשה, ולאחר מכן מוקרן על CCD להקלטה. זאת, תוך מדגם חגת 0 ל 180 מעלות הפקת ערימה של תמונות כי הוא משוחזר שייתן להם תמונת 3D של המדגם עם רזולוצית מיקרומטר. גודל בסיס הנתונים טומוגרפית וכתוצאה מכך נע בין ~ 3-20 ג'יגה בהתאם לפרמטרים הסריקה. איור 1 מציג סכמה של לול שבו מדגם נסרק.
הפרוטוקול הבא המוצג כאן מתאר את הגדרת הניסוי, איסוף נתונים, וצעדי עיבוד נדרש הדמית חבילת מייקרו-אלקטרונית כולו, אך השלבים יכולים להיות שונה כדי תמונה במגוון דוגמאות. השינויים תלוי בגודל המדגם,צפיפות, גיאומטריות, ותכונות של עניין. לוחות 1 ו -2 מציג את שילובי גודל הרזולוציה מדגמים הזמינים ב beamline 8.3.2 (ALS, LBNL, ברקלי, קליפורניה). עבור חבילת מייקרו-האלקטרונית נחקרה כאן המדגם היה צלם באמצעות קרן צבעונית ( "לבנה"), אשר נבחרה בשל עובי הצפיפות גבוהה של הרכיבים של המדגם. המדגם היה רכוב בכיוון אופקי על צ'אק הר, נטייה זו היא שאפשרה את המדגם כדי להתאים את הגובה של הקורה, אשר מקביל עם גובה של כ -4 מ"מ ורוחב של ~ 40 מ"מ, ולכן רק הדורשים אחד לסרוק כדי ללכוד את המדגם כולו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הערה: פרטי פרוטוקול המתואר להלן נכתבו במיוחד לעבודה beamline 8.3.2 על ALS, ברקלי, קליפורניה עיבודים עשויים להידרש עבודה במתקני סינכרוטרון אחרים, אשר ניתן למצוא בכל רחבי העולם. בטיחות מתאימה והכשרת קרינה נדרשת לעריכת ניסויים במתקנים לבין ההנחיות לאימונים ניתן למצוא בכל האתר של מתקן synchrotron פרט. שינויים או עדכונים כלשהם לפרוטוקול טומוגרפיה (ALS, LBNL, ברקלי, קליפורניה) ניתן למצוא באתר במדריך beamline 15. פרטים על תהליך טומוגרפיה ניתן למצוא סימוכין 16. מדעני beamline זמינים לענות על כל שאלות יקלו על הגדרת הניסוי.
1. שלבים לביצוע סריקות טומוגרפיה ב beamline 8.3.2 (ALS, LBNL)
- הכן את המדגם עבור הסריקה על ידי זה גובר על בעל מדגם נועד להתאים בשלב הסיבוב של beamline. לקבלת דוגמיות כי אין לקוחאום הר, לדבוק מדגם צ'אק פוסט או תרגיל עם חימר או שעווה.
הערה: מדגם נסרק במחקר זה היה חבילה המיקרואלקטרוניקה כי הוא 16 x 16 מ"מ ורק ~ 3 מ"מ גובה. על מנת להתאים את החבילה המלאה בשדה ראייה המדגמת להתקנה אופקית באמצעות חימר הניתן על beamline.- יישר את המדגם כדי להבטיח שכאשר הוא מסתובב ב -180 מעלות היא נשארת בתוך שדה הראייה. לפני טעינת המדגם על במת הסיבוב בתוך לול ישנן הופעות סיבוב מדומה מחוברות המשמשת כדי ליישר את המדגם. בדיקה ויזואלית של מרכז הסיבוב היא בדרך כלל מספיק עבור היישור.
- הר המדגם המצורף בעל מדגם בתוך הכלוב. לאחר המדגם כבר מותקן בתוך הכלוב, שני מנועי מרכוז מאונכים לאפשר מיקום של מדגם מרכז הסיבוב.
הערה: לפעמים הכנת המדגם יש צורך מראש הניסוי כדי לוודא המדגםהגודל מתאים לסוג הרזולוציה הרצויה. לדוגמה, חלק מחבילות המיקרואלקטרוניקה 16 x 16 מ"מ היו מחולק לחתיכות קטנות יותר לסריקה ברזולוציה גבוהה יותר. גודל המדגם ניתן לקבוע באמצעות לוחות 1 ו -2.
- בחר את ההגדלה עבור הסריקה בהתבסס על גודל גודל תכונת מדגם של עניין. יש beamline 8.3.2 עדשות כמה לבחירה אשר מייצרים תמונות עם במגוון גדלים פיקסל מ 0.35 - 9 מיקרומטר. בהתאם את ההגדלה, המדגם חייב להיות של שטח חתך המתאים, כפי שדה הראייה פוחתת עם הגדלת הגדלה.
- מאז מדגם נסרק כאן הוא 22.6 מ"מ בכיוון הארוך, בחר את העדשה 1X עם PCO.4,000, כמוצג בלוחות 1 ו -2, שילוב זה נותן בתחום הדוגמה הגדולה ביותר של נוף. גודל פיקסל המתקבל הוא 8.7 מיקרומטר.
- הגדר את האנרגיה רנטגן או לעבור polychקרן romatic באמצעות מחשב הבקרה beamline. טווח האנרגיה רנטגן בבית beamline 8.3.2 נמשכת עוד משנות 4-80 keV, אבל monochromator multilayer רכוב מגביל את טווח אנרגיה ~ 7-43 keV, בעוד השטף השיא מתרחש ב ~ 12 keV. כדי לקבל את התמונה באיכות הטובה ביותר, לבסס את בחירת האנרגיה על מיקוד הילוכים ~ 30%, אשר ניתן למדוד על המחשב הקליט הנתונים. בעליית הילוכים כללית,% עם הגדלת אנרגיה.
- עבור החבילה מיקרו-אלקטרוניים, "לבחור לבן" אור בשל עובי החומר של החבילה.
הערה: המדריך beamline 8.3.2 שפירט את הצעדים לשינוי בין אור "לבן" ומצב מונוכרומטי. - בעת השימוש "לבן" במצב קל, להוסיף 2-4 מסנני מתכת אלומיניום ונחושת עולות בקנה אחד עם קרן רנטגן על מנת לסנן את האנרגיה הנמוכה רנטגן. עבור מדגם זה, השתמש 2 גיליונות נחושת בעובי כולל של ~ 1.2 מ"מ.
- חישוב שידור דרך קדימה מדגם של טיםדואר באמצעות:
http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html או http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ או http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .php. לדוגמא, המזין את הנוסחא הכימית ועובי אומדן תפוקת רצון מדגם גרף המציג את שידור האחוזים כפונקציה של טווח אנרגיות.
- עבור החבילה מיקרו-אלקטרוניים, "לבחור לבן" אור בשל עובי החומר של החבילה.
- ודא כי מרכז הסיבוב של הבמה מיושרת עם המרכז של המצלמה. כדי לבדוק כי המדגם מיושר לסובב אותו ב -180 מעלות באמצעות תוכנה על מחשב בקרת beamline חזותי לבחון את שינוי מיקום מדגם ידי הצגת הצילומים במחשב. בקרת שינויי יישור על אותו המחשב. איכות תמונת מידרדר כאשר היישור של המדגם כבוי מספיק כך שאזורים של המדגם לעזוב את שדה הראייה במהלך הסיבוב המדגם.
- הגדר באופן ידני מדגם גלאי המרחק עבור סריקה. המצלמה היא על במת translational שיכול לנוע אופקי המשמשתכדי לשנות את המדגם כדי מרחק גלאי. כאשר המרחק מגדיל את התרומה לעומת השלב גם מעלה. תופעות פזה מועילות סדקים עדינים תמונה ביתר קלות וקצוות, אלא גם לגרום להפרעות "אפקט הילה" אחרות כי הם לעתים קרובות בלתי רצויים.
- בדוק את היישור beamline. בדוק את המיקוד של התמונה ולהתאים את מנוע הפוקוס במידת צורך. ודאו כיול גודל פיקסל נכון ידי הזזת מדגם כמות מוגדרת ומדידת מספר הפיקסלים שהדגימה רצתה לחשב מיקרומטר / פיקסל. גודל voxel ישתנה בהתאם הגדרת הניסוי.
- בדוק כתמונת נע אופקית, שתמונה כוללת מסלול אופקי לאורך פיקסל קבוע, ואם לא, להתאים את המנוע להטות מצלמה כך הם עושים. זה מיישר את ציר סיבוב, כך שהוא מקביל עמודות פיקסל, המהווה את היישור להניח מאוחר יותר על ידי אלגוריתמי השיקום.
- בחר זמן חשיפה לכל תצלום רנטגן. הטווח עבור זמן החשיפה הוא 1-1,500 msec ואת הבחירה תלוי האנרגיה סריקה ברזולוציה גבוהה יותר (אשר קובע את השטף הנצפה לכל אלמנט רזולוציה). השעה שנבחרה צריכה לספק תחלופה בין זמן הסריקה המהיר סריקה עם יותר ספירות וכך האות לרעש הטוב ביותר היחס.
- עבור החבילה מיקרו-אלקטרוניים, להשתמש זמן הסריקה מדגם של 100 msec לכל חשיפה.
הערה: ודא שאין פיקסלים רווי או לפחות פחות מהיעד המומלץ 100. מערכת הבקרה מוגדרת להצגת ספירת מצלמה בסולם מרה, כך שכל הספירה המקסימלי של מצלמה היא 65,535.
- עבור החבילה מיקרו-אלקטרוניים, להשתמש זמן הסריקה מדגם של 100 msec לכל חשיפה.
- הגדרת פרמטרי הסריקה באמצעות המחשב הקליט הנתונים.
- הזן את רצוי מגוון זוויתי, ומספר התמונות לאסוף מעל לטווח זה. ככל זוויות שנבחרו ככל פעמים סריקה גדול יותר גודל בסיס הנתונים. מספרים נפוצים של זוויות הם 513, 1,025, ו 2,049 פני טווח תואר 0-180. לצורך המחקר, שימוש1,025 זוויות מעל 180 מעלות במהלך רכישת נתונים.
- בחר במצב הסריקה. שתי האפשרויות עבור מצב סריקה הן 1) רגיל ו -2) טומוגרפיה רציפה. המצב הרציף עדיף שכן תוצאות זמן הסריקה הקצר, ~ 3 דקות. במצב זה, בשלב הסיבוב נע ללא הרף כתמונות נאספות. במצב רגיל, בשלב הסיבוב נעצר ליד כל זווית ולאחר מכן תמונה נאספת.
- ציינתי מספר תמונות שדה בהירות וכהות. תמונות השדה הבהירות וכהות נחוצות לביצוע שחזור. עבור תמונות השדה הכהות התריסים קרובות ועבור השדה הבהיר או תמונות רקע הדגימות נעות מתוך שדה הראייה. ודא כי המדגם מתורגם רחוק מספיק כך שהוא לא קיים בתמונה בשדה הבהירה כדי למנוע מומים גדולים תמונות המשוחזרות. הנה, לרכישה 15 תמונות שדה כהות 15 תמונות שדה בהירות.
- קבע אם הריצוף הוא הכרחי. אם המדגם הוא גבוה בתחום of להציג קיימת אפשרות ריצוף, אשר תסרוק המדגם ואז לתרגם אותו במאונך עד המדגם כולו הוא נתפס.
- Execute סריקה לרוץ על המחשב הקליט הנתונים. הסריקה תפעל באופן אוטומטי בהתאם להגדרות שהוזנו.
2. שלבים לביצוע עיבוד נתונים טומוגרפית
- העברת נתונים אל מחשב ניתוח זמינה ב beamline לבצע שחזור וסינון של ערכת הנתונים באמצעות פרוטוקול beamline. שחזור יכול לרוץ עצמאי של רכישת הנתונים.
הערה: הנתונים מועברים אוטומטית NERSC, מחשב בעל ביצועים גבוהים, שם הוא מעובד ושיחזר. משתמשים יכולים להירשם לקבלת חשבון ב NERSC לגשת לנתונים שלהם באמצעות פורטל האינטרנט Suite SPOT ב spot.nersc.gov. פורטל זה עדיין במצב פיתוח, כל כך הרבה משתמשים מעדיפים לקבל יותר שליטה על פרמטרי השיקום, ובמקרה כזה הוא לבצע את הפעולות הנותרות. - Reconstruct התמונות גלם ביצוע השלבים הבאים: 1) לנרמל תמונות, 2) ליצור ערימת sinograms, 3) חל טבעת הסרה / מסננים, ו -4) לבצע שחזור קרן במקביל. השחזור מבוסס על אלגוריתם הקרנה הסתנן. תוצאות תהליך שיקום תמונות TIFF המכילות מידע על המיקום ועוצם כל פיקסל המרכיב את נפח הדגימה. סכמטי של התהליך כולו מוצג באיור 2.
- כדי לגשת תוסף להתחיל פיג'י (שהוא ראשי תיבות של פיג'י האם רק ImageJ) ובחר בתפריט Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming כמוצג להלן. משתמש במתקן ALS יכול לבצע את תהליך השיקום כולו באמצעות תוסף מותאם אישית עבור ImageJ / פיג'י, המשלבת חבילות תוכנה, שנועדו לייעל את תהליך השיקום.
הערה: פיג'י ואת התוסף זמין לשימוש במחשבי ניתוח מרובים beamline 8.3.2. - לאחר שתיבת הדו-שיח פיג'י פתוחה, כפי שנראה בהמשך, בחר את קובץ הגלם המיועדים לשיקום. ערימת תמונות גולמיות, בהירות, כהה צריכה להיות טעונה כעת.
- מצא מרכז הסיבוב ידי לחיצה על 'זיהוי מרכז הסיבוב ", ואז לדמיין את התמונה המשוחזרת בחרי' שחזור מקדים '. הערך עבור מרכז הסיבוב יכול גם להיות שהוזן ידני בתצוגה מקדימה.
- באמצעות ממשק זה יש אפשרות לשנות את הפרמטרים הסרת טבעת, את סוג התמונה (8, 16, או 32 ביט), פיקסל טווח, סיבוב זווית של תמונות, ולהגדיר אזור קצוץ. ניתן דמיינו כל סט פרמטר חדש באמצעות הלחצן 'שחזור מקדימה'.
- לאחר הפרמטרים נבחרים, לשחזר את הערימה כולה של תמונות על ידי בחירת 'ריצה'. כל קבצי הנתונים הבאים ניתן למצוא את 'ספריית הפלט' המצוינת, ספריית ברירת המחדל תהיה קובץ פלט בתוך תיקיית נתונים הגולמית.
- כדי לגשת תוסף להתחיל פיג'י (שהוא ראשי תיבות של פיג'י האם רק ImageJ) ובחר בתפריט Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming כמוצג להלן. משתמש במתקן ALS יכול לבצע את תהליך השיקום כולו באמצעות תוסף מותאם אישית עבור ImageJ / פיג'י, המשלבת חבילות תוכנה, שנועדו לייעל את תהליך השיקום.
- נתונים גולמיים גישה מכל טומוגרפיה שלפחיות מכל מחשב על ידי לחיצה על http://spot.nersc.gov/ האתר, המהווה את NERSC (מחשב LBNL) שרת דרך הפורטל SPOT.
הערה: כל חוקר פרט חייב להיות NERSC משלהם חשבון לגשת מערכי הנתונים הספציפיים שלהם. התקנת פחית המשתמש לפתוח חשבון ב- https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. באותו beamline, כל קבוצת המחקר מוקצה חשבון beamline. חשבון זה משמש כדי לקבל גישה למחשבים beamline, והוא יכול לשמש גם כדי לגשת לנתונים ישירות מהשרת beamline באמצעות באינטרנט גלובוס. - דמיינו את הנתונים בשני 3D ו 2 ד על ידי טעינת את ערימת 2D משוחזר תמונות לתוך כל תוכנה לניתוח 3D. הדגימות והתמונות שהוצגו כאן להשתמש בתוכנת Avizo לבצע את הניתוח להדמיה, אשר זמין beamline משתמשת בכל אחד ממחשבי ניתוח 8.3.2 beamline.
- לאחר ערכת נתונים מועלה לתוך תוכנת ויזואליזציה לבצע ניתוח נתונים נוסף כדי לקבל מידע כמותי על ספציפי Features בתוך המדגם. לעתים קרובות מערכי נתונים הם downsampled כדי להקטין את גודל נתוני התפוקה. אולם זה יכול להגדיל את גודל voxel הפחתת נאמנות, אך להחליק את תצוגת התמונה עבור פילוח קל.
- בחר תכונות קטע של הריבית על ידי thresholding היסטוגרמה ערימת 2D משוחזר פרוסות ותיחום ערך פיקסל חדש פיקסלים שנופלים בתוך טווח מסוים.
- דמיינו כרכים ומשטחים מפולחים. ברגע תכונות מפולחות הם נתפסים ב -3 D באמצעות Avizo או כל תוכנה להדמיה מועדפת. זה מאפשר הדמיות משטח 3D של תכונות ספציפיות, כמו כדורי הלחמה על אזור מסוים של עניין.
- לכמת תכונות במדגם, כלומר, גודל סדק, vias, נקבובי, פגמים, וכו 'ברגע תכונה של עניין מזוהה, כגון דרך או סדק, התכונה יכולה להיות מפולחת ומידע נפח על רוחב סדק, אורך, באמצעות נפח, הפצה נקבובית ניתן לכמת על ידי הערכת tomogrנתוני aphic להגדיר.
- צור סרט של המדגם מראה את מדגם נטיות שונות. סרט 1 מציג דוגמאות של נופי חתך השונים ונופי טיוח נפח עבור חבילת המיקרואלקטרוניקה צלמה בכיוון האופקי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
התמונות שנתפסו באמצעות טומוגרפיה להתרחש עקב קליטת ההפרש של צילומי רנטגן של חיבורי ההלחמה, עקבות מתכתיות, וחומרים אחרים בחבילת המיקרואלקטרוניקה כפונקציה של אורכי הנחתה השונים ועובי של חומרים רבים-אלה. חבילת SIP כללה סיליקון למות מצורף מצע קרמי עם כדורי הלחמת C4 שבב להעיף קישוריות הרמה הראשונה (FLI) של כ 80 מיקרומטר קוטר; מהדרג הבינוני הקישוריות (מכון מנדל למנהיגות) כדורי הלחמה של כ 350 מיקרומטר חיבור המצע הזה אל המעגלים אפוקסי FR4; . ו קישוריות רמה שנייה (SLI) BGA כדורי הלחמה של כ 650 מיקרומטר בצד האחורי של לוח מעגל איור 2 מראה סכמטי של המדגם כאשר הוא נתון בכיוון האופקי; אוריינטציה זו נבחרה על מנת להתאים את המדגם המלא בשדה הראייה עבור סריקה אחד. איור 3 מציג את תמונות 3D מאותו מדגם, גידולכל החבילה, אשר צילמו סריקה אחת עם TPT נמוכה (טבלה 2). נתונים זו נותחו והכינו באמצעות Avizo. עבור חבילות המיקרואלקטרוניקה תוספת זוויתי של 0.175 ° נבחרה וכתוצאה מכך 1,025 תמונות מעל 180 מעלות. באיור 3A הצליח דרך חורה, vias הנחושת, וחלק המצע גלוי. איור 3 ב מתקרבים אזור של אינטרס להראות באחת מפינות (FPGA) מערך שער לתכנות השדה למות ואת מצע. זה מראה עד כמה מהר הרכיבים הבודדים של חבילת מדורגת כולו יכולים להיבדק. איור 4 מדגים את התכונות מזוהות עם SRμT בחבילת FPGA SIP. כאן בלוח המעגלים, של VIA, למות סיליקון, הן מצעים, ובכל הרמות של חיבורים ניכרים. איורים 5 ו -6 להדגים את השימוש בנתונים טומוגרפיה לדמיין תכונות ב -3 D, שבו שתי תצוגות שונות של חיבורים הם displaye ד. איור 6 מציג תמונת 3D של החבילה למות מעבד סרק האנכי עם FLI וקשרי מכון מנדל למנהיגות. בשל הכיוון האנכי סריקת הדגימות כולו לא נלכדו סריקה אחד, על מנת לדמות את המדגם ב ריצוף אורינטציה זו יהיה צורך איור 6 מראה פרוסה טומוגרפית 2D המוגדלת.; כאן איכות התמונה היא די להתבונן סדקים בתוך כדור הלחמה, אשר נוצרו במהלך רכיבת תרמית ממושכת לפני ההדמיה.
באיור 1. התקנת טומוגרפיה מראה סכמטי. סכמטי של הלול ב beamline 8.3.2 על מקור האור המתקדם (המעבדה הלאומית לורנס ברקלי, ברקלי קליפורניה ארה"ב). (איור שנלקח 8.3.2 ידני Microtomography, וניתן לגשת אליו בכתובת: http://microct.lbl.gov/manual)"Target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. שלבים לשחזור נתונים. סכמטי המציג את השלבים הדרושים כדי לקבל תמונה משוחזרת 3D סופי של מדגם מההגדרה של טומוגרפיה. המדגם כאן הוא חבילת SIP מ"מ 16 x 16 להיות הדמיה בכיוון האופקי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. טיוח נפח 3D של החבילה. 3D טיוח של חבילת FPGA SIP כולו צילמו עם 8.7 מיקרומטר ברזולוציה זמן סריקה של 3 דקות (א) מראה את כל החבילה, ו- (ב) תקריב-ב לאור באזור של החבילה מראה בפינה אחת של מצע FPGA ואת הקשרים המעגלים. 13 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
תמונת איור 4. טומוגרפית מראה חתך של חבילה. פרוסה 2D המשוחזרת נלקחת דרך חבילת FPGA SIP. מדגם זה היה צילמו עם 4.5 מיקרומטר ברזולוציה זמן סריקה של 20 דק '. פור סיליקון, underfill, הוא המצעים, ובכל הרמות של חיבורים ניתן לצפות. 13 אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
683 / 53683fig5.jpg "/>
טיוח נפח 3D איור 5. מהשלוש רמות הקישוריות. תמונת 3D המקוטעת מראה את חבילת SIP כולו עם (זמן 3 דקות סריקה) 8.7 מיקרומטר ברזולוציה. זו מציגה את שלוש רמות של חיבורים (FLI, מכון מנדל למנהיגות, ו SLI). 13 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6. הנקבוביות גלויות מזוהות כדור הלחמה. (א) 3D משוחזר תמונה של החבילה למות מעבד סרק האנכי עם FLI ומכון מנדל למנהיגות חיבורי הלחמה. (ב) גודל באזור של פרוסת משוחזר 2D, מראה כדור הלחמת מכון מנדל למנהיגות עם חלל מרכז גדול סדקים שנגרמו במהלך מבחני קיצון תרמית מכוונים. 13"Target =" pload / 53,683 / 53683fig6large.jpg _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
סרט 1. תמונות טומוגרפיה ב 3D ו 2D של החבילה ( לחץ הזכות להוריד ). סרט זה מציג את טיוח 3D נפח חבילת 16 x 16 מ"מ 2 מנקודות מבט שונה. ואז מחבתות דרך פרוסות שונות להצגת מידע פנימי מתוך החבילה.
| PCO.4,000 (4,008x2,672) | PCO.Edge (2,560x2,160) [Optique פיטר *] | |||
| עֲדָשָׁה | פיקסל (מיקרומטר) | שדה הראייה (מ"מ) | פיקסל (מיקרומטר) | שדה הראייה (מ"מ) |
| 20X * | - | - | 0.33 | 0.8 |
| 10X | 0.9 | 3.6 | 0.69 | 1.7 |
| 5X | 1.8 | 7.2 | 1.3 | 3.3 |
| 2X | 4.5 | 18 | 3.25 | 8.3 |
| 1X | 9 | 36 | 6.5 | 16.6 |
טבלה 1. פרטים מראים את המצלמות ועדשות זמינות ב beamline ALS 8.3.2.
| מָקוֹר | אפשרות Resolution | מצלמה / עדשה מג. | גודל פיקסל (מיקרומטר) | FOV רוחב (מ"מ) | גובה FOV (מ"מ) | זמן תמונה TPT (דקות) | FOV / TPT (2 מ"מ / min) |
| 8.3.2 Synchrotron ALS BL | נָמוּך | A / 1X | 8.7 | 36 | 6 | 3 | 72 |
| נָמוּך | B / 1X | 6.5 | 16.6 | 6 | 3 | 33.2 | |
| med | B / 2X | 3.3 | 8.3 | 6 | 3 | 16.6 | |
| med | A / 2X | 4.5 | 18 | 6 | 20 | 5.4 | |
| גָבוֹהַ | B / 5X | 1.3 | 3.3 | 2.8 | 5 | 1.84 | |
| גָבוֹהַ | B / 10X | 0.65 | 1.7 | 1.4 | 11 | 0.22 | |
| Lab-מבוסס קוד MicroXCT-200 | גָבוֹהַ | - | 1.5-2 | 1.5-2 | 1.5-2 | 180-240 | ~ 0.02 |
סיכום טבלה 2. החלטות, שדה ראיה, וזמן הדמיה עבור מצלמות שונות ואפשרויות עדשה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
כל השלבים מתוארים בסעיף הפרוטוקול הם קריטיים קבלת תמונות ברזולוציה גבוהה של דגימות רב היקף ורב-חומר. אחד השלבים הקריטיים ביותר הוא מדגם הרכבה ואת המיקוד של אופטיקה, שחיוניות לקבלת תמונות באיכות שניתן להשתמש בהם עבור כימות. באופן ספציפי, אפילו תנועה קלה של המדגם הייתה לגרום להפרעות בתמונה המשוחזרת defocusing תגרום להידרדרות רזולוציה. כדי למנוע בעיות עם איכות תמונה חשוב משחזרים תמונת בדיקה, אשר יכול להתבצע בו זמנית בעוד סריקות המדגם הבאות. זה יעזור לזהות בעיות או בעיות, אשר ייתכן שאירעו במהלך התקנת הסריקה. אם יש בעיות עם התמונה המשוחזרת ייתכן שיהיה צורך לסרוק מחדש את מדגם תשומת לב קפדן לדגום הרכבה ויישור. במהלך ההתקנה בעיות אחרות שעלולות להתעורר, כגון שגיאות עם Labview, בעיות עם המנוע הבמה מדגם, או בהעדר הקרן רנטגן דואר. ישנם צעדים מפורטים לפתרון על במדריך של beamline, אשר ניתן למצוא באתר האינטרנט beamline. התייעץ מדעני beamline כדי לדון באפשרויות נוספות לשיפור איכות תמונה או אם בניסויים מצטיירים בעיה לא מכוסה במדריך.
כל הדמויות המוצגות כאן להדגיש את היתרונות של שימוש SRμT כדי לקלוט תמונה של חבילה המיקרואלקטרוניקה מרובות רמות כולו רק כמה דקות עם רזולוציה מרחבית גבוהה והיכולת לבצע ניתוח על תכונות ספציפיות בתוך הלא הרסני המדגם. עבור דגימות צילמו כאן בפעם השיקום לקח פחות משעה. ספקטרום האנרגיה הרחב על ALS מאפשר הדמית שני ענייני מספר אטומי גבוהים ונמוכים עם הסינון המתאים. זה מאפשר כימות של סדקים, חללים, delamination, פגמים, ועוד הרבה יותר. במשך כמה של הדגימות צלמו כאן במצב טומוגרפיה הרציף וסייע בקידום פעמי רכישת נתונים המהירות. למרות שקיים מגוון רחב של חומרים ואמצעי אחסון כי ניתן הדמיה באמצעות SRμT יש כמה מגבלות בשל מגוון אנרגיה הזמין עבור מתקן synchrotron ALS. באופן ספציפי, העובי של חומרים צפופים מאוד יכול להיות מוגבל.
יכולת גבוהה ברזולוציה זו של מערכת סינכרוטרון מקור CT מספקת מידע רב ערך עבור שני ניתוח הכישלון ופיתוח תהליך ההרכבה. בניגוד הבהירות הנמוכה יחסית של מערכת CT השולחן לא יכולה לאפשר בחירה של אנרגיה מונוכרומטי ומתקשה הדגשת פגמים בנוכחות תכונות שמסביב נחושת או הלחמה. היכולת של טכניקה טומוגרפיה כדי להתאים מדגמים גדולים עם זמן TPT מהר הוא בעל חשיבות עליונה כדי בתעשיית המוליכים למחצה. התוצאות שהושגו באמצעות SRμT להציע דרך קדימה עבור יישומים חדשים המיקרואלקטרוניקה 14. בסך הכל יש מגוון רחב של אפשרויות בתחום זה במשך בעתידעבודה, חבילות המיקרואלקטרוניקה חוקרת אלה רבים-חומר רב היקף במיוחד תחת בתנאים באתרו, כגון טמפרטורת אופני העמסה מחזורית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים אין לי מה לחשוף.
Acknowledgments
חלק LLNL על עבודה זו בוצע תחת חסותו של משרד האנרגיה האמריקאי על ידי המעבדה הלאומית לורנס ליברמור תחת חוזה DE-AC52-07NA27344. המחברים אינטל רוצים להודות Pilin ליו, ליאנג הו, ויליאם המונד, וקרלוס Orduno מאינטל תאגיד חלק איסוף הנתונים והדיונים מועילים. מקור האור מתקדם נתמך על ידי המנהל, משרד המדע, משרד האנרגיה של יסוד מדעי, של משרד האנרגיה האמריקני תחת חוזה מס 'DE-AC02-05CH11231.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Beamline 8.3.2 | Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA | http://microct.lbl.gov/ |
References
- Tian, T., et al. Quantitative X-ray microtomography study of 3-D void growth induced by electromigration in eutectic SnPb flip-chip solder joints. Scr. Mater. 65, 646-649 (2011).
- Tian, T., et al. Rapid diagnosis of electromigration induced failure time of Pb-free flip chip solder joints by high resolution synchrotron radiation laminography. Appl. Phys. Lett. 99, 082114 (2011).
- Lee, A., Liu, W., Ho, C. E., Subramanian, K. N. Synchrotron x-ray microscopy studies on electromigration of a two-phase material. J. Appl. Phys. 102, 053507 (2007).
- Sarobol, P., et al. Effects of local grain misorientation and β-Sn elastic anisotropy on whisker and hillock formation. J. Mater. Res. 28, 747-756 (2013).
- Sarobol, P., et al. Recrystallization as a nucleation mechanism for whiskers and hillocks on thermally cycled Sn-alloy solder films. Mater. Lett. 99, 76-80 (2013).
- Elmer, J., Specht, E. Measurement of Sn and In Solidification Undercooling and Lattice Expansion Using In Situ X-Ray Diffraction. J. Electron. Mater. 40, 201-212 (2011).
- Elmer, J., Specht, E., Kumar, M. Microstructure and In Situ Observations of Undercooling for Nucleation of β-Sn Relevant to Lead-Free Solder Alloys. J. Electron. Mater. 39, 273-282 (2010).
- Gourlay, C. M., et al. In situ investigation of unidirectional solidification in Sn-0.7Cu and Sn-0.7Cu-0.06Ni. Acta Mater. 59, 4043-4054 (2011).
- Ma, H. T., et al. In-situ study on growth behavior of Ag3Sn in Sn-3.5Ag/Cu soldering reaction by synchrotron radiation real-time imaging technology. J. Alloys Compd. 537, 286-290 (2012).
- Zhou, B., et al. In Situ Synchrotron Characterization of Melting, Dissolution, and Resolidification in Lead-Free Solders. J. Electron. Mater. 41, 262-272 (2012).
- Elmer, J., Specht, E. D. In-Situ X-Ray Diffraction Observations of Low-Temperature Ag-Nanoink Sintering and High-Temperature Eutectic Reaction with Copper. Metall. Mater. Trans. A. 43, 1528-1537 (2012).
- Li, Y., Moore, J. S., Pathangey, B., Dias, R. C., Goyal, D. Lead-Free Solder Joint Void Evolution During Multiple Subsequent High-Temperature Reflows. IEEE Trans. Device Mater. Rel. 12, 494-500 (2012).
- Elmer, J., et al. Synchrotron Radiation Microtomography for Large Area 3D Imaging of Multilevel Microelectronic Packages. J. Electron. Mater. 43, 4421-4427 (2014).
- 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).
- McElrone, A. J., Choat, B., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Brodersen, C. R. Using High Resolution Computed Tomography to Visualize the Three Dimensional Structure and Function of Plant Vasculature. J Vis Exp. , e50162 (2013).
- Kinney, J. H., Nichols, M. C. X-Ray Tomographic Microscopy (XTM) Using Synchrotron Radiation. Annu. Rev. Mater. Sci. 22, 121-152 (1992).
