Använda Synchrotron Radiation Microtomography att undersöka Multi skala Tredimensionella Microelectronic paket

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

För denna studie synkrotronstrålning mikro-tomografi, en icke-förstörande tredimensionell avbildningsteknik, används för att undersöka en hel mikroelektroniska paket med en tvärsnittsarea på 16 x 16 mm. På grund av synkrotron höga flöde och ljusstyrka provet avbildades på bara tre minuter med en 8,7 um rumslig upplösning.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Carlton, H. D., Elmer, J. W., Li, Y., Pacheco, M., Goyal, D., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A. Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages. J. Vis. Exp. (110), e53683, doi:10.3791/53683 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Synkrotronstrålning mikro tomografi (SRμT) är en icke-förstörande tredimensionella (3D) avbildningsteknik som erbjuder hög flux för snabba datainsamlings gånger med hög rumslig upplösning. Inom elektronikindustrin finns seriöst intresse att utföra felanalys på 3D mikro paket, många som innehåller flera nivåer av hög densitet förbindelser. Ofta i tomografi finns en kompromiss mellan bildupplösning och volymen av ett prov som kan avbildas. Detta omvänt förhållande begränsar användbarheten av konventionella datortomografi (CT) system sedan en mikro paket är ofta stor i tvärsnittsarea 100-3,600 mm 2, men har viktiga funktioner på micron skala. Mikro tomografi strålröret vid Advanced Light Source (ALS), i Berkeley, Kalifornien USA, har en inställning som är anpassningsbar och kan skräddarsys för att ett prov egenskaper, det vill säga, densitet, tjocklek, etc, med en maximal tillåterkunna tvärsnitt av 36 x 36 mm. Denna inställning har även möjlighet att vara antingen monokromatisk inom energiområdet ~ 7-43 keV eller arbetar med maximalt flöde i vitt ljus läge med en polykromatisk stråle. Presenteras här finns information om de experimentella åtgärder som vidtagits för att avbilda en hel 16 x 16 mm-system i en förpackning för att få 3D-bilder av systemet med en rumslig upplösning på 8,7 um alla inom en genomsökning av mindre än tre minuter. Dessutom visas resultaten från paket skannas i olika riktningar och en sektione paket för högre upplösning. I motsats en konventionell CT-system skulle ta timmar att spela in data med potentiellt sämre upplösning. I själva verket är förhållandet mellan synfältet i syfte att genomloppstiden mycket högre vid användning av synkrotronljus tomografi setup. Beskrivningen nedan av den experimentuppställning kan genomföras och anpassas för användning med många andra multi-material.

Introduction

I mikroelektronikområdet, liksom i många andra områden, är det nödvändigt icke-förstörande utvärdering i mikrometerskala när karakterisera prover. Specifikt för mikroelektronikindustrin finns det intresse för sondering 3D mikroelektronik paket, innehållande flera nivåer och multi-material, och att identifiera brister i förpackningar under termisk, elektrisk och mekanisk belastning av komponenter. Runt om i världen synkrotronljusanläggningar har utsett tomografi och diffraktion strålrör som används för felanalys av mikro paket. Några exempel på detta är att avbilda tomrumsbildning orsakad av elektromigration 1-3, utvärdera mekanismerna för tenn skäggtillväxt 4,5, in situ-observationer av underkylning och anisotrop värmeutvidgning av tenn och intermetalliska föreningar (IMC) 6,7, in situ observation av stelning och IMC bildning 8-10, anisotropisk mekaniska egenskaper ochOmkristallisation av tenn och blyfri lod 10, tomrum i flip chip stötar, och in situ observationer av Ag-nanoink sintring 11. Alla dessa studier har ytterligare ökat kunskapen och utveckling av komponenter i den mikroelektroniska industrin. Dock många av dessa studier har fokuserat på små regioner inom paketet. Mer information kan utläsa från testning och karakterisering av full storlek paket med hög upplösning SRμT i syfte att främja deras utveckling.

De elektroniska paket som produceras nu innehåller flera lager av sammankopplingar. Dessa paket och enheter växer mer och mer komplex som kräver en 3D-lösning för icke-förstörande utvärdering när det gäller felanalys, kvalitetskontroll, tillförlitlighet riskbedömning och utveckling. Vissa brister kräver en teknik som kan upptäcka funktioner mindre än 5 pm i storlek, som omfattar håligheter och sprickbildning i koppar SUbstrate vior, identifiera berörings öppen och nonwet lödöar i flerförpackningar 12, lokalisera och kvantifiera hålrum i ball grid arrayer (BGAs) och C4 lödfogar. Under substratmonteringsprocessen dessa typer av defekter måste identifieras och övervakas stor utsträckning för att undvika oönskade fel.

För närvarande CT-system som använder laboratoriebaserade källor, även känd som bord, möjlighet att erbjuda så hög som ~ 1 pm rumslig upplösning, och som används för att isolera fel i fler paket med lovande resultat. Men bords CT-system har vissa begränsningar jämfört med SRμT inställningar 13,14. Tabletop system är begränsade till endast avbildning av en viss täthet område av material, eftersom de vanligtvis endast innehåller en eller två röntgenkälla spectrums. Även genomloppstiden (TPT) förblir länge för konventionella bords CT-system som kräver flera timmars datainsamling tid per 1-2 mm 2 område av intresse, som can begränsar dess användbarhet; till exempel, analysera misslyckanden in genom Silicon Vias (TSV), BGA-enheter eller C4 leder ofta kräver skaffa flera Field of Views (FOV) eller regioner av intresse med hög upplösning i provet, vilket resulterar i totalt TPT 8-12 timmar, vilket är en show propp för konventionella CT-system bords när flera prover måste analyseras. Synkrotronstrålning ger mycket högre flöde och ljusstyrka än konventionella röntgenkällor, vilket resulterar i mycket snabbare datainsamling tider för en viss region av intresse. Även SRμT tillåter större flexibilitet när det gäller olika typer av material som kan avbildas och provvolym, har det begränsningar, som är specifika för synkrotron källa och uppspänning, särskilt maximal acceptabel tjocklek och provstorleken. För SRμT installationen vid ALS den maximala tvärsnittsarea som kan avbildas är <36 x 36 mm och tjockleken begränsas av energiområdet och flussmedel tillgängliga och är material specifika.

Denna studie används för att visa hur SRμT kan utnyttjas för att avbilda en hel flernivåsystem i paketet (SIP) med hög upplösning och låg TPT (3-20 min) för användning i kontroll av 3D-halvledarpaket. Mer information om jämföra bordstransformatorer till Synchrotron Source CT: s kan återfinnas i referenser 13,14.

Experimentell Översikt och strålröret 8.3.2 Beskrivning:
Det finns synkrotronanläggningar tillgängliga för tomografi experiment runt om i världen; de flesta av dessa anläggningar kräver fram ett förslag där experimentalist beskriver experimentet liksom dess vetenskapliga inverkan. De experiment som beskrivs här var alla utförs vid ALS vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) vid strålröret 8.3.2. För detta strålröret finns två energilägen: 1) monokromatisk inom energiområdet ~ 7-43 keV eller 2) polykromatisk "vitt" ljus där hela gängble energispektrumet används vid scanning med hög densitet material. Under en typisk scan vid beamline 8.3.2 ett prov är monterad på en rotations stadium där röntgenstrålar tränger provet, sedan de försvagade röntgenstrålarna omvandlas till synligt ljus genom en scintillator, förstoras av en lins, och sedan projiceras på en CCD för inspelning. Detta görs medan provet roterar från 0 till 180 ° producerar en stapel av bilder som är rekonstruerade för att erhålla en 3D-vy av provet med mikrometer upplösning. Den resulterande tomografiska dataset storlek varierar från ~ 3-20 Gb beroende på skanningsparametrarna. Figur 1 visar en schematisk bild av buren där provet skannas.

Följande protokoll som presenteras här beskriver den experimentuppställning, datainsamling, och behandlingssteg som krävs för att avbilda en hel mikroelektroniska paket, men stegen kan modifieras för att avbilda en mängd olika prover. Modifieringarna beror på provstorlek,densitet, geometrier och egenskaper av intresse. Tabellerna 1 och 2 före upplösningen och urvalsstorlek kombinationer till beamline 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). För den mikroelektroniska paket undersöks här provet avbildades med användning av en polykromatisk ( "vita") stråle, som valdes på grund av tjockleken och hög densitet av provets komponenter. Provet monteras i horisontellt på en chuck montera, denna orientering tillåts för hela provet för att passa inom höjden av balken, som är parallell med en höjd av ~ 4 mm och bredd på ~ 40 mm, därför endast kräver ett skanna till fånga hela provet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Obs: Protokoll detaljer som beskrivs nedan har skrivits speciellt för arbete vid beamline 8.3.2 vid ALS, Berkeley, CA. Anpassningar kan krävas för arbete vid andra synkrotronanläggningar, som kan hittas runt om i världen. krävs lämplig säkerhets och strålning utbildning för att köra experiment på dessa anläggningar och riktlinjer för utbildning kan hittas på varje enskild synkrotronljus anläggning hemsida. Eventuella ändringar eller uppdateringar av tomografi protokollet (ALS, LBNL, Berkeley, CA) kan hittas på strålröret manual 15. Detaljer om tomografi processen kan hittas i referens 16. Strålröret forskarna är tillgängliga för att svara på eventuella frågor och kommer att underlätta experimentuppställning.

1. Steg for Performing Tomography Scans på beamline 8.3.2 (ALS, LBNL)

  1. Förbered provet för skanningen genom att montera den på en provhållare utformad för att passa i strålröret rotations scen. För prover som inte har en custOm montera, fästa provet vid en stolpe eller borrchuck med lera eller vax.
    Notera: Provet skannas i denna studie var en mikroelektronisk paket som är 16 x 16 mm och endast ~ 3 mm i höjd. För att passa hela paketet i synfältet provet monteras horisontellt med hjälp av lera tillhandahålls på strålröret.
    1. Rikta provet för att säkerställa att, när den roterar genom 180 grader det stannar inom synfältet. Innan du laddar provet på rotations scenen inne i buren finns en offline håna rotation skede som används för att rikta provet. Visuell kontroll av rotationscentrum är vanligen tillräcklig för anpassningen.
    2. Montera provet fäst till provhållaren i buren. När provet har monterats i buren, två ortogonala centremotorer tillåter positionering av provet i förhållande till rotationscentrum.
      Notera: Ibland krävs provberedning före experiment tid för att se till att provetstorlek är korrekt för den önskade upplösningen. Till exempel några av de 16 x 16 mm mikro paket sektionerades i mindre bitar för ytterligare skanning med hög upplösning. Provstorleken kan bestämmas med användning tabellerna 1 och 2.
  2. Välj förstoringen för skanningen baserad på provstorleken och dimensionen av intresse. Strålröret 8.3.2 har flera linser att välja mellan som producerar bilder med en rad pixelstorlekar 0,35-9 pm. Beroende på förstoring, måste provet vara av lämplig tvärsnittsarea, som synfältet minskar med ökande förstoring.
    1. Eftersom provet skannas här är 22,6 mm i den längsta riktningen, väljer 1X objektivet med PCO.4,000, som visas i tabell 1 och 2, ger denna kombination det största urvalet synfält. Den resulterande pixelstorlek är 8,7 um.
  3. Ställa in röntgenenergi eller byta till en polychromatic stråle med hjälp av strålröret styrdator. Röntgenenergiområde vid beamline 8.3.2 är kontinuerlig 4-80 keV, men flerskiktsmonokroma monterad begränsar energiområdet till ~ 7-43 keV, medan toppflödet inträffar vid ~ 12 keV. För att få bästa bildkvalitet, basera valet energi på att rikta en ~ 30% transmission, som kan mätas på datainsamlings datorn. I allmänhet ökar% Transmission med ökande energi.
    1. För den mikroelektroniska paket, "välj vitt" ljus på grund av tjockleken och materialet av förpackningen.
      Obs! Beamline 8.3.2 manual har detaljerade steg för att ändra mellan "vitt" ljus och monokromatiskt läge.
    2. När du använder "vitt" ljus läge, tillsätt 2-4 metall aluminium och koppar filter i linje med den röntgenstråle för att filtrera bort de lägre energiröntgenstrålar. För detta prov, använda 2 kopparplåt med en total tjocklek av ~ 1,2 mm.
    3. Beräkna transmissionen genom provet före time genom att använda:
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html eller http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ eller http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .php. Till exempel, genom att skriva den kemiska formeln och beräknad tjocklek för provet kommer utsignalen ett diagram som visar den procentuella transmissionen som en funktion av energiområde.
  4. Verifiera att scenens rotationscentrum är i linje med kamerans centrum. För att kontrollera att provet är i linje rotera den 180 grader med hjälp av programvara på strålröret styrdator och visuellt observera förändringen i prov läge genom att titta på röntgenbilderna på datorn. Kontroll ändras till anpassning på samma dator. Bildkvaliteten sjunker när provet upplinjering är avstängd nog så att regioner av provet lämnar synfältet under provets rotation.
  5. Manuellt ställa prov till detektor avstånd för skanning. Kameran är på en translationell scen som kan röra sig horisontellt som användsatt ändra provet till detektoravstånd. När avståndet ökar faskontrast bidrag ökar också. Fas effekter är till hjälp för att enkelt bild subtila sprickor och kanter, men även orsaka andra "halo effekt" artefakter som ofta oönskade.
  6. Verifiera strålröret inriktning. Kontrollera fokus bilden och justera fokus motorn vid behov. Kontrollera att pixelstorlek kalibrering är korrekt genom att flytta provet en bestämd mängd och mäta antalet pixlar provet flyttas för att beräkna um / pixel. Den voxelstorleken kommer att ändras beroende på försöksuppställningen.
    1. Kontrollera att eftersom bilden rör sig horisontellt, bild har spår horisontellt längs en konstant pixel, och om inte, justera kamerans lutning motorn så att de gör. Detta riktar in rotationsaxeln, så att den är parallell med pixelkolumner, som är inriktnings antas senare av rekonstruktionsalgoritmerna.
  7. Välj en exponeringstid för varje röntgenbild. Intervallet för exponeringstiden är 1-1,500 millisekunder och valet beror på skannings energi och upplösning (som bestämmer observerade flödet per upplösningselement). Den valda tiden bör ge en kompromiss mellan den snabbaste tiden för sökningen och en genomsökning med fler räknas och således det bästa signal-till-brus-förhållande.
    1. För mikro paket använder ett urval scan på 100 ms per exponering.
      Obs: Se till att det inte finns några mättade pixlar eller åtminstone mindre än den rekommenderade målet på 100. Styrsystemet är inställd på att visa kamera räknas på en ombyggd skala så att varje kamerans maximala räknas är 65.535.
  8. Ställ in Scan Parametrar använda Data Acquisition datorn.
    1. Mata in önskade vinkelområdet, och antalet bilder för att samla in över detta område. Ju fler vinklar valt längre skannings gånger och större dataset storlek. Gemensamma nummer av vinklar är 513, 1025, och 2049 över en 0-180 graders intervall. För denna studie användning1,025 vinklar över 180 grader under datainsamling.
    2. Välj skanningsläget. De två alternativen för skanning läget är 1) normal och 2) kontinuerlig tomografi. Kontinuerligt läge är att föredra eftersom det resulterar i den kortaste söktiden, ~ 3 min. I det här läget, rotations scenen rör sig kontinuerligt som bilder samlas. I normalläge, stoppar rotationen steget vid varje vinkel och sedan en bild har samlats in.
    3. Ange antal ljusa och mörka fält bilder. De ljusa och mörka fält bilder är nödvändiga för att utföra återuppbyggnaden. För de mörka fält bilder luckorna nära och för ljusa fält eller bakgrundsbilder proverna flyttar ut ur synfältet. Kontrollera att provet translateras tillräckligt långt så att den inte är närvarande i den ljusa fältbild för att undvika stora fel i de rekonstruerade bilderna. Här förvärva 15 mörka fält bilder och 15 ljusa fält bilder.
    4. Ta reda på om kakel är nödvändigt. Om provet är högre än det område som of visa det finns en plattsättning alternativ, som kommer att skanna provet sedan översätta det vertikalt tills hela provet tas.
  9. Utför köra scan på datainsamlings datorn. Skanningen kommer att köras automatiskt baserat på de inmatade inställningar.

2. Steg för Performing Tomografiutrustning databehandling

  1. Dataöverföring till en analys dator finns på strålröret för att utföra återuppbyggnaden och filtrering av datamängden med hjälp av strålrör protokoll. Rekonstruktion kan köras oberoende av datainsamling.
    Obs: Data överförs automatiskt till NERSC, en högpresterande dator, där den bearbetas och rekonstrueras. Användare kan registrera sig för ett konto på NERSC komma åt sina data via SPOT Suite webbportal på spot.nersc.gov. Denna portal är fortfarande under utveckling läge, så många användare föredrar att ha mer kontroll över rekonstruktionsparametrarna, då de följer de återstående stegen.
  2. Reconstruct rå bilderna genom att följa dessa steg: 1) normalisera bilder, 2) skapa bunt sinogram, 3) tillämpa ring avlägsnande / filter, och 4) utföra parallell stråle rekonstruktion. Rekonstruktionen bygger på en filtrerad bakprojektion algoritm. Återuppbyggnadsprocessen resulterar i TIFF-bilder som innehåller information om läget och intensiteten för varje pixel utgör provvolymen. En schematisk bild av hela processen visas i Figur 2.
    1. För att komma åt plugin starta Fiji (som är en förkortning för Fiji är precis ImageJ) och välj meny Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming enligt nedan. En användare på ALS anläggningen kan utföra hela återuppbyggnadsprocessen med hjälp av en anpassad plugin för ImageJ / Fiji, som integrerar flera programvarupaket som syftar till att effektivisera återuppbyggnadsprocessen.
      Obs: Fiji och plugin finns tillgängliga för användning på flera beamline 8.3.2 analys datorer.
    2. När FIJI dialogruta är öppen, Som visas nedan, väljer Raw-filen avsedd för återuppbyggnad. Stapeln av rå, ljusa och mörka bilder bör nu laddas.
    3. Hitta rotationscentrum genom att klicka på "Identifiera rotationscentrum", sedan att visualisera den rekonstruerade bilden välj "Förhands återuppbyggnad". Värdet för rotationscentrum kan också matas in manuellt och förhands.
    4. Med hjälp av detta gränssnitt finns det möjlighet att ändra ring borttagning parametrar, vilken typ av bild (8, 16, eller 32 bitar), pixelområde rotationsvinkel av bilder, och definiera beskurna region. Varje ny parametersats kan visualiseras med hjälp av "Preview återuppbyggnad" -knappen.
    5. När parametrarna väljs, rekonstruera hela bunten med bilder genom att välja "kör". Alla efterföljande datafiler kan hittas i den angivna "Output katalog", kommer standardkatalogen vara i en utdatafil i rådatamappen.
  3. Åtkomstrådata från tomografi sburkar från vilken dator som helst genom att gå till webbplatsen http://spot.nersc.gov/, som är NERSC (LBNL superdator) servern via SPOT portalen.
    Notera: Varje enskild forskare måste ha sin egen NERSC för att komma åt deras specifika datamängder. Användaren kan konfigurera ett konto på https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. Vid strålröret, varje forskargrupp tilldelas en beamline konto. Detta konto används för att komma strålrör datorer, och kan även användas för att komma åt data direkt från strålröret servern med hjälp av Globus Online.
  4. Visualisera data i både 3D och 2D genom att ladda stapeln 2D rekonstruerade bilder i alla 3D-analysprogram. Proven och bilder presenteras här använder Avizo programvara för att utföra analys och visualisering, som är tillgänglig för strålröret användare på någon av de beamline 8.3.2 analys datorer.
  5. Efter en datamängd överförs i visualiseringsprogram utföra ytterligare dataanalys för att få kvantifierad information om specifika ferer i provet. Ofta datauppsättningar nedsamplas i syfte att minska den utgående datastorlek. Men detta kan öka voxelstorleken minska trohet, men jämna bild vy för enklare segmentering.
    1. Välj segment funktioner av intresse genom tröskel histogrammet av stapeln av 2D rekonstruerade skivor och tilldela ett nytt pixelvärde för bildpunkter som faller inom ett angivet intervall.
    2. Visualisera segmenterade volymer och ytor. När funktioner segmenteras de ses i 3D med hjälp Avizo eller valfri visualiseringsprogram. Detta gör det möjligt för 3D-yta tolkningar av specifika funktioner, som lödbollar vid en viss region av intresse.
    3. Kvantifiera funktioner i provet, dvs spricka storlek, vior, porositet, defekter, etc. När en del av intresse identifieras, såsom en via eller spricka, kan funktionen segmenteras och volymetriska information om crack bredd, längd, via volym, porstorleksfördelning kan kvantifieras genom att utvärdera tomographic datamängd.
    4. Skapa en film av provet visar provet i olika riktningar. Film 1 visar exempel på olika tvärsnittsvyer och volymrenderings vyer för mikro paket avbildas i horisontell riktning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De bilder som tagits med tomografi uppstå på grund av differential absorptionen av röntgenstrålar i lodet anslutningar, metalliska spår och annat material i mikro paketet som en funktion av olika dämpnings längder och tjocklek av dessa multi material. SIP-paketet bestod av en kisel dö fäst vid ett keramiskt substrat med första nivån interconnect (FLI) flip chip C4 lödbollar av cirka 80 um diameter; mid-level Interconnect (MLI) lödbollar på cirka 350 um som förbinder detta substrat till en FR4 epoxy kretskort; . och andra nivån interconnect (SLI) BGA lödbollar på cirka 650 ^ m på baksidan av kretskortet Figur 2 visar en schematisk av provet när den är placerad i den horisontella orientering; denna orientering valdes för att passa hela provet inom synfältet för en skanning. Figur 3 visar de 3D-bilder från samma prov, enhela paketet, som avbildades i en scan med låg TPT (tabell 2). Dessa data analyserades och framställas med användning Avizo. För mikro paket en vinkel ökning av 0,175 ° valdes vilket resulterade i 1,025 bilder över 180 grader. I figur 3A plattan genom hål, koppar vior, och en del av substratet är synliga. Figur 3B zoomar in på ett område av intresse som visar ett hörn av fältprogrammerbar grindmatris (FPGA) dör och substrat. Detta visar hur snabbt de enskilda komponenterna i en hel flernivåpaket kan inspekteras. Figur 4 visar de särdrag som detekterade med SRμT i en FPGA SIP-paket. Här kretskortet, VIA: s, kisel dö, båda substraten, och alla nivåer av sammankopplingar kan skönjas. Figurerna 5 och 6 visar användningen av tomografi uppgifter att visualisera funktioner i 3D, där två olika vyer av anslutningarna är displaye d. Figur 6 visar en 3D-bild av vertikalt skannade CPU sänke med FLI och MLI anslutningar. På grund av den vertikala avsökningen orientering hela proverna inte fångas på en avsökning, för att bilden hela provet i denna orientering plattsättning skulle vara nödvändigt Figur 6B visar en 2D tomografisk skiva förstorad.; här bildkvaliteten är tillräckligt att konstatera sprickor inom en lödboll, som skapades under långvarig termisk belastning före avbildning.

Figur 1
Figur 1. Schematisk visar tomografi installationen. Skiss över buren på beamline 8.3.2 vid Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley CA USA). (Figur tagen från 8.3.2 Microtomography Manual, och kan nås på: http://microct.lbl.gov/manual)"Target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. Steg för rekonstruering av data. Schematisk visar stegen för att få en slutlig 3D rekonstruerad bild av ett prov från tomografi installationen. Provet här är en 16 x 16 mm SIP paket som avbildas i horisontell riktning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. 3D-volymen rendering av paketet. 3d en hel FPGA SIP paket avbildas med 8,7 um upplösning och en scan tid av 3 min (A) visar hela paketet, och (B) zoomas in utsikt över ett område av förpackningen visar ett hörn av FPGA substratet och kretskortet sammankopplingar. 13 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Tomografiutrustning bild som visar ett tvärsnitt av förpackningen. 2D rekonstruerade skiva tagen genom FPGA SIP-paketet. Detta prov avbildades med 4,5 um upplösning och en scan tid av 20 min. Kiselchipset, underfill, båda substraten, och alla nivåer av sammankopplingar kan observeras. 13 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

683 / 53683fig5.jpg "/>
Figur 5. 3D-volymen rendering av de tre samtrafiknivåer. Segmenterad 3D-bild som visar hela SIP-paketet med en 8,7 um upplösning (3 min scan tid). Detta visar de tre nivåerna av anslutningar (FLI, MLI, och SLI). 13 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6. synliga porer som identifierats i en lödboll. (A) 3D rekonstruerad bild av vertikalt skannade CPU sänke med FLI och MLI lödanslutningar. (B) Inzoomad region i en 2D rekonstruerade skiva, visar en MLI lödboll med en stor center tomrum och sprickor orsakade under avsiktlig värmestresstester. 13pload / 53683 / 53683fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

filmen 1
Film 1. tomografi bilder i 3D och 2D av paketet ( högerklicka för att ladda ner ). Denna film visar 3D-volymen rendering av 16 x 16 mm 2 paket från olika perspektiv. Sedan kokkärl genom de olika skivorna att visa intern information från inuti förpackningen.

PCO.4,000 (4,008x2,672) PCO.Edge (2,560x2,160) [Optique Peter *]
Lins Pixel (| im) Synfält (mm) Pixel (| im) Synfält (mm)
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

Tabell 1. Detaljer visar kameror och objektiv till ALS beamline 8.3.2.

Källa upplösning Option Kamera / Lens Mag. Pixelstorlek (| im) FOV Bredd (mm) FOV Höjd (mm) Bild Tid TPT (min) FOV / TPT (mm2 / min)
Synchrotron ALS BL 8.3.2 låg A / 1X 8,7 36 6 3 72
låg 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
hög B / 5X 1,3 3,3 2,8 5 1,84
hög B / 10X 0,65 1,7 1,4 11 0,22
Lab baserad källa MicroXCT-200 hög - 1,5-2 1,5-2 1,5-2 180-240 ~ 0,02

Tabell 2. Sammanfattning av resolutioner, synfält, och avbildningstiden för olika kameror och linsalternativ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Alla de steg som beskrivs i protokollet avsnitt är avgörande för att få högupplösta bilder av multi-skala och flera materialprover. En av de mest kritiska stegen är provet montering och fokusering av optiken, som är avgörande för att få högkvalitativa bilder som kan användas för kvantifiering. Specifikt skulle till och med liten rörelse av provet orsaka artefakter i den rekonstruerade bilden och defokusering skulle orsaka försämring av upplösning. För att undvika problem med bildkvalitet är det viktigt att rekonstruera en testbild, som kan äga rum samtidigt medan de nästa provskanningar. Detta kommer att bidra till att identifiera eventuella problem eller problem som kan ha uppstått under genomsökningen installationen. Om det finns problem med den rekonstruerade bilden kan det vara nödvändigt att på nytt söka igenom provet betalar noggrann uppmärksamhet på prov montering och anpassning. Under installationen andra frågor kan uppstå, såsom fel med Labview, problem med provstadiet motorn, eller avsaknad av the röntgenstråle. Det finns detaljerade anvisningar för felsökning på strålröret Manual, som kan hittas på strålrör webbplats. Konsultera strålröret forskarna att diskutera ytterligare alternativ för att förbättra bildkvaliteten eller om experimentalist kommer över ett problem som inte omfattas av manualen.

Alla siffror som visas här lyfta fram fördelarna med att använda SRμT att avbilda en hel multi-level mikro paket på bara några minuter med hög rumslig upplösning och möjlighet att utföra analyser av särdragen i provet icke-förstörande. För proverna avbildas här återuppbyggnaden tid tog under en timme. Det breda energispektrum vid ALS möjliggör avbildning av både höga och låga atomnummer inslag med lämplig filtrering. Detta möjliggör kvantifiering av sprickor, håligheter, delaminering, fel, och mycket mer. För flera av de prover som avbildas här kontinuerlig tomografi läget hjälp i de snabba datainsamlings gånger. Fastdet finns ett brett spektrum av material och volymer som kan avbildas med SRμT det finns flera begränsningar på grund av den tillgängliga energin intervallet för ALS synkrotron anläggning. Specifikt kan tjockleken av mycket täta material begränsas.

Denna höga upplösning förmåga synkrotron källa CT-systemet ger värdefull information för både felanalys och monteringsprocessutveckling. I motsats till bords CT-systemet relativt låg ljusstyrka inte kan tillåta för val av en monokromatisk energi och har svårt att lyfta fram brister i närvaro av koppar eller löda omgivande funktioner. Förmågan hos en tomografi teknik för att rymma stora provstorlekar med snabbare TPT tid är av yttersta betydelse för halvledarindustrin. De erhållna resultaten med hjälp av SRμT föreslå en väg framåt för nya tillämpningar inom mikroelektronik 14. Sammantaget finns det ett brett spektrum av möjligheter på detta område för framtidaarbete, särskilt utreda dessa multi-materiella flera skala mikro emballagen genom in situ förhållanden, såsom cykling temperatur och cyklisk belastning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Den LLNL del av detta arbete genomfördes under överinseende av US Department of Energy av Lawrence Livermore National Laboratory i kontrakt DE-AC52-07NA27344. Intel Corporation Författarna vill tacka Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, och Carlos Orduno från Intel Corporation för en del av datainsamlingen och hjälpsamma diskussioner. Advanced Light Source stöds av direktören, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, av US Department of Energy enligt kontrakt nr DE-AC02-05CH11231.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Beamline 8.3.2 Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA http://microct.lbl.gov/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Zhou, B., et al. In Situ Synchrotron Characterization of Melting, Dissolution, and Resolidification in Lead-Free Solders. J. Electron. Mater. 41, 262-272 (2012).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Elmer, J., et al. Synchrotron Radiation Microtomography for Large Area 3D Imaging of Multilevel Microelectronic Packages. J. Electron. Mater. 43, 4421-4427 (2014).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Kinney, J. H., Nichols, M. C. X-Ray Tomographic Microscopy (XTM) Using Synchrotron Radiation. Annu. Rev. Mater. Sci. 22, 121-152 (1992).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics