Brug synkrotronstråling Microtomography at undersøge Multi-skala Tre-dimensionelle Mikroelektroniske pakker

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

Til denne undersøgelse synkrotronstråling mikro-tomografi, en ikke-destruktiv tredimensional billeddannelse teknik, der anvendes til at undersøge en hel mikroelektroniske pakke med en tværsnitsareal på 16 x 16 mm. På grund af synkrotronen høje flux og lysstyrke prøven blev afbildet på bare 3 minutter med en 8,7 um rumlig opløsning.

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

Synkrotronstråling mikro-tomografi (SRμT) er en ikke-destruktiv tredimensionelle (3D) billeddannelse teknik, der giver høj flux for hurtige datafangst gange med høj rumlig opløsning. I elektronikindustrien er der seriøs interesse i at udføre fejlanalyse på 3D mikroelektroniske pakker, hvoraf mange, som indeholder flere niveauer af high-density sammenkoblinger. Ofte i tomografi er der en afvejning mellem billedopløsning og volumen af ​​en prøve, der kan afbildes. Dette omvendte forhold begrænser nytten af konventionelle computertomografi (CT) systemer, da en mikroelektronisk pakke er ofte store i tværsnitsareal 100-3,600 mm2, men har vigtige funktioner på micron skala. Mikro-tomografi beamline på Advanced Light Source (ALS), i Berkeley, Californien USA, har et setup, der er fleksibel og kan skræddersys til en prøve egenskaber, dvs. tæthed, tykkelse mv med et maksimum tilladerstand tværsnit på 36 x 36 mm. Denne opsætning har også mulighed for at blive enten monokromatisk i energiområde ~ 7-43 keV eller opererer med maksimal flux i hvidt lys-tilstand ved hjælp af en polykromatisk stråle. Præsenteret her er oplysninger om de eksperimentelle skridt til billedet en hel 16 x 16 mm-system i en pakke, for at opnå 3D-billeder af systemet med en rumlig opløsning på 8,7 um alle inden for en scanning på mindre end 3 min. Også vist er resultater fra pakker scannet i forskellige orienteringer og en sektioneret pakke til højere opløsning billeddannelse. I modsætning ville et traditionelt CT system tager timer at optage data med potentielt dårligere opløsning. Faktisk er forholdet mellem field-of-view at gennemløbstiden er meget højere ved anvendelse af synkrotronstråling tomografi setup. Beskrivelsen nedenfor af forsøgsopstillingen kan implementeres og tilpasses til anvendelse med mange andre multi-materialer.

Introduction

I feltet mikroelektronik, som på mange andre områder, er det nødvendigt ikke-destruktiv evaluering i mikrometer skala, når der kendetegner prøver. Specifikt for mikroelektronik industri der er interesse for sondering 3D mikroelektronik pakker, der indeholder multi-niveauer og multi-materialer, og identificere fejl i pakker under termisk, elektrisk og mekanisk påvirkning af komponenter. Rundt om i verden synkrotronstråling faciliteter har udpeget tomografi og diffraktion beamlines, der bruges til fejlanalyse af mikroelektroniske pakker. Nogle eksempler på dette er billeddannelse tomrum dannelse forårsaget af elektromigration 1-3, evaluere mekanismer for tin knurhår vækst 4,5, in situ observationer af underafkøling og anisotropisk termisk udvidelse af tin og intermetalliske forbindelser (IMCS) 6,7, in situ observation af størkning og IMC formation 8-10, anisotropisk mekanisk adfærd ogOmkrystallisation af tin og bly loddemateriale 10, hulrum i flip chip bump, og in situ observationer af Ag-nanoink sintring 11. Alle disse undersøgelser har yderligere fremmet forståelsen og udviklingen af ​​komponenter i den mikroelektroniske industri. Men mange af disse undersøgelser har fokuseret på små regioner i pakken. Yderligere oplysninger kan udledes teste og karakterisere fuld størrelse pakke ved hjælp af høj opløsning SRμT for at fremme deres udvikling.

De elektroniske pakker produceres nu indeholde flere lag af forbindelsesledninger. Disse pakker og enheder vokser mere og mere kompleks, der opfordrer til en 3D-løsning for ikke-destruktiv evaluering med hensyn til fejlanalyse, kvalitetskontrol, vurdering pålidelighed risiko, og udvikling. Visse defekter kræver en teknik, der kan detektere funktioner mindre end 5 um i størrelse, der omfatter hulrum og revner danner inde kobber substrate vias, identificere berøringsfri åben og nonwet loddeplader i flere emballage 12, lokalisering og kvantificere hulrum i bolden grid arrays (BGAs) og C4 lodninger. Under substratet samleprocessen disse typer af defekter skal identificeres og overvåges grundigt for at undgå uønskede fejl.

Øjeblikket CT systemer, der anvender laboratorie-baserede kilder, også kendt som bordplade, er i stand til at tilvejebringe så højt som ~ 1 um rumlig opløsning, og bliver brugt til at isolere fejl i multilevel pakker med lovende resultater. Men bordplade CT systemer har nogle begrænsninger i forhold til SRμT opsætninger 13,14. Tabletop systemer er begrænset til kun at afbilde en vis tæthed række materialer, da de normalt kun indeholder et eller to røntgenkilde spektre. Også gennem-put-tid (TPT) er fortsat lang til konventionelle bordplade CT-systemer, der kræver flere timers dataopsamling tid pr 1-2 mm 2 region af interesse, hvilket can begrænse sin nytte; for eksempel, analysere fejl i Through Silicon Vias (TSV), BGAs eller C4 leddene ofte kræver erhverve flere Field of Views (FOV) eller områder af interesse ved høj opløsning i prøven, hvilket resulterer i alt TPT af 8-12 timer, hvilket er en vis prop for konventionelle bordplade CT-systemer, når flere prøver der skal analyseres. Synkrotronstråling giver meget højere flux og lysstyrke end konventionelle røntgen kilder, hvilket resulterer i meget hurtigere datafangst tider for en given region af interesse. Selvom SRμT giver mulighed for større fleksibilitet med hensyn til typer af materialer, der kan afbildes og prøve volumen, det har begrænsninger, der er specifikke for synkrotron kilden og opsætning bruges, specielt maksimalt acceptable tykkelse og prøve størrelse. For SRμT setup på ALS den maksimale tværsnitsareal, der kan afbildes er <36 x 36 mm og tykkelsen er begrænset af energiområde og flux rådighed og er væsentlige sÆRLIGE.

Denne undersøgelse anvendes til at vise, hvordan SRμT kan anvendes til at afbilde et helt system med flere niveauer i pakken (SIP) med høj opløsning og lav TPT (3-20 min) til anvendelse i forbindelse med kontrol 3D halvlederpakker. Flere detaljer om at sammenligne bordplade CT s til Synchrotronbestrålingscenter Source CT kan findes i referencer 13,14.

Eksperimentel Oversigt & Beamline 8.3.2 Beskrivelse:
Der er synkrotron faciliteter til rådighed for tomografi eksperimenter rundt omkring i verden; de fleste af disse faciliteter kræver indsendelse af et forslag, hvor experimentalist beskriver forsøget, samt dens videnskabelige betydning. De her beskrevne eksperimenter blev alle udført på ALS på Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ved beamline 8.3.2. Til denne beamline der to energi-mode muligheder: 1) monokromatisk i energiområde ~ 7-43 keV eller 2) polykromatisk "hvidt" lys, hvor hele fælleble energi spektrum bruges, når der scannes høje materialer tæthed. Under en typisk scanning ved beamline 8.3.2 en prøve er monteret på en roterende stadium, hvor røntgenstråler trænger gennem prøven, hvorefter de svækkede røntgenbilleder omdannes til synligt lys gennem en scintillator, forstørret af en linse, og derefter projiceres på en CCD til optagelse. Dette gøres, medens prøven roterer fra 0 til 180 ° fremstilling af en stabel af billeder, der er rekonstruerede at opnå en 3D-visning af prøven med mikrometer opløsning. Den resulterende tomografisk datasæt størrelse spænder fra ~ 3-20 Gb afhængig af parametre scanningen. Figur 1 viser en skematisk af Hutch, hvor prøven er scannet.

Følgende protokol præsenteres her beskriver forsøgsopstillingen, dataopsamling og procestrin kræves til billeddannelse en hel mikroelektronisk pakke, men trinene kan ændres til billedet forskellige prøver. Ændringerne afhænger af prøvens størrelse,tæthed, geometrier, og funktioner af interesse. tabel 1 og 2 til stede opløsningen og prøve størrelse kombinationer til rådighed på beamline 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). For mikroelektroniske pakke undersøgt her prøven blev afbildet ved anvendelse af en polykromatisk ( "hvid") stråle, som blev udvalgt på grund af tykkelsen og høj massefylde af prøven komponenter. Prøven blev monteret i vandret retning på en patron mount, denne orientering tilladt for hele prøven til at passe i højden af ​​strålen, der er parallel med en højde på ~ 4 mm og bredde på ~ 40 mm, derfor kun kræver én scan til fange hele prøven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemærk: Protokol detaljer beskrevet nedenfor blev skrevet specielt til arbejde på beamline 8.3.2 på ALS, Berkeley, CA. Det kan være nødvendigt Tilpasninger til arbejde på andre synkrotron- faciliteter, som kan findes rundt omkring i verden. Passende sikkerheds- og stråling uddannelse er nødvendig for at køre eksperimenter ved disse faciliteter og retningslinjerne for uddannelsen kan findes på de enkelte synkrotron facilitet hjemmeside. Eventuelle ændringer eller opdateringer til tomografi protokol (ALS, LBNL, Berkeley, CA) kan findes på beamline manual 15. Nærmere oplysninger om de tomografi processen kan findes i reference 16. De beamline forskere er til rådighed til at besvare eventuelle spørgsmål og vil lette forsøgsopstillingen.

1. Skridt for Performing scanninger på Beamline 8.3.2 (ALS, LBNL)

  1. Forbered prøven til scanningen ved at montere den på en prøve holder designet til at passe i beamline s roterende scene. For prøver, der ikke har en custabout montere, klæbe prøven til et indlæg eller borepatron med ler eller voks.
    Bemærk: Prøven scannes i denne undersøgelse var en mikroelektronisk pakke, der er 16 x 16 mm og kun ~ 3 mm i højden. For at passe hele pakken i synsfeltet prøven blev monteret horisontalt ved hjælp ler tilvejebragt ved beamline.
    1. Juster prøven for at sikre, at når den roterer gennem 180 grader den holder sig inden for synsfeltet. Før du lægger prøven på roterende scene inde i Hutch er der en offline mock rotation fase, der bruges til at justere prøven. Visuel inspektion af rotationscentret er normalt tilstrækkeligt til justeringen.
    2. Monter prøven er knyttet til indehaveren af ​​prøven inde i Hutch. Når prøven er blevet monteret i bur, to ortogonale centreringselementer motorer tillader positionering af prøven i forhold til omdrejningspunktet.
      Bemærk: Nogle gange er der behov for forud for eksperiment tid prøveforberedelse for at være sikker på prøvenstørrelse er korrekt for den ønskede opløsning. For eksempel blev nogle af de 16 x 16 mm mikroelektroniske pakker opdelt i mindre stykker til yderligere høj opløsning scanning. Prøven størrelse kan bestemmes ved hjælp af tabel 1 og 2.
  2. Vælg forstørrelsen til scanningen baseret på prøven størrelse og funktion størrelsen af ​​interesse. Beamline 8.3.2 har flere linser at vælge imellem, der producere billeder med en række pixel størrelser 0,35-9 um. Afhængigt af forstørrelsen, skal prøven være af passende tværsnitsareal, som synsfeltet falder med stigende forstørrelse.
    1. Da prøven scannes her er 22,6 mm i den længste retning, vælge 1X linse med PCO.4,000, som vist i tabel 1 og 2, denne kombination giver den største prøve synsfelt. Den resulterende pixel størrelse er 8,7 um.
  3. Sæt x-ray energi eller skifte til en polychromantiske stråle ved hjælp af Beamline Kontrol Computer. X-ray energiområde ved beamline 8.3.2 er kontinuerlig 4-80 keV, men flerlagede monochromator monteret begrænser den energi interval til ~ 7-43 keV, mens toppen flux sker på ~ 12 keV. For at få den bedste billedkvalitet, basere udvælgelsen energi på at målrette en ~ 30% transmission, som kan måles på dataopsamling Computer. Generelt% Transmission stiger med stigende energi.
    1. For mikroelektroniske pakke ", vælge hvide" lys på grund af tykkelsen og materialet af pakken.
      Bemærk: beamline 8.3.2 manual har detaljerede trin for at skifte mellem "hvide" lys og monokromatisk tilstand.
    2. Ved brug af "hvide" lys-tilstand, tilsæt 2-4 metal aluminium og kobber filtre i overensstemmelse med x-ray stråle for at filtrere de lavere energi x-stråler. Til denne prøve, bruge 2 kobberplader med en samlet tykkelse på ~ 1,2 mm.
    3. Beregn transmission gennem prøven foran time ved at bruge:
      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. For eksempel, indlæser den kemiske formel og anslået tykkelse for prøven vil output en graf, der viser den procentvise transmission som funktion af energiområde.
  4. Kontroller, at fase centrum af rotation er på linje med kameraets centrum. For at kontrollere, at prøven er justeret rotere det 180 grader ved hjælp software på Beamline Kontrol Computer og visuelt observere ændringen i prøven placering ved at se røntgenbilleder på computeren. Kontrol skifter til tilpasningen til den samme computer. Billedkvaliteten forringes, når prøven alignment er slukket nok til, at områder af prøven forlader synsfeltet under prøven rotation.
  5. Manuelt indstillet prøve til detektor afstand til scanning. Kameraet er på en translationel fase, der kan bevæge sig horisontalt som anvendesat ændre prøven til detektoren afstand. Når afstanden forøger fasekontrast bidrag også stiger. Fase effekter er nyttige til lettere billedet subtile revner og kanter, men også forårsage andre "halo effekt" artefakter, der ofte uønskede.
  6. Kontroller beamline justering. Kontrollere fokus af billedet og justere fokus motoren, hvis nødvendigt. Bekræfter, at pixelstørrelsen kalibreringen er korrekt ved at bevæge prøven en defineret mængde og måle antallet af pixels prøven flyttet til beregning um / pixel. Voxelstørrelsen vil ændre sig afhængigt af forsøgsopstillingen.
    1. Kontroller, at som billedet bevæger sig vandret, billede har styr vandret langs en konstant pixel, og hvis ikke, skal du justere kameraet tilt motor, så de gør. Dette bringer omdrejningsaksen, således at den er parallel med pixelsøjler, hvilket er opretningen antages senere af rekonstruktionsalgoritmer.
  7. Vælg en eksponeringstid for hver røntgenbillede. Intervallet for eksponeringstid er 1-1,500 ms og valget afhænger af scanningen energi og opløsning (der bestemmer den observerede flux per resolution element). Den valgte tid bør give en afvejning mellem den hurtigste scanningstid og en scanning med flere tællinger og dermed det bedste signal-til-støj-forhold.
    1. For mikroelektroniske pakke, brug en prøve scanningstid på 100 ms pr eksponering.
      Bemærk: Sørg for at der ikke er nogen mættede pixels eller i det mindste mindre end den anbefalede mål på 100. Styresystemet er indstillet til at vise kameraets tæller på en ombygget skala, således at hver kameraets maksimale optællinger er 65.535.
  8. Opsætning scanningsparametrene hjælp af dataopsamling Computer.
    1. Indtaste det ønskede vinkelområde, og antallet af billeder til at indsamle over denne rækkevidde. Jo flere vinkler valgt længere scanningen tidspunkter og større datasættet størrelse. Fælles antal vinkler er 513, 1.025 og 2.049 over et 0-180 graders interval. Til denne undersøgelse brug1.025 vinkler over 180 grader under dataopsamling.
    2. Vælg scanningsfunktion. De to muligheder for scanning-tilstand er 1) normal og 2) kontinuerlig tomografi. Kontinuert foretrækkes, da det resulterer i den korteste scanningstid, ~ 3 min. I denne tilstand, flytter rotation scenen kontinuerligt som billeder indsamles. I normal tilstand, standser rotationen scenen på hver vinkel og derefter et billede indsamles.
    3. Angiv antal lyse og mørke felt billeder. De lyse og mørke felt billeder er nødvendige for at udføre genopbygning. For de mørke felt billeder skodderne tæt og for den lyse felt eller baggrundsbilleder prøverne bevæger sig ud af synsfeltet. Kontrollere, at prøven er oversat langt nok, så det ikke er til stede i den lyse felt billedet for at undgå store fejl i de rekonstruerede billeder. Her, erhverve 15 mørke felt billeder og 15 lyse felt billeder.
    4. Afgør om fliser er nødvendig. Hvis prøven er højere end marken of se der er en flisebelægning mulighed, som vil skanne prøven derefter oversætte det lodret, indtil hele prøven er taget.
  9. Udfør køre scanning på dataopsamling Computer. Scanningen vil køre automatisk baseret på de indlæste indstillinger.

2. trin til Performing Tomografisk Databehandling

  1. Overførsel af data til en analyse computer til rådighed på beamline at udføre genopbygning og filtrering af datasættet ved hjælp beamline protokol. Genopbygningen kan køre uafhængigt af købet af data.
    Bemærk: Data overføres automatisk til NERSC, en højtydende computer, hvor den er behandlet og rekonstrueret. Brugere kan tilmelde dig en konto på NERSC at få adgang til deres data via SPOT Suite webportal på spot.nersc.gov. Denne portal er stadig under udvikling tilstand, så mange brugere foretrækker at have mere kontrol over genopbygning parametre, i hvilket tilfælde de følger de resterende trin.
  2. Reconstruct de rå billeder efter disse trin: 1) normalisere billeder, 2) skabe stak sinograms, 3) gælder ring fjernelse / filtre, og 4) udføre parallel genopbygning stråle. Genopbygningen er baseret på en filtreret bagprojektionsalgoritme. resultater genopbygningsprocessen i TIFF-billeder, der indeholder oplysninger om placeringen og intensiteten af ​​hver pixel, der udgør prøvevolumen. En skematisk af hele processen er vist i figur 2.
    1. For at få adgang plugin starter FIJI (som er en forkortelse for Fiji Er Just ImageJ) og vælg menuen plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming som vist nedenfor. En bruger på ALS facilitet kan udføre hele genopbygningsprocessen hjælp af en brugerdefineret plugin til ImageJ / Fiji, der integrerer flere softwarepakker til formål at strømline genopbygningsprocessen.
      Bemærk: Fiji og plugin er tilgængelige til brug på flere Beamline 8.3.2 analyse computere.
    2. Når FIJI dialogboks er åbenSom vist nedenfor, skal du vælge den rå fil beregnet til genopbygning. Stakken af ​​rå, lyse og mørke billeder bør nu indlæst.
    3. Find omdrejningspunkt ved at klikke på "Detect omdrejningspunkt", så at visualisere det rekonstruerede billede vælge 'Eksempel genopbygning «. Værdien for omdrejningspunkt kan også indtastes manuelt, og fremvist.
    4. Ved hjælp af denne grænseflade er der mulighed for at ændre ring fjernelse parametre, den type billede (8, 16 eller 32 bit), pixel rækkevidde, rotation vinkel på billederne, og definere beskårne område. Hver ny parametersæt kan visualiseres ved hjælp af knappen "Vis eksempel genopbygning«.
    5. Når parametrene er valgt, rekonstruere hele stakken af ​​billeder ved at vælge "Kør". Alle de efterfølgende datafiler kan findes i den angivne "Output mappe", vil standard biblioteket være i en output-fil i den rå mappe data.
  3. Få adgang til rådata fra tomografi sdåser fra enhver computer ved at gå til hjemmesiden http://spot.nersc.gov/, som er den NERSC (LBNL supercomputer) server via SPOT portalen.
    Bemærk: Hver enkelt forsker skal have deres egen NERSC konto for at få adgang til deres specifikke datasæt. En bruger kan setup en konto på https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. På beamline er hver forskergruppe tildelt en beamline konto. Denne konto bruges til at få adgang beamline computere, og kan også bruges til at få adgang til data direkte fra beamline serveren ved hjælp af Globus Online.
  4. Visualiser data i både 3D og 2D ved at indlæse stakken af ​​2D rekonstrueret billeder i enhver 3D analyse software. Prøverne og billeder præsenteres her bruger Avizo software til at foretage analysen og visualisering, som er tilgængelig for beamline brugere på nogen af ​​de beamline 8.3.2 analyse computere.
  5. Efter et datasæt er uploadet til visualisering software udføre yderligere dataanalyse for at få kvantificerede oplysninger om specifikke feturer inden prøven. Ofte datasæt nedsamples for at reducere produktionen datastørrelsen. Men dette kan øge voxelstørrelsen reducere troskab, men udjævne visningen billedet for lettere segmentering.
    1. Vælg segment træk af interesse ved tærsklingsrutine histogrammet af stakken af ​​2D rekonstrueret skiver, og tildele en ny pixelværdi til pixels, der falder inden for et specificeret område.
    2. Visualiser segmenterede volumen og overflader. Når funktioner er segmenteret de ses i 3D ved hjælp Avizo eller enhver foretrukne visualisering software. Dette giver mulighed for 3D-overflade gengivelser af bestemte funktioner, som loddemetal bolde på en bestemt region af interesse.
    3. Kvantificere funktioner i stikprøven, dvs., crack størrelse, vias, porøsitet, defekter, etc. Når en funktion af interesse er identificeret, såsom en via eller crack, kan funktionen være segmenteret og volumetrisk oplysninger om revnebredde, længde, via volumen, porøsitetsfordeling kan kvantificeres ved at evaluere Tomographic datasæt.
    4. Opret en film af prøven viser prøven i forskellige orienteringer. Movie 1 viser eksempler på de forskellige tværsnit og udsigt volumen rendering for mikroelektroniske pakke afbildet i vandret retning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Billederne taget med tomografi opstå på grund af den differentierede absorption af røntgen i loddemetal interconnects, metalliske spor og andre materialer i mikroelektroniske pakken som en funktion af de forskellige dæmpning længder og tykkelse af disse multi-materialer. SIP pakke bestod af en silicium dø knyttet til et keramisk substrat med første niveau interconnect (FLI) flip chip C4 loddemetal kugler af ca. 80 um diameter mid-niveau interconnect (MLI) loddemetal kugler af ca. 350 um forbinder dette substrat til en FR4 epoxy kredsløb; . og andet niveau interconnect (SLI) BGA loddekugler på ca. 650 um på bagsiden af printpladen Figur 2 viser en skematisk af prøven, når den anbringes i vandret orientering; denne orientering blev udvalgt for at passe til hele prøven i synsfeltet for én scanning. Figur 3 viser 3D-billeder fra den samme prøve, enhele pakken, der blev afbildet i én scanning med lav TPT (tabel 2). Disse data blev analyseret og fremstillet under anvendelse Avizo. For de mikroelektroniske pakker en vinkeltilvækst af 0,175 ° blev valgt resulterer i 1.025 billeder over 180 grader. I figur 3A pladen gennem huller, kobber vias, og nogle af substratet er synlige. Figur 3B zoomer ind på et område af interesse, der viser et hjørne af Field-Programmable Gate Array (FPGA) dø og substrat. Dette viser, hvor hurtigt de enkelte komponenter i en hel multilevel pakke kan inspiceres. Figur 4 viser de funktioner detekteret med SRμT i en FPGA SIP pakke. Her printkortet, VIAs, silicium dør begge substrater, og alle niveauer af forbindelsesledninger er mærkbare. Figur 5 og 6 demonstrere brugen af tomografi data til at visualisere funktioner i 3D, hvor to forskellige visninger af interconnects er displaye d. Figur 6 viser et 3D-billede af den vertikalt scannede CPU die pakke med FLI og MLI forbindelser. På grund af den vertikale scanning orientering hele prøverne blev ikke fanget i én scanning, for at billedet vil være nødvendigt hele prøven i denne orientering flisebelægning Figur 6B viser en 2D tomografisk udsnit forstørret.; her billedkvaliteten er tilstrækkeligt at bemærke revner i en lodde bold, der blev skabt under langvarig cyklisk varmepåvirkning før billeddannelse.

figur 1
Figur 1. Skematisk viser tomografi opsætning. Skematisk af Hutch på beamline 8.3.2 på Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley CA USA). (Figur taget fra 8.3.2 Microtomography Manual, og kan findes på: http://microct.lbl.gov/manual)"Target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. trin til rekonstruktion af data. Skematisk viser trin for at få en endelig 3D rekonstrueret billede af en prøve fra tomografi setup. Prøven her er en 16 x 16 mm SIP pakke, der afbildes i vandret retning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. 3D volumen gengivelse af pakken. 3D-gengivelse af en hel FPGA SIP pakke afbildet med 8,7 um opløsning og en scanning tid på 3 minutter (A) viser hele pakken, og (B) zoomes ind billede af en region af pakken viser et hjørne af FPGA substrat og printpladen sammenkoblinger. 13 Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Tomografisk billede, der viser et tværsnit af emballagen. 2D rekonstrueret skive taget gennem FPGA SIP pakke. Denne prøve blev afbildet med 4,5 um opløsning og en scanning på 20 min. Silicium dør, underfill begge substrater, og alle niveauer af interconnects kan observeres. 13 Klik her for at se en større version af dette tal.

683 / 53683fig5.jpg "/>
Figur 5. 3D volumen gengivelse af de tre interconnect niveauer. Segmenteret 3D-billede viser hele SIP pakke med en 8,7 um opløsning (scanningstid 3 min). Det viser de tre niveauer af interconnects (FLI, MLI, og SLI). 13 Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Synlige porer identificeret i en lodde bold. (A) 3D rekonstrueret billede af den vertikalt scannede CPU die pakke med FLI og MLI loddetilslutninger. (B) Zoomet i regionen i en 2D rekonstrueret skive, der viser en MLI lodde bolden med stort center tomrum og revner forårsaget under forsætlig termiske stresstest. 13pload / 53.683 / 53683fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Movie 1
Movie 1. tomografi billeder i 3D og 2D af pakken ( højreklik for at downloade ). Denne film viser 3D volumen rendering af 16 x 16 mm 2 pakke fra forskellige perspektiver. Derefter pander gennem de forskellige skiver til at vise interne oplysninger fra inde i emballagen.

PCO.4,000 (4,008x2,672) PCO.Edge (2,560x2,160) [Optique Peter *]
Linse Pixel (um) Synsfelt (mm) Pixel (um) Synsfelt (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

Tabel 1. Detaljer, der viser de kameraer og objektiver til rådighed på ALS beamline 8.3.2.

Kilde Opløsning Option Kamera / Lens Mag. Pixel Size (um) FOV Bredde (mm) FOV Højde (mm) Billede Time TPT (min) FOV / TPT (mm2 / min)
Synchrotronbestrålingscenter ALS BL 8.3.2 lav A / 1X 8.7 36 6 3 72
lav B / 1X 6.5 16.6 6 3 33.2
with B / 2X 3.3 8.3 6 3 16.6
with A / 2X 4,5 18 6 20 5.4
høj B / 5X 1.3 3.3 2.8 5 1,84
høj B / 10X 0,65 1.7 1.4 11 0,22
Lab-Based Source MicroXCT-200 høj - 1,5-2 1,5-2 1,5-2 180-240 ~ 0.02

Tabel 2. Oversigt over resolutioner, synsfelt, og billedbehandling for forskellige kameraer og objektiver muligheder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Alle de trin, der er beskrevet i protokollen sektion er afgørende for at opnå høj opløsning billeder af multi-skala og multi-materialeprøver. En af de mest kritiske trin er prøven montering og fokusering af optik, som er afgørende for at opnå kvalitet billeder, der kan bruges til kvantificering. Konkret ville endda lille bevægelse af prøven forårsage, i det rekonstruerede billede og defokusering vil medføre forringelse af opløsning. For at undgå problemer med billedkvaliteten er det vigtigt at rekonstruere et testbillede, som kan finde sted samtidig, mens den næste prøve scanninger. Dette vil hjælpe med at identificere eventuelle problemer eller problemer, der måtte være opstået under scanningen opsætning. Hvis der er problemer med det rekonstruerede billede kan det være nødvendigt at re-scanne prøven meget opmærksom på prøve montering og justering. Under opsætningen kan opstå andre problemer, såsom fejl med Labview, problemer med prøven fase motor, eller fraværet af the røntgen stråle. Der er detaljerede trin for fejlfinding på beamline manual, som kan findes på beamline hjemmeside. Se i beamline forskere til at drøfte yderligere muligheder for at forbedre billedkvaliteten, eller hvis experimentalist kommer på tværs af en problem ikke er dækket i manualen.

Alle tallene her fremhæve fordelene ved at bruge SRμT til billedet en hel multi-level mikroelektronik pakke på kun et par minutter med høj rumlig opløsning og evnen til at udføre analyser på specifikke funktioner i prøven ikke-destruktivt. For prøverne afbildet her genopbygningen gang tog under en time. Det brede energi spektrum ved ALS muliggør billeddannelse af både høje og lave atomnummer elementer med en passende filtrering. Dette giver mulighed for kvantificering af revner, hulrum, delaminering, defekter, og meget mere. For flere af de prøver, afbildet her kontinuerlig tomografi tilstand hjulpet i de hurtige datafangst gange. Selvomder er en lang række materialer og mængder, der kan afbildes ved hjælp SRμT der er flere begrænsninger på grund af tilgængelig energi interval for ALS synkrotron facilitet. Specifikt kan tykkelsen af ​​meget tætte materialer være begrænset.

Denne høj opløsning evne synkrotron source CT system giver værdifuld information for både fejlanalyse og montage proces udvikling. I modsætning kan bordpladen CT-systemets forholdsvis lav lysstyrke ikke tillade selektion af en monokromatisk energi og har svært fremhæve defekter i nærvær af kobber eller loddemetal omgivende funktioner. Evnen af ​​en tomografi teknik til at rumme store stikprøvestørrelser med hurtigere TPT tiden er af største betydning for halvlederindustrien. De opnåede ved hjælp SRμT resultater tyder en vej fremad for nye applikationer i mikroelektronik 14. Samlet er der en bred vifte af muligheder i dette område i fremtidenarbejde, der specifikt undersøger disse multi-materielle multi-skala mikroelektroniske pakker under in situ-betingelser, såsom cykling temperatur og cyklisk belastning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Den LLNL del af dette arbejde blev udført i regi af det amerikanske Department of Energy ved Lawrence Livermore National Laboratory under kontrakt DE-AC52-07NA27344. Intel Corporation Forfatterne vil gerne takke Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, og Carlos Orduno fra Intel Corporation for nogle af dataindsamlingen og nyttige diskussioner. Advanced Light Source understøttes af direktøren, Kontoret for Videnskab, Office of Basic Energi Videnskaber, af det amerikanske Department of Energy under 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