Bruke Synchrotron Radiation microtomography å etterforske Multi-skala Tredimensjonal Mikro 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

For denne studien synkrotronstråling mikro-tomografi, en ikke-destruktiv tredimensjonale avbildningsteknikk er anvendt for å undersøke en hel mikroelektroniske pakke med et tverrsnittsareal på 16 x 16 mm. På grunn av synkrotron høye flux og lysstyrke prøven ble fotografert i bare 3 min med en 8,7 mikrometer romlig oppløsning.

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 tredimensjonal (3D) avbildningsteknikk som gir høy fluks for rask datainnsamling ganger med høy romlig oppløsning. I elektronikkindustrien er seriøs interesse i å utføre feilanalyser på 3D mikroelektroniske pakker, mange som inneholder flere nivåer av sammenkoblinger med høy tetthet. Ofte i tomografi er det en avveining mellom bildeoppløsning og volumet av en prøve som kan avbildes. Dette inverse forhold begrenser nytten av konvensjonelle computertomografi (CT) systemer siden en mikroelektroniske pakke er ofte stor i tverrsnittsareal 100-3,600 mm 2, men har viktige funksjoner på skalaen mikron. Mikro-tomografi beamline ved Advanced Light Source (ALS), i Berkeley, CA USA, har et oppsett som er tilpasningsdyktig og kan skreddersys til en prøve egenskaper, dvs. tetthet, tykkelse, etc., med en maksimal tillatestand tverrsnitt på 36 x 36 mm. Dette oppsettet har også muligheten til å være enten monokromatisk i energiområdet ~ 7-43 keV eller opererer med maksimal forandring i hvitt lys modus ved hjelp av en polykromatisk bjelke. Presenteres her er detaljer av de eksperimentelle trinnene tatt å avbilde en hel 16 x 16 mm system i en pakke, for å oppnå 3D bilder av systemet med en romlig oppløsning på 8,7 um alle innenfor et skanning på mindre enn 3 min. Også vist er resultatene fra pakker skannet i ulike retninger og en seksjonert pakke for høyere oppløsning bildebehandling. I kontrast en vanlig CT-systemet ville ta flere timer å registrere data med potensielt dårligere oppløsning. Faktisk er forholdet mellom felt-of-view til gjennomstrømming tid mye høyere ved bruk av synkrotronstråling tomografi oppsett. Beskrivelsen nedenfor av det eksperimentelle oppsettet kan implementeres og er tilpasset for bruk sammen med mange andre multi-materialer.

Introduction

I mikroelektronikk-feltet, som i mange andre felt, er ikke-destruktive evaluering ved mikrometer skala nødvendig når karakterisere prøver. Spesielt for mikroelektronikk industrien det er interesse for sondering 3D mikroelektronikk pakker, som inneholder flere nivåer og multi-materiale, og identifisere svikt i pakker under termisk, elektrisk og mekanisk stresse av komponenter. Rundt om i verden synkrotronstråling anleggene har utpekt tomografi og diffraksjon beamlines som brukes for feil analyse av mikroelektroniske pakker. Noen eksempler på dette er tenkelig tomrommet dannelse forårsaket av elektro 1-3, vurdere mekanismer for tinn whisker vekst 4,5, in situ observasjoner av underkjøling og anisotropisk termisk utvidelse av tinn og intermetalliske forbindelser (IMCS) 6,7, in situ observasjon av størkning og IMC formasjon 8-10, anisotropisk mekanisk oppførsel ogrekrystallisering av tinn og bly gratis lodde 10, porer i flip chip støt, og i situ observasjoner av Ag-nanoink sintring 11. Alle disse studiene har ytterligere økt forståelsen og utvikling av komponenter i den mikroelektroniske industrien. Men mange av disse studiene har fokusert på små områder i pakken. Mer informasjon kan leses ut fra testing og karakterisering av full størrelse pakke med høyoppløselig SRμT for å fremme deres utvikling.

De elektroniske pakker som blir produsert nå inneholde flere lag av sammenkoblinger. Disse pakkene og enheter vokser mer og mer komplekse som oppfordrer til en 3D-løsning for ikke-destruktiv evaluering med hensyn til feil analyse, kvalitetskontroll, pålitelighet risikovurdering og utvikling. Enkelte defekter krever en teknikk som kan oppdage funksjoner mindre enn 5 mikrometer i størrelse, som inkluderer hulrom og sprekker som danner inne kobber substrate vias, identifisere ikke-kontakt åpen og nonwet Lamell i multilevel emballasje 12, lokalisering og kvantifisering hulrom i ball grid array (BGAs) og C4 lodding. Under underlaget monteringsprosessen disse typer feil må identifiseres og overvåkes grundig for å unngå uønskede feil.

For tiden CT-systemer ved hjelp av laboratorie-baserte kilder, også kjent som bordplate, er i stand til å gi så høy som ~ 1 mikrometer romlig oppløsning, og blir brukt til å isolere svikt i flere nivåer pakker med lovende resultater. Men tabletop CT-systemer har noen begrensninger i forhold til SRμT oppsett 13,14. Brett systemer er begrenset til bare å avbilde en viss tetthet spekter av materialer ettersom de vanligvis bare inneholder én eller to røntgenkildespektrumet. Også gjennom-put-tid (TPT) forblir lenge for vanlige bord CT-systemer som krever flere timer med datainnsamling gang per 1-2 mm 2 region av interesse, som can begrense dens nytte; for eksempel å analysere feil i Gjennom Silicon Vias (TSV), BGAs eller C4 ledd ofte krever anskaffe flere Field of Views (FoV) eller regioner av interesse, med høy oppløsning i prøven, som resulterer i total TPT på 8-12 timer, noe som er et show stopper for vanlige bord CT-systemer når flere prøver må analyseres. Synkrotronstråling gir mye høyere fluks og lysstyrke enn konvensjonelle røntgenkilder, noe som resulterer i mye raskere datainnhentingstider for et gitt område av interesse. Selv SRμT tillater for mer fleksibilitet med hensyn til typer materialer som kan avbildes og prøvevolum, har det begrensninger, som er spesifikke for synkrotron source og oppsett brukt, spesielt maksimal akseptabel tykkelse og utvalgsstørrelse. For SRμT oppsettet ved ALS det maksimale tverrsnittsareal som kan avbildes er <36 x 36 mm og tykkelsen er begrenset av energiområdet og fluks tilgjengelig, og er material specific.

Denne studien blir anvendt for å demonstrere hvordan SRμT kan anvendes for å avbilde et helt flernivåsystem i pakken (SIP) med høy oppløsning og lav TPT (3-20 min) for bruk ved inspeksjon av 3D-halvlederpakker. Flere detaljer om sammenligne tabletop CT til Synchrotron Source CT kan bli funnet i referanser 13,14.

Eksperimentell Oversikt og tros 8.3.2 Beskrivelse:
Det er synkrotron fasiliteter tilgjengelig for tomografi eksperimenter rundt om i verden; de fleste av disse anleggene krever tilførsel av forslag hvor experimentalist beskriver forsøket, så vel som dens vitenskapelige innvirkning. Forsøkene som er beskrevet her ble alle utført på ALS ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) på beamline 8.3.2. For dette beamline det to energimodus alternativer: 1) monokromatisk i energiområdet ~ 7-43 keV eller 2) polykromatisk "hvit" lys der hele tilgjengelig energispekteret brukes ved skanning av materialer med høy tetthet. Under en typisk skanning ved beamline 8.3.2 en prøve er montert på en rotasjonstrinn hvor røntgen trenge gjennom prøven, da de svekkede røntgenstråler omformes til synlig lys gjennom en scintillator, forstørret av en linse, og deretter projisert på en CCD for opptak. Dette gjøres mens prøven roterer 0-180 ° fremstilling av en stabel bilder som er rekonstruert for å skaffe en 3D-visning av prøven med mikrometer oppløsning. Den resulterende tomographic datasettet størrelse varierer fra 3-20 ~ Gb avhengig av skanneparametrene. Figur 1 viser et skjematisk av bur hvor prøven blir skannet.

Følgende protokoll som presenteres her beskriver det eksperimentelle oppsettet, datainnsamling og prosesstrinn som kreves for å avbilde en hel mikroelektroniske pakken, men fremgangsmåten kan modifiseres til bilde en rekke prøver. Modifikasjonene er avhengig av prøvestørrelsen,tetthet, geometrier, og funksjoner av interesse. Tabeller 1 og 2 til stede for oppløsning og utvalgsstørrelse kombinasjoner tilgjengelig på beamline 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). For mikroelektroniske pakken undersøkt her prøven ble fotografert ved anvendelse av en polykromatisk ( "hvit") bjelke, som ble valgt på grunn av tykkelsen og høy tetthet av prøven komponenter. Prøven ble montert i den horisontale retning på en chuck montere, denne retning tillates for hele prøven for å passe innenfor høyden av bjelken, som er parallelle med en høyde på ~ 4 mm og bredde på ~ 40 mm, og derfor bare krever ett skanne til fange hele prøven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Merk: Protokoll detaljer er beskrevet nedenfor ble skrevet spesielt for arbeid i beamline 8.3.2 ved ALS, Berkeley, CA. Tilrettelegging kan være nødvendig for arbeid i andre synkrotron fasiliteter, som finnes over hele verden. Passende sikkerhet og stråling opplæring er nødvendig for å kjøre eksperimenter på disse anleggene og retningslinjer for opplæring kan bli funnet på hver enkelt synkrotron anlegg hjemmeside. Eventuelle endringer eller oppdateringer til tomografi protokollen (ALS, LBNL, Berkeley, CA) kan bli funnet på beamline manuell 15. Detaljer på den tomografi prosessen kan finnes i referanse 16. De beamline forskerne er tilgjengelig for å svare på eventuelle spørsmål, og vil legge til rette for den eksperimentelle oppsettet.

1. Fremgangsmåte for utøvende Tomography Skanner på tros 8.3.2 (ALS, LBNL)

  1. Forbered prøven for skanningen ved å montere den på en prøveholder designet for å passe i beamline rotasjons scenen. For prøver som ikke har en Custom montere, holder prøven til et innlegg eller chuck med leire eller voks.
    Merk: Prøven skannes i denne studien var et mikroelektroniske pakke som er 16 x 16 mm og bare ~ 3 mm i høyden. For å passe hele pakken i synsfeltet prøven var montert horisontalt med leire gitt på beamline.
    1. Juster prøven for å sikre at når den roterer gjennom 180 grader det holder seg innenfor synsfeltet. Før du legger prøven på rotasjons scenen inne i bur er det en offline uekte rotasjon scenen som brukes til å justere utvalget. Visuell inspeksjon av rotasjonssenteret er vanligvis tilstrekkelig for justeringen.
    2. prøven påføres prøven holder inne i bur mount. Etter at prøven er montert i bur, to ortogonale sentre motorer tillater plassering av prøven i forhold til rotasjonssenter.
      Merk: Noen ganger prøveopparbeidelse er nødvendig i forkant av eksperimentet tid for å sørge for at prøvenstørrelse er riktig for den ønskede oppløsning. For eksempel ble noen av de 16 x 16 mm mikroelektroniske pakker delt i mindre biter for videre skanning med høy oppløsning. Utvalgsstørrelsen kan bestemmes ved hjelp av tabellene 1 og 2.
  2. Velg forstørrelse for skanningen basert på størrelsen på utvalget og har størrelse av interesse. Beamline 8.3.2 har flere objektiver å velge mellom som gir bilder med et utvalg av pikselstørrelser 0,35 til 9 pm. Avhengig av forstørrelse, må prøven være av passende tverrsnittsareal, som betraktningsfeltet avtar med økende forstørrelse.
    1. Ettersom prøven skannet her er 22,6 mm i den lengste retning, velger 1X linsen med PCO.4,000, som vist i tabellene 1 og 2, denne kombinasjonen gir den største prøven synsfelt. Den resulterende pikselstørrelse er 8,7 mikrometer.
  3. Sett x-ray energi eller bytte til en polychromatic bjelke med tros styre datamaskinen. Røntgenenergiområde ved beamline 8.3.2 er sammenhengende 4-80 keV, men den flerlags monokromator montert begrenser energiområdet til ~ 7-43 keV, mens toppen fluksen inntreffer ved ~ 12 keV. For å få best mulig bildekvalitet, basere energivalg på målretting en ~ 30% transmisjon, som kan måles på Data Acquisition datamaskin. Generelt,% transmisjon øker med økende energi.
    1. For mikroelektroniske pakken »velger white" lys på grunn av tykkelsen og materialet i pakken.
      Merk: beamline 8.3.2 manuell har detaljert fremgangsmåte for å endre mellom "hvite" lys og monokromatisk modus.
    2. Ved bruk av "hvit" light-modus, legg 2-4 metall aluminium og kobber filtre i tråd med røntgenstråle for å filtrere ut de lavere energi røntgenbilder. For denne prøven, bruke 2 kobberplater med en total tykkelse på ~ 1,2 mm.
    3. Beregn overføring gjennom prøven i forkant av time ved å bruke:
      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, å legge inn den kjemiske formelen og beregnet tykkelse for prøven vil generere en grafisk fremstilling som viser prosent transmisjon som en funksjon av energiområdet.
  4. Kontroller at scenen sentrum av rotasjon er på linje med kameraets sentrum. For å sjekke at prøven er justert roter det 180 grader ved hjelp av programvare på tros styre datamaskinen og visuelt observere endringen i prøven plassering ved å se på røntgenbildene på datamaskinen. Kontroll endringer i innretting på samme datamaskin. Bildekvaliteten forringes når prøven er justeringen av nok, slik at områder av prøven forlater synsfeltet under prøven rotasjon.
  5. Manuelt sette prøve å detektor avstand for skanning. Kameraet er på en translasjonell scene som kan bevege seg horisontalt som brukesfor å endre samplings til detektoravstand. Når avstanden øker fasekontrast bidraget også øker. Fase effekter er nyttig å lettere bilde subtile sprekker og kanter, men også føre til andre "glorie-effekten" gjenstander som ofte er uønsket.
  6. Kontroller beamline justering. Sjekk fokus på bildet og justere fokusmotor om nødvendig. Bekrefte at pikselstørrelsen kalibreringen er riktig ved å bevege prøven en bestemt mengde, og å måle antall piksler prøven beveges for å beregne um / piksel. Den voxel størrelse vil endre seg avhengig av det eksperimentelle oppsettet.
    1. Sjekk at som bildet beveger seg horisontalt, image har sporet horisontalt langs en konstant piksel, og hvis ikke, justere kameraets tilt motoren slik at de gjør. Dette justerer rotasjonsaksen, slik at den er parallell med bildeelementsøyler, som er justeringen senere antatt av de rekonstruksjonsalgoritmer.
  7. Velg en eksponeringstid for hver røntgenbilde. Området for eksponeringstiden er 1-1,500 msek og valget avhenger av skanne energi og oppløsning (som bestemmer den observerte fluks per oppløsning element). Den valgte tid bør gi en avveining mellom den raskeste skannetiden og et søk med flere tellinger og dermed den beste signal-til-støy-forhold.
    1. For mikroelektroniske pakken, bruk en prøveskanning tid på 100 ms per eksponering.
      Merk: Kontroller at det ikke er noen mettede piksler eller i det minste mindre enn det anbefalte målet på 100. Styringen er satt til å vise kamera teller på en konvertert skala slik at hver kameraets maksimale teller er 65535.
  8. Sett opp skanneparametrene ved hjelp av Data Acquisition datamaskin.
    1. Input ønsket vinkelområde, og antall bilder for å samle inn i løpet av dette området. Jo flere vinkler valgte lenger skanne ganger og større datasettet størrelse. Vanlige antall vinkler er 513, 1025 og 2049 over en 0-180 grader. For denne studien, bruken1,025 vinkler over 180 grader i løpet datainnsamling.
    2. Velg skannemodus. De to alternativene for skannemodus er 1) normal og 2) kontinuerlig tomografi. Den kontinuerlige modus er foretrukket fordi det resulterer i kortest skanning, ~ 3 min. I denne modusen, beveger rotasjonen trinnet kontinuerlig som det samles. I normal modus, stopper rotasjonen fasen ved hver vinkel og så et bilde blir oppsamlet.
    3. Angi antall lyse og mørke felt bilder. De lyse og mørke feltet bilder er nødvendig for å utføre gjenoppbygging. For de mørke feltet bilder skodder nære og for lyse felt eller bakgrunnsbilder prøvene flytter ut av synsfeltet. Kontroller at prøven er oversatt langt nok slik at det ikke er til stede i den lyse felt bilde for å unngå store feil i de rekonstruerte bilder. Her erverve 15 mørke feltet bilder og 15 lyse felt bilder.
    4. Finn ut om flislegging er nødvendig. Hvis prøven er høyere enn feltet of se det er en flislegging alternativ, som vil skanne prøven så oversette det loddrett inntil hele prøven er tatt.
  9. Utfør kjøre scan på Data Acquisition datamaskin. Skanningen vil kjøre automatisk basert på inputted innstillinger.

2. trinn for å utføre tomografiske Data Processing

  1. Overføring av data til en analyse datamaskin tilgjengelig på beamline å utføre gjenoppbygging og filtrering av datasettet ved hjelp beamline protokollen. Rekonstruksjon kan kjøres uavhengig av datainnsamling.
    Merk: Data blir automatisk overført til NERSC, en høy ytelse datamaskin, hvor det er behandlet og rekonstruert. Brukere kan registrere deg for en konto på NERSC å få tilgang til data via SPOT Suite webportal på spot.nersc.gov. Denne portalen er fortsatt i utvikling modus, så mange brukere foretrekker å ha mer kontroll over gjenoppbygging parametere, i hvilket tilfelle de følger resten av trinnene.
  2. Reconstruct rå bildene følgende fremgangsmåte: 1) normalisere bilder, 2) lage stabel av sinograms, 3) gjelder ring fjerning / filtre, og 4) utføre parallell stråle gjenoppbygging. Rekonstruksjonen er basert på en filtrert tilbakeprojeksjon algoritme. De gjenoppbygging prosessen resulterer i TIFF-bilder som inneholder informasjon om plasseringen og intensiteten av hver piksel gjøre opp prøvevolumet. En skjematisk av hele prosessen er vist i figur 2.
    1. Du får tilgang til plugin starte FIJI (som er et akronym for Fiji Is Just ImageJ) og velg menyen Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming som vist nedenfor. En bruker på ALS anlegget kan utføre hele gjenoppbyggingsprosessen ved hjelp av en egendefinert plugin for ImageJ / Fiji, som integrerer flere programvarepakker utformet for å effektivisere gjenoppbyggingen.
      Merk: Fiji og plugin er tilgjengelig for bruk på flere tros 8.3.2 analyse datamaskiner.
    2. Når FIJI dialogboksen er åpen, Som vist nedenfor, velg RAW-filen beregnet for gjenoppbygging. Stabelen med rå, lyse og mørke bilder skal nå lastes.
    3. Finn midten av rotasjonen ved å klikke "Detect rotasjonssentrum", deretter for å visualisere det rekonstruerte bildet velg Preview rekonstruksjon ". Verdien for sentrum av rotasjon kan også være lagt inn manuelt og forhåndsvises.
    4. Ved hjelp av dette grensesnittet er det mulighet til å endre ring fjerning parametere, type bilde (8, 16 eller 32 bit), pixel rekkevidde, rotasjonsvinkel av bilder, og definere beskåret regionen. Hver nye parametersett kan visualiseres ved hjelp av "Preview rekonstruksjon" -knappen.
    5. Når parametrene er valgt, rekonstruere hele bunken med bilder ved å velge "løpe". Alle de etterfølgende datafiler kan bli funnet i den angitte "Output directory", vil standardkatalogen være i en output fil i rådata mappen.
  3. Tilgang rådata fra tomografi sbokser fra hvilken som helst datamaskin ved å gå til nettsiden http://spot.nersc.gov/, som er den NERSC (LBNL superdatamaskin) server via SPOT portal.
    Merk: Hver enkelt forsker må ha sin egen NERSC konto for å få tilgang til deres spesifikke datasett. En bruker kan sette opp en konto på https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. På beamline er hver forskergruppe tildelt en beamline konto. Denne kontoen brukes til å få tilgang beamline datamaskiner, og kan også brukes til å få tilgang til data direkte fra beamline serveren ved hjelp av Globus Online.
  4. Visualiser dataene i både 3D og 2D ved å laste bunken 2D rekonstruerte bilder til noen 3D-programvare for analyse. Prøvene og bildene som presenteres her bruker Avizo programvare for å utføre analyser og visualisering, som er tilgjengelig for beamline brukere på noen av de beamline 8.3.2 analyse datamaskiner.
  5. Etter et datasett er lastet inn i visualiseringsprogramvare utføre ytterligere dataanalyse for å få tallfestet informasjon om spesifikke feraturer i prøven. Ofte datasett er nedsamplet for å redusere utgangsdatastørrelsen. Men dette kan øke voxel størrelse redusere troskap, men glatte bildevisningen for enklere segmentering.
    1. Velg segment funksjoner av interesse ved terskel histogrammet av stabelen med 2D rekonstruert skiver og tildele en ny pikselverdi til piksler som faller innenfor et angitt område.
    2. Visualiser segmenterte volumer og overflater. Når funksjoner er segmentert de vises i 3D ved hjelp Avizo eller foretrukne visualiseringsprogramvare. Dette gjør det mulig for 3D-overflate gjengivelser av bestemte funksjoner, for eksempel lodde baller på en bestemt region av interesse.
    3. Kvantifisere funksjoner i prøven, dvs. eren størrelse, vias, porøsitet, defekter, etc. Når et trekk av interesse blir identifisert, slik som et rute eller sprekk, kan funksjonen være segmentert og volumetrisk informasjon om eren, bredde, lengde, via volum, porøsitet distribusjon kan kvantifiseres ved å evaluere tomographic datasett.
    4. Lag en film av prøven viser prøven i ulike retninger. Movie 1 viser eksempler på de forskjellige tverrsnitt og volumrende utsikt for mikroelektroniske pakken avbildes i horisontal retning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bildene tatt med tomografi oppstå på grunn av differensial absorpsjon av røntgenstråler i loddekoblinger, metalliske spor, og andre materialer i mikroelektroniske pakken som en funksjon av de ulike dempings lengder og tykkelse av disse multi-materialer. SIP-pakken besto av en silisium dø festet til et keramisk substrat med første nivå interconnect (FLI) flip chip C4 loddekuler på ca 80 mikrometer diameter; mid-level interconnect (MLI) loddekuler på ca 350 mikrometer forbinder dette underlaget til en FR4 epoxy kretskort; . og andre nivå sammenkoblinger (SLI) BGA loddekuler på ca 650 um på baksiden av kretskortet Figur 2 viser en skjematisk fremstilling av prøven når den er plassert i horisontal retning; denne orienteringen ble valgt for å passe på hele prøven i synsfeltet for en scan. Figur 3 viser 3D-bilder fra samme prøve, enHele pakken, som ble fotografert i en skanning med lav TPT (tabell 2). Disse dataene ble analysert og utarbeidet etter Avizo. For de mikroelektroniske pakker en vinkel økning på 0,175 ° ble valgt som resulterer i 1025 bilder over 180 grader. I figur 3A plate gjennomgående hull, kobber vias, og noen av substratet er synlige. Figur 3B zoomer inn på et område av interesse som viser et hjørne av FPGA (FPGA) dø og substrat. Dette viser hvor raskt de enkelte komponentene i en hel pakke flere nivåer kan inspiseres. Figur 4 viser de detaljer som påvises med SRμT i en FPGA SIP pakke. Her kretskortet, VIA-tallet, silisium dø, både underlag, og alle nivåer av sammenkoblinger er merkbar. Figurene 5 og 6 demonstrere bruk av tomografi data til å visualisere funksjoner i 3D, hvor to forskjellige visninger av sammenkoblinger er displaye d. Figur 6 viser et 3D-bilde av den vertikalt skannede CPU-brikkepakken med FLI og MLI forbindelser. På grunn av den vertikale skanningen orientering hele prøvene ble ikke fanges opp i en skanning, for å avbilde hele prøven i denne orientering flislegging ville være nødvendig figur 6B viser et 2D-tomografisk skive forstørret.; her er tilstrekkelig til å observere sprekker i en loddetinn ball, som ble opprettet i løpet av forlenget termisk sykling før bildebehandling bildekvaliteten.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk viser tomografi oppsett. Skjematisk av bur på beamline 8.3.2 ved Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley CA USA). (Figur hentet fra 8.3.2 microtomography Manual, og kan nås på: http://microct.lbl.gov/manual)"Target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. trinn for å rekonstruere data. Skjematisk viser fremgangsmåten for å få en endelig 3D rekonstruert bilde av en prøve fra tomografi oppsettet. Prøven her er en 16 x 16 mm SIP-pakke som avbildes i horisontal retning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. 3D volumgjengivelse av pakken. 3D-gjengivelse av en hel FPGA SIP-pakke avbildes med 8,7 um oppløsning, og en skanning av 3 min (A) viser hele pakken, og (B) zoomet inn visning av en region av pakken som viser et hjørne av FPGA underlaget og kretskort sammenhengene. 13 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. tomografiske bilde som viser et tverrsnitt av pakningen. 2D rekonstruert snitt tatt gjennom FPGA SIP pakken. Denne prøven ble fotografert med 4,5 mikrometer oppløsning og en scan på 20 min. Silisium dø, underfill, både underlag, og alle nivåer av sammenkoblinger kan observeres. 13 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

683 / 53683fig5.jpg "/>
Figur 5. 3D volumgjengivelse av de tre interconnect nivåer. Segmentert 3D-bilde som viser hele SIP pakke med en 8,7 mikrometer oppløsning (3 min skanning tid). Dette viser de tre nivåene av forbindelser (FLI, MLI, og SLI). 13 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Synlige porer identifisert i en lodde ball. (A) 3D rekonstruert bilde av den vertikalt skannet CPU dør pakke med FLI og MLI loddeforbindelser. (B) Zoomet i regionen i en 2D rekonstruert skive, viser en MLI loddetinn ball med et stort senter tomrom og sprekker forårsaket under tilsiktet termisk stresstesting. 13pload / 53683 / 53683fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

film 1
Film 1. Tomography-bilder i 3D og 2D av pakken ( høyreklikk for å laste ned ). Denne filmen viser 3D volumgjengivelse av 16 x 16 mm 2-pakken fra ulike perspektiver. Deretter panner gjennom de forskjellige skiver for å vise intern informasjon fra inne i pakningen.

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

Tabell 1. Oversikt som viser kameraer og objektiver tilgjengelig på ALS beamline 8.3.2.

Kilde oppløsning Option Kamera / Lens Mag. Pixel Size (mikrometer) FOV Bredde (mm) FOV Høyde (mm) Bilde Tid TPT (min) FOV / TFT (mm2 / min)
Synchrotron 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
Med B / 2X 3.3 8.3 6 3 16.6
Med A / 2X 4.5 18 6 20 5.4
høy B / 5X 1. 3 3.3 2.8 5 1,84
høy B / 10X 0,65 1.7 1.4 11 0,22
Lab-Based Kilde MicroXCT-200 høy - 1,5-2 1,5-2 1,5-2 180-240 ~ 0,02

Tabell 2. Oppsummering av vedtak, synsfelt, og bildebehandling tid for forskjellige kameraer og objektiver alternativer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Alle trinnene som er beskrevet i protokollen delen er kritiske til å få høyoppløselige bilder av multi-skala og multi-materialprøver. En av de mest kritiske trinn er prøven montering og fokuseringen av optikk, som er avgjørende for å oppnå bilder av høy kvalitet som kan brukes for kvantifisering. Nærmere bestemt, vil selv den minste bevegelse av prøven føre gjenstander i det rekonstruerte bildet og defokusering ville føre til forringelse i oppløsning. For å unngå problemer med bildekvalitet er det viktig å rekonstruere et testbilde, noe som kan finne sted samtidig, mens de neste prøve skanninger. Dette vil bidra til å identifisere eventuelle problemer eller problemer som kan ha oppstått under skanningen oppsettet. Hvis det er problemer med det rekonstruerte bildet kan det være nødvendig å re-skanne prøve betale forsiktig oppmerksomhet til å prøve montering og justering. Under oppsett andre problemer kan oppstå, for eksempel feil med LabVIEW, problemer med prøven scenen motor, eller fravær av the røntgenstråle. Det er en detaljert fremgangsmåte for feilsøking på beamline håndboken, som du finner på beamline hjemmeside. Konsultere beamline forskere for å diskutere ytterligere alternativer for å forbedre bildekvaliteten eller hvis experimentalist kommer over et problem som ikke dekkes i manualen.

Alle tallene vist her fremheve fordelene med å bruke SRμT til bilde en hel multi-level mikroelektroniske pakke i bare noen få minutter med høy romlig oppløsning og evnen til å utføre analyser på spesifikke funksjoner i prøven ikke-destruktivt. For prøvene avbildes her gjenoppbyggingen tid tok under en time. Det brede energispekteret ved ALS muliggjør avbildning av både høy og lav atomnummer elementer med passende filtrering. Dette gjør det mulig for kvantifisering av sprekker, hulrom, delaminering, feil, og mye mer. For flere av prøvene avbildes her kontinuerlig tomografi modus hjulpet i de raske datainnhentingstider. Selv omdet er et bredt spekter av materialer og volumer som kan avbildes ved hjelp SRμT det er flere begrensninger på grunn av den tilgjengelige energiområdet for ALS synkrotron anlegget. Nærmere bestemt, kan tykkelsen av meget tett materiale være begrenset.

Dette høyoppløselige evne synkrotron kilden CT-systemet gir verdifull informasjon for både feilanalyser og monteringsprosess utvikling. I motsetning til bordplaten CT-systemet er forholdsvis lav lysstyrke ikke kan muliggjøre seleksjon av en monokromatisk energi og har vanskeligheter med å fremheve defekter i nærvær av kobber- eller lodde omkring egenskaper. Evnen til en tomografi teknikk for å få plass til store utvalgsstørrelser med raskere TPT tid er av største betydning for halvlederindustrien. De oppnådde hjelp SRμT Resultatene tyder på en sti frem til nye applikasjoner i mikroelektronikk 14. Totalt er det et bredt spekter av muligheter på dette feltet i fremtidenarbeid, spesielt å undersøke disse multi-materiale multi-skala mikroelektroniske pakker i henhold til in situ forhold, slik som sykling temperatur og syklisk belastning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Den LLNL del av dette arbeidet ble utført i regi av US Department of Energy ved Lawrence Livermore National Laboratory under kontrakt DE-AC52-07NA27344. Intel Corporation Forfatterne ønsker å takke Pilin Liu Liang Hu, William Hammond, og Carlos Orduno fra Intel Corporation for noen av datainnsamling og nyttige diskusjoner. The Advanced Light Source støttes av direktør, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, av US Department of Energy under kontrakt 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