Met behulp van Synchrotron Radiation Microtomografie Multi-scale Driedimensionale Microelectronic pakketten Onderzoek

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

Voor deze studie synchrotronstraling micro-tomografie, een niet-destructieve driedimensionale beeldvormende techniek wordt gebruikt om een ​​volledige micro-elektronische verpakking met een doorsnede van 16 x 16 mm onderzocht. Vanwege de hoge flux en de helderheid van het synchrotron van het monster werd in beeld gebracht in slechts 3 minuten met een 8,7 micrometer ruimtelijke resolutie.

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

Synchrotronstraling micro-tomografie (SRμT) een niet-destructieve driedimensionale (3D) beeldvormende techniek die hoge flux biedt voor snelle data acquisitie malen met hoge ruimtelijke resolutie. In de elektronica-industrie is er serieuze belangstelling voor het uitvoeren van het falen analyse van 3D micro-elektronische pakketten, velen die meerdere niveaus van high-density interconnecties bevatten. Vaak in tomografie is er een wisselwerking tussen beeldresolutie en het volume van het monster kan worden afgebeeld. Deze omgekeerde relatie beperkt de bruikbaarheid van conventionele computertomografie (CT) systemen omdat een micro pakket meestal grote in dwarsdoorsnede 100-3,600 2 mm, maar heeft belangrijke functies op de micronschaal. De micro-tomografie bundellijn bij de Advanced Light Source (ALS), in Berkeley, Californië USA, heeft een opstelling die flexibel en kunnen worden aangepast aan de eigenschappen van een monster, dat wil zeggen, dichtheid, dikte, enz., Met een maximum toestaanstaat dwarsdoorsnede van 36 x 36 mm. Deze instelling heeft ook de mogelijkheid om hetzij monochromatische in het energiegebied ~ 7-43 keV of werken met een maximale flux in wit licht-modus met behulp van een polychromatische bundel. hier gepresenteerde zijn details van de experimentele maatregelen genomen om het een hele 16 x 16 mm-systeem binnen een pakket, om 3D-beelden van het systeem met een ruimtelijke resolutie van 8,7 micrometer allemaal binnen een cyclustijd van minder dan 3 minuten te verkrijgen. Ook getoond zijn de resultaten van pakketten gescand in verschillende oriëntaties en een deelbaar pakket voor hogere resolutie beeldvorming. Daarentegen zou een conventioneel CT-systeem uren duren om data op te nemen met potentieel slechtere resolutie. Inderdaad, de verhouding van beeldveld te doorlooptijd is veel hoger bij gebruik van synchrotronstraling tomografie opstart. De onderstaande beschrijving van de experimentele opstelling kan worden toegepast en aangepast voor gebruik met vele andere multi-materialen.

Introduction

Op het gebied micro-elektronica, zoals in vele andere gebieden, niet-destructieve evaluatie op microscopische schaal is nodig bij het karakteriseren van monsters. Specifiek voor de micro-elektronica industrie is er belangstelling probing 3D micro pakketten met meerdere niveaus en multi-materialen, en het identificeren fouten in pakketten tijdens thermische, elektrische en mechanische belasting van componenten. Over de hele wereld synchrotronstraling faciliteiten tomografie en diffractie beamlines die worden gebruikt voor niet-analyse van micro-elektronische pakketten hebben aangewezen. Voorbeelden hiervan zijn afbeelden holtevorming veroorzaakt door elektromigratie 1-3, evalueren mechanismen voor tin whisker groei 4,5, in situ observaties van onderkoeling en anisotrope thermische expansie van tin en intermetallische verbindingen (IMC) 6,7, in situ observatie van stolling en IMC vorming 8-10, anisotrope mechanisch gedrag enherkristallisatie van tin en loodvrije soldeer 10, holten in flip chip hobbels, en in situ waarnemingen van Ag-nanoink sinteren 11. Al deze studies zijn verder gevorderd het begrip en de ontwikkeling van componenten in de micro-elektronische industrie. Veel van deze studies zijn gericht op kleine gebieden in de verpakking. Meer informatie kan worden afgeleid uit testen en karakteriseren de volledige grootte pakket met behulp van hoge resolutie SRμT om hun verdere ontwikkeling.

De elektronische pakketten die nu worden geproduceerd bevatten meerdere lagen van interconnects. Deze pakketten en apparaten worden steeds meer en meer complex, dat vraagt ​​om een ​​3D-oplossing voor niet-destructieve evaluatie met betrekking tot niet-analyse, kwaliteitscontrole, betrouwbaarheid risicobeoordeling, en ontwikkeling. Bepaalde afwijkingen vereisen een techniek die functies kunnen detecteren kleiner dan 5 urn in grootte, waarbij lege ruimten en scheurvorming in koper omvatten substrate via's, het identificeren van non-contact open en nonwet soldeer pads in multilevel verpakking 12, het opsporen en kwantificeren van holtes in ball grid arrays (BGA's) en C4 soldeerverbindingen. Tijdens het substraat assemblageproces dit soort gebreken moeten worden geïdentificeerd en uitvoerig gecontroleerd om ongewenste storingen te voorkomen.

Huidige CT systemen met laboratorium gebaseerde bronnen, ook bekend als tafelblad, kunnen oplopen tot ~ 1 micrometer ruimtelijke resolutie te verschaffen en wordt gebruikt om de fouten in multilevel verpakkingen met veelbelovende resultaten isoleren. Echter, tafelblad CT-systemen hebben een aantal beperkingen in vergelijking met SRμT setups 13,14. Tafelblad systemen zijn beperkt tot het afbeelden van een bepaalde dichtheid reeks materialen omdat ze meestal slechts één of twee röntgenbron spectra bevatten. Ook through-put-tijd (TPT) blijft lang voor conventionele tabletop CT-systemen die een aantal uren van data-acquisitie tijd per 1-2 mm 2 regio van belang, waarvan can beperking van het nut ervan; bijvoorbeeld, het analyseren van storingen in Through Silicon Vias (TSV), BGAs of C4 gewrichten vereisen vaak het verwerven van meerdere Field of Views (FOV) of regio's van belang met een hoge resolutie in het monster, wat resulteert in totaal TPT van 8-12 uur, dat is een show stopper voor conventionele tabletop CT-systemen bij meerdere monsters moeten worden geanalyseerd. Synchrotronstraling biedt veel hogere flux en helderheid dan conventionele röntgen bronnen, waardoor veel snellere data acquisitie keer voor een bepaald gebied van belang. Hoewel SRμT heeft zorgen voor meer flexibiliteit met betrekking tot de soorten materialen die kunnen worden afgebeeld en monstervolume, het heeft wel beperkingen, die specifiek zijn voor de synchrotron bron en configuratie gebruikt, in het bijzonder maximaal aanvaardbare dikte en steekproefomvang zijn. Voor de SRμT setup op ALS de maximale dwarsdoorsnedegebied welke afgebeeld is <36 x 36 mm en de dikte is beperkt door het energiebereik flux beschikbare materiaal en is sPECIFIEKE.

Dit onderzoek wordt gebruikt om aan te tonen hoe SRμT kan worden gebruikt om een ​​volledig beeld meerlagig systeem pakket (SIP) met hoge resolutie en lage TPT (3-20 min) voor gebruik bij het inspecteren 3D halfgeleidermateriaal. Meer details over het vergelijken van tafelblad CT om Synchrotron Source CT is te vinden in de referenties 13,14.

Experimental Overzicht & Beamline 8.3.2 Beschrijving:
Er zijn synchrotron faciliteiten beschikbaar voor tomografie experimenten over de hele wereld; de meeste van deze faciliteiten overleggen van een voorstel waar de experimentator beschrijft experiment, evenals de wetenschappelijke impact. De hier beschreven experimenten werden al uitgevoerd op de ALS in het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) bij bundellijn 8.3.2. Voor deze bundellijn zijn er twee energie-modus opties: 1) monochromatische in het energiegebied ~ 7-43 keV of 2) polychroom "wit" licht waar het volledige available energie spectrum wordt gebruikt bij het scannen van een hoge dichtheid materialen. Tijdens een kenmerkende scan bundellijn 8.3.2 een monster op een roterende podium gemonteerd met x-stralen dringen het monster, dan is de verzwakte röntgenstralen worden omgezet in zichtbaar licht door een scintillator, vergroot met een lens en vervolgens geprojecteerd op een CCD voor opname. Dit wordt gedaan terwijl het monster roteert van 0 tot 180 ° produceren van een stapel van beelden die gereconstrueerd is een 3D weergave van het monster met micrometerresolutie verkrijgen. De verkregen tomografische dataset grootte varieert van 3-20 Gb ~ afhankelijk van de scanparameters. Figuur 1 toont een schema van het hok waar het monster wordt afgetast.

Het volgende protocol beschrijft de hier gepresenteerde experimentele opstelling, data acquisitie en bewerkingsstappen nodig zijn voor het afbeelden van een hele micro pakket, maar de stappen kunnen worden aangepast om de afbeelding verschillende monsters. De wijzigingen zijn afhankelijk van de steekproefomvang,dichtheid, geometrieën, en de kenmerken van belang. tabellen 1 en 2 worden de resolutie en steekproefgrootte combinaties verkrijgbaar bij bundellijn 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Voor de micro-elektronische verpakking hier onderzocht werd het monster afgebeeld met een polychromatische ( "witte") balk, die is gekozen vanwege de dikte en de hoge dichtheid van de componenten van het monster. Het monster werd aangebracht in de horizontale richting op een klem monteren deze oriëntatie termijn voor het gehele monster in de hoogte van de bundel, die parallel met een hoogte van ongeveer 4 mm en breedte van ~ 40 mm past dus alleen nog moet één scannen naar het gehele monster te vangen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Opmerking: Protocol gegevens hieronder beschreven, werden speciaal geschreven voor het werken op bundellijn 8.3.2 aan de ALS, Berkeley, CA. Aanpassingen kunnen nodig zijn voor het werk op andere synchrotron faciliteiten, die kan worden gevonden over de hele wereld. Passende veiligheidsmaatregelen en straling training vereist is voor het uitvoeren van experimenten bij deze faciliteiten en de richtlijnen voor de opleiding is te vinden op de website van elk individu synchrotron faciliteit. Eventuele wijzigingen of updates van de tomografie protocol (ALS, LBNL, Berkeley, CA) is te vinden op de bundellijn handleiding 15. Details over de tomografie proces kan worden gevonden in referentie 16. De bundellijn wetenschappers zijn beschikbaar om eventuele vragen te beantwoorden en zal de experimentele opstelling te vergemakkelijken.

1. Stappen voor het uitvoeren van Tomography Scans op Beamline 8.3.2 (ALS, LBNL)

  1. Bereid het monster voor de scan door deze op een monsterhouder ontworpen om te passen in rotatie-fase van de bundellijn's. Voor monsters die niet beschikt over een custOM zet op, houden het monster op een post of boorkop met klei of was.
    Opmerking: Het monster gescand in deze studie was een micro-elektronische verpakking die 16 x 16 mm en slechts ~ 3 mm hoog. Om het hele pakket passen in het gezichtsveld het monster horizontaal gemonteerd mbv klei aangebracht aan de bundellijn.
    1. Lijn het monster, dat bij deze 180 graden gedraaid blijft binnen het gezichtsveld. Voordat het monster op de roterende podium in het hok is een offline mock rotatie fase die wordt gebruikt om het monster te lijnen. Visuele inspectie van het rotatiecentrum is meestal voldoende voor de uitlijning.
    2. Monteer het monster aan de sample houder binnen het hok. De monsteroplossing in het hok gemonteerd, twee orthogonale centrering motoren mogelijk positionering van het monster ten opzichte van het rotatiecentrum.
      Let op: soms monstervoorbereiding is vooruit experiment tijd die nodig is om te zorgen dat het monster te makengrootte is correct voor de gewenste resolutie. Bijvoorbeeld, sommige van de 16 x 16 mm Micro-elektronica werden verdeeld in kleinere stukken voor verdere hoge resolutie scanning. De steekproefomvang kan worden bepaald met de tabellen 1 en 2.
  2. Selecteer de vergroting voor de scan op basis van de steekproefgrootte en de functie omvang van het belang. Bundellijn 8.3.2 heeft diverse lenzen om uit te kiezen die beelden te produceren met een scala aan pixelgroottes 0,35-9 urn. Afhankelijk van de vergroting, moet het monster geschikte dwarsdoorsnede, zoals het gezichtsveld af met toenemende vergroting.
    1. Daar het voorbeeld hier gescand 22,6 mm in de langste richting, selecteert de 1X lens met PCO.4,000, zoals weergegeven in de tabellen 1 en 2, deze combinatie het grootste bemonstering gezichtsveld. De resulterende pixelgrootte is 8,7 urn.
  3. Stel de x-ray energie of over te schakelen naar een polychromatic bundel met behulp van de Beamline Control Boordcomputer. De x-ray energiebereik bij bundellijn 8.3.2 continu 4-80 keV, maar de meerlagige monochromator gemonteerd beperkt de energiebereik tot ~ 7-43 keV, terwijl de piek flux optreedt bij ~ 12 keV. Om het beeld van de beste kwaliteit te krijgen, baseren de energie-selectie op te richten een transmissie ~ 30%, die kan worden gemeten aan de Data Acquisition Computer. In het algemeen,% transmissie met toenemende energie.
    1. Voor de micro-pakket "selecteert wit" licht door de dikte en het materiaal van de verpakking.
      Let op: De bundellijn 8.3.2 handleiding heeft gedetailleerde stappen voor het wijzigen tussen "witte" licht en monochrome modus.
    2. Bij het gebruik van "wit" licht-modus, voeg 2-4 metaal aluminium en koper filters in lijn met de x-stralen om te filteren op de lagere energie x-stralen. Voor dit voorbeeld gebruikt 2 koperen platen met een totale dikte van ~ 1,2 mm.
    3. Bereken de transmissie door het monster voorafgaand aan time door het gebruik van:
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html of http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ of http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .php. Bijvoorbeeld, het invoeren van de chemische formule en geschatte dikte van het monster zal de uitgang een grafiek die het percentage transmissie als funktie van energiebereik.
  4. Controleert draaicentrum de etappe is uitgelijnd met het centrum van de camera. Om te controleren dat het monster is uitgelijnd rotate het door 180 graden met behulp van software op de Beamline Control Boordcomputer en visueel waarnemen van de verandering in de steekproef locatie door het bekijken van de röntgenfoto's op de computer. Controle verandert in afstemming op dezelfde computer. Beeldkwaliteit verslechtert wanneer uitlijning van het monster is het benodigde waardoor gebieden van het monster in het monster rotatie het gezichtsveld verlaten.
  5. Handmatig in te stellen monster afstand detector voor de scan. De camera is een translationeel podium die horizontaal beweeglijk is wat wordt gebruikthet monster naar detectorafstand veranderen. Wanneer de afstand van de fasecontrast bijdrage verhoogt ook toe. Fase effecten zijn nuttig om gemakkelijker het subtiele scheuren en randen, maar ook leiden tot andere "halo effect" artefacten die vaak ongewenst.
  6. Controleer de bundellijn uitlijning. Controleer de scherpstelling van het beeld en de scherpstelling motor indien nodig. Controleer of de pixelgrootte kalibratie kloppend maken door het monster een gedefinieerde hoeveelheid en het meten van het aantal pixels het monster verplaatst naar micrometer / pixel berekenen is. De voxel grootte zal veranderen afhankelijk van de experimentele opstelling.
    1. Controleer of als het beeld beweegt horizontaal, beeld kenmerkt spoor horizontaal langs een constante pixel, en zo niet, stel de camera tilt motor, zodat ze doen. Dit brengt de rotatie-as, evenwijdig aan beeldpuntkolommen, die de uitlijning later overgenomen door de reconstructie algoritmen.
  7. Selecteer een belichtingstijd voor elke röntgenfoto. Het bereik voor belichtingstijd is 1-1,500 msec en de keuze is afhankelijk van de scan energie en de resolutie (waarvoor de waargenomen flux per resolutie element bepaalt). De geselecteerde tijd moet een afweging tussen de snelste scantijd en scannen met meer telt en daarmee de beste signaal-ruisverhouding leveren.
    1. Voor de micro-elektronische verpakking, gebruik dan een sample scantijd van 100 msec per blootstelling.
      Opmerking: Zorg ervoor dat er geen verzadigde pixels of in ieder geval minder dan de aanbevolen doelstelling van 100. De besturing is ingesteld op camera tellingen weer te geven op een omgebouwde schaal, zodat maximale telt elke camera is 65.535.
  8. Stel de Scan Parameters met behulp van de Data Acquisition Computer.
    1. Voer de gewenste hoekige bereik en het aantal foto's te verzamelen over die range. Hoe meer hoeken gekozen hoe langer de scantijden en groter de dataset grootte. Gemeenschappelijke aantallen hoeken 513, 1025 en 2049 meer dan een 0-180 graden bereik. Voor dit onderzoek gebruikt1025 hoeken meer dan 180 graden gedurende data-acquisitie.
    2. Selecteer de scanmodus. De twee opties voor het scannen van de modus zijn: 1) de normale en 2) continue tomografie. De continue modus verdient de voorkeur omdat het resulteert in de kortste scantijd, ~ 3 min. In deze stand, beweegt de rotatie fase continu als afbeeldingen worden verzameld. In de normale modus, de rotatie fase stopt bij elke hoek en dan een beeld wordt opgevangen.
    3. Geef het aantal heldere en donkere gebied beelden. De lichte en donkere gebied beelden zijn nodig voor het uitvoeren van de wederopbouw. Voor de donkere veld beelden de luiken dicht en voor de lichte veld of achtergrond beelden van de monsters verplaatst uit het gezichtsveld. Controleer of de steekproef ver genoeg wordt omgezet zodat het niet het beeld helder gebied aanwezig is om grote defecten in de gereconstrueerde beelden te voorkomen. Hier, het verwerven van 15 donkere veld beelden en 15 heldere veld beelden.
    4. Bepaal of tegels nodig is. Als het monster hoger is dan het of bekijken is er een betegeling optie, die het monster vervolgens scant vertalen verticaal totdat het gehele monster wordt vastgelegd.
  9. Uitvoeren run scan op de Data Acquisition Computer. De scan wordt automatisch uitgevoerd op basis van de ingevoerde instellingen.

2. Stappen voor het uitvoeren van Tomographic Data Processing

  1. Gegevensoverdracht naar een analyse computer beschikbaar bij de bundellijn aan de wederopbouw en het filteren van de dataset met behulp van bundellijn protocol uit te voeren. Reconstructie onafhankelijk van de data acquisitie werking.
    Opmerking: De gegevens automatisch naar NERSC, een krachtige computer, waar het wordt verwerkt en gereconstrueerd. Gebruikers kunnen zich aanmelden voor een account bij NERSC om hun toegang te krijgen door middel van de SPOT Suite webportaal op spot.nersc.gov. Dit portaal is nog in ontwikkeling modus, zo veel gebruikers de voorkeur aan meer controle over de reconstructie parameters, in welk geval zij volg de overige stappen te hebben.
  2. Reconstruct de RAW-afbeeldingen de volgende stappen: 1) normaliseren beelden, 2) te creëren stapel sinogrammen, 3) zijn van toepassing ring verwijdering / filters, en 4) het uitvoeren van parallelle reconstructie. De reconstructie is gebaseerd op een gefilterd terugprojectie-algoritme. De reconstructie proces resulteert in TIFF-afbeeldingen die informatie over de locatie en de intensiteit van elke pixel die deel uitmaken van het monster volume bevatten. Een schema van het gehele proces wordt getoond in figuur 2.
    1. Om toegang te krijgen tot de plugin start FIJI (dat is een acroniem voor Fiji is enkel ImageJ) en selecteer het menu Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming zoals hieronder afgebeeld. Een gebruiker bij de ALS faciliteit kan het hele proces van wederopbouw uit te voeren met behulp van een aangepaste plugin voor ImageJ / Fiji, waarin verschillende softwarepakketten ontwikkeld om het proces van wederopbouw te stroomlijnen integreert.
      Opmerking: Fiji en de plugin zijn beschikbaar voor gebruik op meerdere Beamline 8.3.2 analyse computers.
    2. Zodra het dialoogvenster FIJI is geopend, Zoals hieronder weergegeven, selecteert u de raw-bestand bestemd voor de wederopbouw. De stapel van rauwe, heldere en donkere beelden moet nu worden geladen.
    3. Vind het centrum van de rotatie door te klikken op 'Detect draaipunt' en vervolgens te visualiseren het gereconstrueerde beeld te selecteren 'Preview wederopbouw'. De waarde voor het centrum van de rotatie kan ook handmatig worden ingevoerd en bekeken.
    4. Via dit toetsenbord is er de mogelijkheid om de parameters te veranderen ring verwijderen, het type beeld (8, 16 of 32 bits), pixelbereik, rotatiehoek afbeeldingen en definiëren bijgesneden regio. Elke nieuwe parameter set kan worden gevisualiseerd met behulp van de 'Preview reconstructie' knop.
    5. Zodra de parameters zijn geselecteerd, te reconstrueren de hele stapel foto's door het selecteren van 'run'. Alle volgende data bestanden zijn te vinden in de opgegeven 'Output directory', wordt de standaard directory in een output-bestand in de map ruwe data.
  3. Toegang ruwe data van tomografie sblikjes vanaf elke computer door te gaan naar de website http://spot.nersc.gov/, dat is de NERSC (LBNL supercomputer) server via de SPOT-portal.
    Let op: Elke individuele onderzoeker moeten hun eigen NERSC-account om toegang te krijgen tot hun specifieke datasets. Een gebruiker kan opzetten van een account op https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. Aan de bundellijn wordt elke onderzoeksgroep een bundellijn is toegewezen. Dit account wordt gebruikt om bundellijn computers, en kan ook worden gebruikt om gegevens rechtstreeks vanuit de bundellijn server via Globus Online.
  4. Visualiseer de gegevens in zowel 3D als 2D door het laden van de stapel 2D-gereconstrueerde beelden in een 3D-analyse software. De monsters en afbeeldingen die hier gebruikt Avizo software voor de analyse en visualisatie, dat beschikbaar is voor gebruikers Beamline u de bundellijn 8.3.2 analyse computers uitvoeren.
  5. Na een reeks gegevens in de visualisatie software wordt geüpload te voeren verdere data-analyse om gekwantificeerde informatie te krijgen over specifieke feperaturen binnen het monster. Vaak datasets downsampling om de uitvoergegevens verkleinen. Dit kan echter de voxel grootte verminderen trouw te verhogen, maar glad het beeld De mening voor een betere segmentatie.
    1. Selecteer segment kenmerken van rente door drempelvorming het histogram van de stapel 2D gereconstrueerd plakjes en het toewijzen van een nieuwe pixel waarde pixels die binnen een bepaald bereik vallen.
    2. Visualiseer gesegmenteerde volumes en oppervlakken. Zodra functies worden gesegmenteerd ze worden bekeken in 3D met behulp van Avizo of iedere gewenste visualisatiesoftware. Dit zorgt voor een 3D-oppervlak renderings van specifieke kenmerken, zoals soldeer ballen op een bepaalde regio van belang.
    3. Kwantificeren elementen in het monster, dat wil zeggen, barst grootte, vias, porositeit, defecten, etc. Als een kenmerk van belang is geïdentificeerd, zoals een via of barsten, kan de functie worden gesegmenteerd en volumetrische gegevens over crack breedte, lengte, volume via, verdeling van de porositeit kan worden gekwantificeerd door het evalueren van de tomographic dataset.
    4. Maak een film van het monster dat het monster in verschillende oriëntaties. Film 1 toont voorbeelden van de verschillende dwarsdoorsneden en volume rendering weergaven voor de micro-elektronische verpakking afgebeeld in de horizontale richting.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De beelden vastgelegd met tomografie optreden als gevolg van de differentiële absorptie van röntgenstralen in het soldeer verbindingen, metalen sporen en andere materialen in de micro-elektronische verpakking als functie van de verschillende verzwakking lengte en dikte van deze meervoudige materialen. De SIP-pakket bestond uit een silicium sterven bevestigd aan een keramisch substraat met een eerste niveau interconnect (FLI) flip chip C4 soldeer ballen van ongeveer 80 micrometer doorsnede; mid-level interconnect (MLI) soldeer ballen van ongeveer 350 micrometer aansluiten van dit substraat met een FR4 epoxy printplaat; . en tweedelijns interconnect (SLI) BGA soldeer ballen van ongeveer 650 um op de achterzijde van de printplaat Figuur 2 toont een schema van het monster wanneer het wordt geplaatst in horizontale oriëntatie; deze oriëntatie werd gekozen om het gehele monster in het gezichtsveld van een scan past. Figuur 3 toont de 3D ​​beelden van hetzelfde monster, eengehele pakket, die is afgebeeld in een scan met lage TPT (tabel 2). Deze gegevens werden geanalyseerd en met behulp Avizo. Voor de micro-elektronische pakketten een hoekig toename van 0,175 ° werd geselecteerd resulteerde in 1025 beelden meer dan 180 graden. In figuur 3A de plaat doorgaande gaten, koper vias en sommige substraat zichtbaar. Figuur 3B ingezoomd op een van belang dat één hoek van het veld programmeerbare gate array (FPGA) sterven en substraat. Hieruit blijkt hoe snel de afzonderlijke componenten van een heel multilevel pakket kan worden gecontroleerd. Figuur 4 toont de gedetecteerde met SRμT in een FPGA SIP arrangement voordelen. Hier de printplaat, VIA's, silicium sterven, beide substraten, en alle niveaus van interlinks zijn waarneembaar. De figuren 5 en 6 tonen het gebruik van tomografie gegevens om functies in 3D, waar twee verschillende weergaven van de interconnects zijn displaye visualiseren d. Figuur 6 toont een 3D-beeld van het verticaal gescande CPU sterven pakket met FLI en MLI verbindingen. Door de verticale scan richting de gehele monsters niet meegenomen in een scan, om beeld het gehele monster in deze oriëntatie tegels noodzakelijk zijn Figuur 6B toont een 2D tomografische plak vergroot.; hier de beeldkwaliteit volstaat om scheuren bij een soldeerbal die zijn gemaakt tijdens langdurig temperatuurcycli voordat beeldvorming observeren.

Figuur 1
Figuur 1. Schematische tonen tomografie setup. Schematische voorstelling van het hok bij bundellijn 8.3.2 op de Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley CA USA). (Figuur overgenomen uit 8.3.2 Microtomografie Manual, en kan worden geraadpleegd op: http://microct.lbl.gov/manual)"Target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Stappen voor het reconstrueren van gegevens. Schematisch toont de stappen om het uiteindelijke gereconstrueerde 3D ​​afbeelding van een monster van de tomografie setup. De steekproef is hier een 16 x 16 mm SIP-pakket in beeld wordt gebracht in de horizontale oriëntatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. 3D volume rendering van de verpakking. 3D-weergave van een hele FPGA SIP pakket afgebeeld met 8,7 micrometer resolutie en een scan van 3 min (A) toont het hele pakket, en (B) ingezoomde weergave van een gebied van het pakket dat één hoek van de FPGA substraat en de printplaat interconnecties. 13 Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Image Figuur 4. Tomographic toont een dwarsdoorsnede van het pakket. 2D gereconstrueerd slice genomen door de FPGA SIP-pakket. Dit monster werd afgebeeld met 4,5 micrometer resolutie en een scan tijd van 20 min. De silicium sterven, ondervulling, beide substraten, en alle niveaus van interlinks kan worden waargenomen. 13 Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

683 / 53683fig5.jpg "/>
Figuur 5. 3D volume rendering van de drie interconnect niveaus. Gesegmenteerde 3D-beeld met de volledige SIP-pakket met een 8,7 micrometer resolutie (3 min scantijd). Dit toont de drie niveaus van interconnects (FLI, MLI, en SLI). 13 Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6. Zichtbare poriën geïdentificeerd in een soldeer bal. (A) 3D gereconstrueerde beeld van het verticaal gescande CPU sterven pakket met FLI en MLI soldeerverbindingen. (B) Ingezoomd gebied van een 2D gereconstrueerd plak, die een MLI soldeer bal met een groot centrum leegte en scheuren veroorzaakt tijdens opzettelijke thermische stress testing. 13Pbelasting / 53683 / 53683fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

film 1
Film 1. Tomografie beelden in 3D en 2D van het pakket ( klik met de rechtermuisknop om te downloaden ). Deze film toont de 3D-volume rendering van de 16 x 16 mm 2-pakket vanuit verschillende perspectieven. Vervolgens pannen door de verschillende segmenten van interne informatie vanuit de verpakking tonen.

PCO.4,000 (4,008x2,672) PCO.Edge (2,560x2,160) [Optique Peter *]
Lens Pixel (pm) Gezichtsveld (mm) Pixel (pm) Gezichtsveld (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. Details met de camera's en lenzen verkrijgbaar bij ALS bundellijn 8.3.2.

Bron Resolutie Option Camera / Lens Mag. Pixelgrootte (pm) FOV Breedte (mm) FOV Hoogte (mm) Afbeelding Time TPT (min) FOV / TPT (2 mm / min)
Synchrotron ALS BL 8.3.2 laag A / 1X 8.7 36 6 3 72
laag 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
hoog B / 5X 1.3 3.3 2.8 5 1.84
hoog B / 10X 0.65 1.7 1.4 11 0.22
Lab-Based Source MicroXCT-200 hoog - 1,5-2 1,5-2 1,5-2 180-240 ~ 0,02

Tabel 2. Samenvatting van de resoluties, gezichtsveld, en imaging tijd voor verschillende camera's en de lens opties.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Alle in de sectie protocol beschreven stappen zijn cruciaal voor het verkrijgen van een hoge-resolutie foto's van multi-scale en multi-materiaal monsters. Een van de meest kritische stappen is het monster de montage en de focussering van optica, die van vitaal belang verkrijgen kwaliteitsbeelden die kunnen worden gebruikt voor kwantificatie. In het bijzonder, zou zelfs de kleinste beweging van het monster artefacten veroorzaken in de gereconstrueerde afbeelding en onscherp zou verslechtering veroorzaken in de resolutie. Problemen met beeldkwaliteit te voorkomen is het belangrijk om een ​​testbeeld, die gelijktijdig kunnen plaatsvinden terwijl het volgende monster scans reconstrueren. Dit zal helpen bij het identificeren van eventuele problemen of problemen die tijdens de scan setup kan hebben plaatsgevonden. Als er problemen zijn met het gereconstrueerde beeld kan het nodig zijn om opnieuw te scannen de steekproef let daarbij te proeven montage en uitlijning. Tijdens het instellen kunnen andere problemen ontstaan, zoals fouten met Labview, problemen met het monster podium motor, of het ontbreken van the röntgenbundel. Er zijn gedetailleerde stappen voor het oplossen van problemen op de handleiding van de bundellijn, die kan worden gevonden op bundellijn website. Raadpleeg de bundellijn wetenschappers om verdere opties voor het verbeteren van de beeldkwaliteit of als de experimentator komt over een probleem die niet in de handleiding te bespreken.

Alle van de hier getoonde cijfers wijzen op de voordelen van het gebruik SRμT op de foto om een ​​hele multi-level micro-elektronische pakket in slechts een paar minuten met een hoge ruimtelijke resolutie en de mogelijkheid om analyses uit te voeren op de specifieke kenmerken binnen de steekproef niet-destructief. Voor de hier afgebeelde monsters nam de reconstructie tijd minder dan een uur. Het brede spectrum van energie aan de ALS maakt beeldvorming van zowel hoge als lage atoomnummer elementen met de juiste filtering. Dit maakt kwantificering van scheuren, holle ruimten, delaminatie, defecten, en nog veel meer. Voor een aantal van de hier afgebeelde de continue tomografie modus geholpen bij de snelle data-acquisitie keer samples. HoewelEr is een breed scala aan materialen en volumes die kunnen worden afgebeeld met behulp SRμT er verschillende beperkingen vanwege beschikbare energiebereik voor ALS synchrotron faciliteit. In het bijzonder kan de dikte van zeer dichte materialen worden beperkt.

Deze hoge-resolutie vermogen van de synchrotron source CT-systeem levert waardevolle informatie voor zowel foutanalyse en assemblage procesontwikkeling. In tegenstelling relatief lage helderheid het tafelblad CT systeem zorgen voor selectie van een monochromatische energie en moeite benadrukken defecten in aanwezigheid van koper of soldeer rondom functies. Het vermogen van een tomografie techniek om grote steekproeven tegemoet met een snellere TPT de tijd is van het allergrootste belang voor de halfgeleiderindustrie. De verkregen met behulp van SRμT resultaten suggereren een weg vooruit voor nieuwe toepassingen in de micro-elektronica 14. Over het algemeen is er een breed scala aan mogelijkheden op dit gebied voor de toekomstwerk, in het bijzonder het onderzoek naar deze multi-materiaal multi-scale micro-elektronische pakketten onder in situ-omstandigheden, zoals fietsen temperatuur en de cyclische belasting.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De LLNL deel van dit werk werd uitgevoerd onder auspiciën van het Amerikaanse ministerie van Energie door Lawrence Livermore National Laboratory onder contract DE-AC52-07NA27344. De Intel Corporation auteurs willen graag bedanken Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, en Carlos Orduno van Intel Corporation voor een deel van de verzameling van gegevens en behulpzaam discussies. De Advanced Light Source wordt ondersteund door de directeur, Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences, het Amerikaanse ministerie van Energie onder contract No. 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