Mit Synchrotronstrahlung Mikrotomographie Mehrskalige Dreidimensionale Mikroelektronische Bauteile zur Untersuchung

Engineering

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Summary

Für diese Studie Synchrotronstrahlung Mikrotomographie, zerstörungs dreidimensionale Abbildungstechnik wird verwendet, um einen gesamten mikroelektronisches Gehäuse mit einer Querschnittsfläche von 16 x 16 mm zu untersuchen. Aufgrund der hohen Fluss und Helligkeit des Synchrotron wurde die Probe in nur 3 min mit einer 8,7 um räumliche Auflösung abgebildet.

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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).

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Abstract

Synchrotronstrahlung Mikro-Tomographie (SRμT) ist eine nicht-destruktive dreidimensionale (3D) Bildgebungstechnik, die für die schnelle Datenerfassungszeiten mit hoher räumlicher Auflösung hohen Fluss bietet. In der Elektronikindustrie ist es ein ernsthaftes Interesse Fehleranalyse bei der Durchführung auf 3D Mikroelektronik Pakete, viele, die mehrere Ebenen von High-Density-Verbindungen enthalten. Oft in Tomographie gibt es einen Kompromiß zwischen Bildauflösung und das Volumen einer Probe, die abgebildet werden kann. Diese inverse Beziehung begrenzt die Nützlichkeit von herkömmlichen Computertomographie (CT) -Systeme , da ein mikroelektronisches Gehäuse ist häufig große Querschnittsfläche 100-3,600 mm 2, jedoch wichtige Funktionen auf der Mikronmaßstab aufweist. Der Mikrotomografie - Strahllinie an der Advanced Light Source (ALS), in Berkeley, CA USA, hat eine Einrichtung , die anpassungsfähig und kann auf eine Probe Eigenschaften angepasst werden, das heißt, die Dichte, Dicke, usw., mit einem Maximum ermöglichenLage, Querschnitt von 36 x 36 mm. Diese Einstellung hat auch die Möglichkeit, in der entweder ein monochromatisches im Energiebereich ~ 7-43 keV oder mit maximaler Fluss in Weißlicht-Modus mit einem polychromen Strahl arbeitet. Präsentiert hier sind Details der experimentellen Schritte Bild genommen eine ganze 16 x 16 mm System innerhalb eines Pakets, um 3D-Bilder des Systems zu erhalten, mit einer räumlichen Auflösung von 8,7 um alle innerhalb einer Zykluszeit von weniger als 3 min. Ebenfalls dargestellt sind die Ergebnisse aus gescannten Pakete in verschiedenen Orientierungen und einer Schnittpaket für höhere Auflösung Bildgebung. Im Gegensatz würde ein herkömmlicher CT-System Stunden in Anspruch nehmen Daten mit potenziell schlechtere Auflösung aufzuzeichnen. Tatsächlich ist das Verhältnis von field-of-view zur Durchlaufzeit wesentlich höher, wenn die Strahlungstomographie Setup Synchrotron verwendet wird. Die nachfolgende Beschreibung des experimentellen Aufbaus realisiert und für die Verwendung mit vielen anderen multi-Materialien angepasst werden.

Introduction

In dem Gebiet der Mikroelektronik, wie in vielen anderen Bereichen, zerstörungs Auswertung im Mikrometermaßstab ist notwendig, wenn die Proben zu charakterisieren. Speziell für die Mikroelektronik-Industrie ist es Interesse 3D Mikroelektronik-Pakete in Sondieren, mit mehreren Ebenen und Multi-Materialien, und identifiziert Fehler in Paketen während der thermischen, elektrischen und mechanischen Komponenten der Betonung. Rund um die Welt Synchrotronstrahlungsquellen haben Tomografie und Beugungs Strahlrohre bezeichnet, die für die Fehleranalyse von Mikroelektronik-Paketen verwendet werden. Einige Beispiele hierfür sind Abbilden Hohlraumbildung hervorgerufen durch Elektromigration 1-3, Bewertung Mechanismen für Zinn Whiskerwachstum 4,5, in situ Beobachtungen der Unterkühlung und anisotropen thermischen Ausdehnungs von Zinn und intermetallischer Verbindungen (IMCs) 6,7, in situ Beobachtung Erstarrung und IMC Bildung 8-10, anisotropen mechanischen Verhaltens undfreie Lote 10, Hohlräume in Flip - Chip - Bumps Umkristallisieren aus Zinn und Blei, und in - situ - Beobachtungen von Ag-NanoInk Sintern 11. Alle diese Studien haben weiter das Verständnis und die Entwicklung von Komponenten in der Mikroelektronikindustrie vorangetrieben. Jedoch viele dieser Studien haben sich auf kleine Bereiche innerhalb der Verpackung ausgerichtet. Weitere Informationen können von der Prüfung und Charakterisierung der in voller Größe Paket mit hoher Auflösung SRμT, um ihre Entwicklung zu fördern werden aufgelesen.

Die elektronischen Pakete jetzt werden mehrere Schichten von Verbindungen enthalten hergestellt. Diese Pakete und Geräte werden immer mehr und komplexere, die für nicht-destruktive Auswertung im Hinblick auf die Fehleranalyse, Qualitätskontrolle, Zuverlässigkeit Risikobewertung und Entwicklung für eine 3D-Lösung erfordert. Bestimmte Defekte erfordern eine Technik, die Merkmale von weniger als 5 um Grße erfassen kann, die umfassen Hohlräume und Risse im Inneren Kupfer su bildenbstrate Vias, berührungs offen und nonwet Lötpunkte in Multi - Level - Verpackung 12 Identifizierung, Lokalisierung und Hohlräume in Ball - Grid - Arrays (BGAs) und C4 Lötstellen zu quantifizieren. Während der Substratmontageprozess müssen diese Typen von Defekten identifiziert und extensiv unerwünschte Ausfälle zu vermeiden, überwacht werden.

Derzeit CT-Systeme Laborbasis Quellen, die auch als Tischplatte bekannt, können so hoch wie ~ 1 um die räumliche Auflösung zu liefern, und verwendet werden, um Ausfälle in Mehrebenenpakete mit vielversprechenden Ergebnissen zu isolieren. Allerdings haben Tisch CT - Systeme einige Einschränkungen bei 13,14 bis SRμT Setups verglichen. Tischsysteme sind nur Abbilden eines bestimmten Dichtebereich von Materialien beschränkt, da sie in der Regel nur ein oder zwei Röntgenquelle Spektren. Auch Durchlaufzeit (TPT) bleibt lange für herkömmliche Tisch CT - Systeme erfordern mehrere Stunden Datenerfassungszeit pro 1-2 mm 2 Region von Interesse, die can ihre Nützlichkeit begrenzen; zum Beispiel oft mehrere Field of Views (FOV) oder Regionen von Interesse Ausfälle in Through Silicon Vias (TSV), BGAs oder C4 Gelenke Analyse mit hoher Auflösung in der Probe erfordern den Erwerb, was zu einer Gesamt TPT von 8-12 Stunden, das ist ein Show-Stopper für herkömmliche Tisch CT-Systeme, wenn mehrere Proben analysiert werden müssen. Synchrotron-Strahlung liefert viel höhere Helligkeit als Flussmittel und herkömmliche Röntgenstrahlenquellen, was zu viel schnellere Datenerfassungszeiten für einen bestimmten Bereich von Interesse. Obwohl SRμT sich für mehr Flexibilität in Bezug auf Arten von Materialien ermöglichen, die abgebildet werden kann und Probenvolumen, tut es mit Einschränkungen verbunden, die verwendet, um die Synchrotronquelle und Setup-spezifisch sind, und zwar maximal zulässige Dicke und Probengröße. Für die SRμT Setup an der ALS die maximale Querschnittsfläche, die abgebildet werden kann, ist <36 x 36 mm und die Dicke wird durch die Energiebereich und Flussmittel vorhanden beschränkt und Material specific.

Diese Studie wird demonstriert, wie SRμT kann eine ganze Multi-Level-System in Package (SIP) mit hoher Auflösung und niedrigen TPT (3-20 min) für die Verwendung bei der Inspektion 3D-Halbleiter-Pakete Bild verwendet werden. Weitere Details tabletop CTs zu Synchrotron Source CT ist auf den Vergleich in Referenzen 13,14 gefunden werden.

Experimentelle Übersicht & Strahlrohr 8.3.2 Beschreibung:
Es gibt Synchrotroneinrichtungen für die Tomographie-Experimente auf der ganzen Welt; die meisten dieser Einrichtungen erfordern Vorlage eines Vorschlags, wo der Experimentator das Experiment, sowie seine wissenschaftliche Wirkung beschreibt. Die hier beschriebenen Experimente wurden alle in der ALS am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) am Strahlrohr 8.3.2 durchgeführt. Aus diesem beamline gibt es zwei Energie-Modus-Optionen: 1) monochromatische im Energiebereich ~ 7-43 keV oder 2) polychrome "weißes" Licht, wo die gesamte Available Energiespektrum verwendet wird, wenn Materialien mit hoher Dichte zu scannen. Während einer typischen Abtastung am Strahlrohr 8.3.2 eine Probe auf einem Drehtisch montiert wird, in dem Röntgenstrahlen die Probe eindringen, dann werden die abgeschwächten Röntgenstrahlen werden in sichtbares Licht durch einen Szintillator umgewandelt wird, durch eine Linse vergrößert, und dann auf ein projiziertes CCD für die Aufnahme. Dies wird durchgeführt , während die Probe 0-180 ° dreht , um einen Stapel von Bildern erzeugen , die eine 3D - Ansicht der Probe mit Mikrometer - Auflösung zu erhalten rekonstruiert wird. Die sich ergebende tomographischen Datensatzes Größe im Bereich von ~ 3-20 Gb in Abhängigkeit von den Scanparametern. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Stalles , wo die Probe abgetastet wird.

Das folgende Protokoll beschreibt die hier vorgestellten experimentellen Aufbau, Datenerfassungs- und Verarbeitungsschritte erforderlich, zum Abbilden eines gesamten mikroelektronisches Gehäuse, aber die Schritte können eine Vielzahl von Proben, die dem Bild geändert werden. Die Änderungen sind abhängig von der Probengröße,Dichte, Geometrien und Eigenschaften von Interesse. Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Auflösung und Probengrößenkombinationen erhältlich am Strahlrohr 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Für die Mikroelektronik-Paket hier die Probe untersucht wurde mit einem polychromen ( "weißen") Strahl abgebildet wird, die aufgrund der Dicke und hoher Dichte der Probe Komponenten ausgewählt wurde. Die Probe wurde in der horizontalen Ausrichtung auf ein Spannfutter montieren, diese Ausrichtung für die gesamte Probe erlaubt montiert innerhalb der Höhe des Trägers zu passen, der mit einer Höhe von ca. 4 mm und eine Breite von ca. 40 mm parallel ist daher nur eine erforderlich ist scannen die gesamte Probe zu erfassen.

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Protocol

Hinweis: Protokoll Einzelheiten unten beschrieben sind, wurden speziell für die Arbeit am Strahlrohr 8.3.2 an der ALS, Berkeley, CA. geschrieben Anpassungen können für die Arbeit an anderen Synchrotronanlagen erforderlich sein, die auf der ganzen Welt zu finden sind. Entsprechende Sicherheit und Strahlen Ausbildung erforderlich ist für Experimente in diesen Einrichtungen und den Richtlinien für die Ausbildung läuft, kann auf jedem einzelnen Synchrotron-Website zu finden. Alle Änderungen oder Aktualisierungen der Tomographie - Protokoll (ALS, LBNL, Berkeley, CA) finden Sie auf der beamline Handbuch 15 gefunden werden. Details zum Tomografie Verfahren kann in Referenz 16 zu finden. Die beamline Wissenschaftler stehen Ihnen für alle Fragen zu beantworten und den Versuchsaufbau erleichtern.

1. Schritte für Darstellende Tomographie-Scans am Strahlrohr 8.3.2 (ALS, LBNL)

  1. Bereiten Sie die Probe für den Scan, indem sie auf einem Probenhalter Montage vorgesehen in der Beamline der Drehstufe passen. Für Proben, die nicht über eine custom montieren, um sich an einem Pfosten oder Bohrfutter mit Ton oder Wachs auf die Probe.
    Hinweis: Die in dieser Studie abgetastete Probe war eine mikroelektronische Packung, die 16 x 16 mm ist und nur ca. 3 mm in der Höhe. Um das gesamte Paket im Blickfeld zu passen wurde die Probe horizontal montiert Ton an der Beamline zur Verfügung gestellt werden.
    1. Ausrichten der Probe zu gewährleisten, dass, wenn es um 180 Grad dreht sie im Blickfeld bleibt. Vor dem Laden der Probe auf der Rotationsstufe innerhalb des Stalles ist eine Offline-Mock-Rotationsstufe, die verwendet wird, um die Probe auszurichten. Sichtkontrolle der Drehmittelpunkt in der Regel ausreichend für die Ausrichtung.
    2. Montieren Sie die an den Probenhalter innerhalb des Stalles angebracht Probe. Sobald die Probe in dem Stall angeordnet ist, zwei orthogonale Zentrier- Motoren ermöglichen Positionierung der Probe in bezug auf das Rotationszentrum.
      Hinweis: Manchmal ist die Probenvorbereitung benötigt vor Versuchszeit, um sicher um die Probe zu machenGröße ist korrekt für die gewünschte Auflösung. Zum Beispiel, einige der 16 x 16 mm Mikroelektronik-Pakete wurden in kleinere Stücke für weitere hochauflösende Abtastung geschnitten. Die Stichprobengröße kann unter Verwendung von Tabellen 1 und 2 bestimmt.
  2. Wählen Sie die Vergrößerung für den Scan auf der Basis der Stichprobengröße und Strukturgröße von Interesse. Strahlrohr 8.3.2 hat mehrere Linsen zu wählen, aus denen Bilder mit einer Reihe von Pixelgrößen erzeugen 0,35-9 & mgr; m. In Abhängigkeit von der Vergrßerung, muss die Probe angebracht sein Querschnittsfläche, da das Sichtfeld verringert sich mit zunehmender Vergrößerung.
    1. Da die hier abgetastete Probe 22,6 mm in der längsten Richtung, die 1X - Linse mit der PCO.4,000 auswählen, wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt, ergibt diese Kombination die größte Probensichtfeld. Die sich ergebende Pixelgröße beträgt 8,7 & mgr; m.
  3. Stellen Sie die Röntgenenergie oder wechseln Sie zu einem polychromatic Strahl das Strahlrohr Steuercomputer verwenden. Die Röntgenenergiebereich am Strahlrohr ist 8.3.2 kontinuierliche 4-80 keV, aber die mehrschichtige Monochromator montiert begrenzt die Energiebereich ~ 7-43 keV, während der Spitzenfluss tritt bei ~ 12 keV. Um die beste Bildqualität zu bekommen, stellen Sie die Energieauswahl auf eine ~ 30% Transmission Targeting, die auf der Datenerfassungscomputer gemessen werden kann. Im Allgemeinen% Transmission steigt mit Energie zu erhöhen.
    1. Für die mikroelektronische Paket "wählen, weißes" Licht aufgrund der Dicke und dem Material der Verpackung.
      Hinweis: Die beamline 8.3.2 Handbuch hat Schritte detailliert für den Wechsel zwischen "weißen" Licht und Monochrommodus.
    2. Wenn "weißes" Licht-Modus verwenden, fügen Sie 2-4 Metall Aluminium und Kupfer Filter in Übereinstimmung mit dem Röntgenstrahl, um die niedrigere Energieröntgenstrahlen zu filtern. Für dieses Beispiel verwenden zwei Kupferbleche mit einer Gesamtdicke von ~ 1,2 mm.
    3. Berechnen der Übertragung durch die Probe vor time unter Verwendung von:
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html oder http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ oder http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .php. Beispielsweise die Eingabe der chemischen Formel und die geschätzte Dicke für die Probe Ausgang ein Diagramm, das die prozentuale Durchlässigkeit als Funktion des Energiebereichs zeigt.
  4. Stellen Sie sicher, dass das Zentrum der Drehbühne mit der Kamera Zentrum ausgerichtet ist. Um zu überprüfen, dass die Probe drehen ausgerichtet ist um 180 Grad auf dem Strahlrohr Steuercomputer mit der Software und visuell die Änderung der Probenort beobachten, indem die Röntgenbilder auf dem Computer angezeigt wird. Steuerung wechselt in Ausrichtung auf demselben Computer. Die Bildqualität verschlechtert sich, wenn die Ausrichtung der Probe genug ab, so daß Bereiche der Probe das Sichtfeld während der Probenrotation verlassen.
  5. Manuelle Probe eingestellt Abstand für Scan zum Detektor. Die Kamera befindet sich auf einem Translationsstufe, die sich horizontal bewegen kann, die verwendet wird,um die Probe zu Detektor-Abstand zu ändern. Wenn der Abstand der Phasenkontrast-Beitrag erhöht ebenfalls zunimmt. Phase Effekte sind hilfreich, um leichter subtile Bild Risse und Kanten, aber auch andere "Halo-Effekt" Artefakte verursachen, die oft unerwünscht sind.
  6. Überprüfen Sie die beamline Ausrichtung. Überprüfen Sie den Fokus des Bildes und stellen Sie den Fokusmotor, falls erforderlich. Bestätigen, daß die Pixelgröße der Kalibrierung die Probe eine definierte Menge durch Bewegen und Messen der Anzahl der Pixel korrekt ist die Probe um / Pixel zu berechnen bewegt. Die Voxelgröße wird sich ändern, auf dem Versuchsaufbau abhängig.
    1. Überprüfen Sie, dass, wenn das Bild horizontal bewegt, Bildspur horizontal entlang einer konstanten Pixel verfügt, und wenn nicht, stellen Sie die Motorkameraneigung, so dass sie es tun. Dadurch wird die Drehachse so, dass sie Pixelspalten parallel ist, die die Ausrichtung später von den Rekonstruktionsalgorithmen angenommen wird.
  7. Wählen Sie eine Belichtungszeit für jedes Röntgenbild. Der Bereich für die Belichtungszeit ist 1-1,500 ms und die Auswahl ist abhängig von der Scan-Energie und die Auflösung (die den beobachteten Fluss pro Auflösungselement bestimmt). Die gewählte Zeit sollte ein Kompromiss zwischen der schnellsten Scanzeit und einem Scan mit mehr Zählungen liefern und damit das beste Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
    1. Für die Mikroelektronik-Paket verwenden, um eine Probe-Zykluszeit von 100 ms pro Belichtung.
      Hinweis: Stellen Sie sicher, dass es keine gesättigten Pixel oder zumindest weniger als das empfohlene Ziel von 100. Das Steuersystem wird die Kamera zählt auf einem umgebauten Skala angezeigt werden, so dass jede maximale zählt der Kamera 65.535 ist.
  8. Stellen Sie die Scan-Parameter mit Hilfe der Datenerfassung Computer.
    1. Eingabe der Winkelbereich erwünscht ist, und die Anzahl der Bilder in diesem Bereich zu sammeln. Je mehr Winkel, je länger die Scanzeiten und größer die Datenmenge Größe ausgewählt. Gemeinsame Zahl der Winkel 513, 1.025 und 2.049 über einen 0-180-Grad-Bereich. Für diese Studie Einsatz1.025 Winkel über 180 Grad bei der Datenerfassung.
    2. Wählen Sie den Scan-Modus. Die beiden Optionen für die Scan-Modus sind: 1) normal und 2) kontinuierliche Tomographie. Der kontinuierliche Modus wird bevorzugt, da es in der kürzesten Zykluszeit führt, ~ 3 min. In diesem Modus bewegt sich die Rotationsstufe kontinuierlich als Bilder erfasst werden. Im Normalbetrieb hält der Rotationsstufe bei jedem Winkel, und dann wird ein Bild gesammelt.
    3. Geben Sie die Anzahl von hellen und dunklen Feldbilder. Die hellen und dunklen Feldbilder sind notwendig für den Wiederaufbau durchführen. Für die Dunkelfeldbildern die Fensterläden schließen und für die Hellfeld oder Hintergrundbilder die Proben bewegt sich aus dem Blickfeld. Stellen Sie sicher, dass die Probe so weit verschoben wird, so dass es nicht in der Hellfeldbild, um große Defekte in den rekonstruierten Bildern zu vermeiden, vorhanden ist. Hier erwerben 15 Dunkelfeld-Bilder und 15 Hellfeldbilder.
    4. Bestimmen Sie, ob Fliesen notwendig ist. Wenn die Probe ist größer als das Feld of Ansicht gibt es eine Tiling-Option, die die Probe scannen sie dann vertikal übersetzen, bis die gesamte Probe erfasst wird.
  9. Führen Lauf-Scan auf der Datenerfassungscomputer. Der Scan wird automatisch ausgeführt, basierend auf den eingegebenen Einstellungen.

2. Schritte für Darstellende tomographische Datenverarbeitung

  1. Übertragen von Daten zu einem Analyserechner zur Verfügung an der Beamline den Wiederaufbau und die Filterung des Datensatzes unter Verwendung von beamline-Protokoll zu erfüllen. Die Rekonstruktion kann unabhängig von der Datenerfassung durchführen.
    Hinweis: Die Daten werden automatisch übertragen NERSC, einem Hochleistungs-Computer, wo sie verarbeitet und rekonstruiert. Benutzer können für ein Konto bei NERSC anmelden, um ihre Daten über das Web-Portal SPOT Suite Zugriff auf spot.nersc.gov. Dieses Portal befindet sich noch im Entwicklungsmodus, so viele Nutzer bevorzugen mehr Kontrolle über die Rekonstruktionsparameter zu haben, in welchem ​​Fall sie die restlichen Schritte folgen.
  2. Rekonstitutionein- em die Rohbilder folgenden Schritte: 1) normalisieren Bilder, 2) erstellen Stapel von Sinogrammen, 3) gelten Ringentfernung / Filter und 4) durchführen Wiederaufbau parallelen Strahl. Die Rekonstruktion wird auf der Grundlage eines Projektionsalgorithmus gefiltert zurück. Die Wiederaufbauprozess Ergebnisse in TIFF-Bilder, die Informationen über die Lage und Intensität jedes Pixels enthalten, das Probenvolumen bilden. Eine schematische Darstellung des gesamten Prozesses ist in Abbildung 2 dargestellt.
    1. Um das Plugin zugreifen FIJI starten (das ist ein Akronym für Fidschi ist gerade ImageJ) und wählen Sie das Menü Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming wie unten gezeigt. Ein Benutzer in der ALS-Anlage kann den gesamten Rekonstruktionsprozess mit einem benutzerdefinierten Plugin für ImageJ / Fiji, führen die mehrere Softwarepakete integriert entwickelt, um den Wiederaufbauprozess zu optimieren.
      Hinweis: Fiji und das Plugin für auf mehreren Strahlrohr 8.3.2 Analyse Computern Verwendung zur Verfügung stehen.
    2. Sobald der FIJI Dialogfeld geöffnetWie unten, wählen Sie die RAW-Datei für den Wiederaufbau gedacht gezeigt. Der Stapel von rohen, helle und dunkle Bilder sollten jetzt geladen werden.
    3. Finden Sie die Mitte der Drehung durch das Anklicken von 'Detect Rotationszentrum', dann das rekonstruierte Bild wählen 'Vorschau Rekonstruktion "zu visualisieren. Der Wert für die Drehzentrum kann auch manuell und in der Vorschau eingegeben werden.
    4. Mit dieser Schnittstelle gibt es die Möglichkeit, die Ringentfernungsparameter zu ändern, die Art des Bildes (8, 16 oder 32 Bit), Pixelbereich, Drehwinkel von Bildern, und beschnittene Region definieren. Jeder neue Parametersatz kann mit Hilfe der 'Vorschau Rekonstruktion' Taste sichtbar gemacht werden.
    5. Nachdem die Parameter ausgewählt werden, indem Sie auf "Ausführen" den gesamten Stapel von Bildern zu rekonstruieren. Alle nachfolgenden Daten-Dateien können in der angegebenen "Ausgabeverzeichnis", das Standardverzeichnis gefunden wird im Rohdatenverzeichnis in einer Ausgabedatei sein.
  3. Der Zugang Rohdaten aus Tomographie sDosen von jedem Computer von auf der Website http://spot.nersc.gov/ gehen, die die NERSC (LBNL Supercomputer) Server über das SPOT Portal.
    Hinweis: Jeder einzelne Forscher müssen ihre eigenen NERSC Konto haben ihre spezifischen Datensätze zuzugreifen. Ein Benutzer kann Setup ein Konto bei https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. Am Strahllinie wird jede Arbeitsgruppe ein beamline Konto zugeordnet. Dieses Konto wird verwendet beamline Computer zuzugreifen, und auch dazu verwendet werden können Daten von der Beamline-Server mit Globus Online direkt zuzugreifen.
  4. Visualisieren Sie die Daten sowohl in 3D und 2D durch den Stapel von 2D-Laden rekonstruierten Bilder in jeder 3D-Analysesoftware. Die Proben und Bilder hier vorgestellten verwenden Avizo Software die Analyse und Visualisierung durchzuführen, die den Benutzern zur Verfügung zu Beamline an einem der beamline 8.3.2 Analyse-Computern.
  5. Nachdem ein Datensatz in die Visualisierungssoftware hochgeladen weitere Datenanalysen durchführen quantifizierte Informationen über spezifische fe zu erhaltenperaturen in der Probe. Oft sind Datensätze, um heruntergetasteten die Ausgangsdatengröße zu reduzieren. Allerdings kann dies die Voxel-Größe erhöhen Treue zu reduzieren, aber die Bildansicht zur besseren Segmentierung glätten.
    1. Wählen Sie Segmentmerkmale von Interesse durch Schwellwertbildung das Histogramm des Stapels von 2D rekonstruierten Schichten und Zuweisen eines neuen Pixelwert zu Pixel, die innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen.
    2. Visualisieren segmentierten Volumina und Oberflächen. Sobald Merkmale segmentiert werden, werden sie in 3D mit Avizo oder eine bevorzugte Visualisierungssoftware betrachtet. Dies ermöglicht eine 3D-Oberfläche Renderings von bestimmten Merkmalen, wie Lotkugeln in einem bestimmten Bereich von Interesse.
    3. Quantifizieren Merkmale in der Probe, dh Rissgröße, Vias, Porosität, Defekte, etc. Sobald ein Merkmal von Interesse identifiziert, wie ein über oder knacken, kann die Funktion segmentiert werden und volumetrische Informationen auf Crack Breite, Länge, über Volumen, Porosität Verteilung kann durch die Auswertung der tomogr quantifiziert werdenAFIK Datensatz.
    4. Erstellen Sie einen Film der Probe, die Probe in verschiedenen Ausrichtungen zeigt. Film 1 zeigt Beispiele für die unterschiedlichen Querschnittsansichten und Volumen-Rendering-Ansichten für die mikroelektronische Paket in der horizontalen Ausrichtung abgebildet.

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Representative Results

Die Bilder unter Verwendung Tomographie aufgenommenen auftreten aufgrund der unterschiedlichen Absorption von Röntgenstrahlen in den Lötverbindungen, metallische Spuren und andere Materialien in der Mikroelektronik-Paket als eine Funktion der unterschiedlichen Dämpfungslängen und Dicke dieser Mehr Materialien. Das SIP-Paket besteht aus einem Silizium-Düse mit der ersten Ebene Verbindungs ​​auf einem Keramiksubstrat angebracht (FLI) Flip-Chip-C4 Lötkugeln von etwa 80 um Durchmesser; Mid-Level-Verbindung (MLI) Lotkugeln von etwa 350 & mgr; m Anschluss dieses Substrat einer FR4 Epoxy-Leiterplatte; . und zweiten Ebene Verbindungs ​​(SLI) BGA Lotkugeln von etwa 650 & mgr; m auf der Rückseite der Schaltungsplatine 2 zeigt eine schematische Darstellung der Probe , wenn sie in der horizontalen Orientierung angeordnet ist; Diese Ausrichtung wurde gewählt , um die gesamte Probe im Sichtfeld für eine Abtastung zu passen. Abbildung 3 zeigt die 3D - Bilder aus der gleichen Probe einGesamtpaket, das in einem Scan mit geringer TPT (Tabelle 2) abgebildet wurde. Diese Daten wurden analysiert und unter Verwendung von Avizo. Für die Mikroelektronik- Pakete ein Winkelinkrement von 0,175 ° wurde resultierenden über 180 Grad in 1.025 Bilder ausgewählt. In Figur 3A die Platte Durchgangslöcher, Kupfer - Vias, und ein Teil des Substrats sichtbar sind. 3B zoomt auf einen interessierenden Bereich in zeigt eine Ecke des feldprogrammierbaren Gate - Array (FPGA) sterben und Substrat. Dies zeigt , wie schnell die einzelnen Komponenten eines ganzen Multilevel - Paket inspiziert werden kann. Figur 4 die Eigenschaften nachgewiesen mit SRμT in einem FPGA SIP - Paket zeigt. Hier ist die Leiterplatte, VIA, Siliziumchips, beide Substrate, und alle Ebenen der Verbindungen sind nicht erkennbar. 5 und 6 die Verwendung von Tomographiedaten zeigen Merkmale in 3D zu visualisieren, wo zwei verschiedene Ansichten der Leiterbahnen sind displaye d. 6 zeigt ein 3D - Bild des vertikal gescannt CPU - Die - Package mit FLI und MLI - Verbindungen. Durch die vertikale Ausrichtung Scan die gesamte Proben nicht in einem einzigen Scan erfasst wurde, wäre , um die gesamte Probe in dieser Ausrichtung Tiling Bild erforderlich 6B zeigt eine 2D - tomographischen Scheibe vergrößert. hier ist die Bildqualität ausreichend Risse innerhalb einer Lotkugel zu beobachten, die vor der Bilderzeugung während der ausgedehnten thermischen Zyklen erzeugt wurden.

Abbildung 1
Abbildung 1. Schematische zeigt Tomographie - Setup. Schematische Darstellung des Stalles am Strahlrohr 8.3.2 an der Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley CA USA). (Abbildung von 8.3.2 Mikrotomographie-Handbuch entnommen und kann abgerufen werden unter: http://microct.lbl.gov/manual)"Target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Schritte für Daten zu rekonstruieren. Schema , das die Schritte zeigt , die eine endgültige 3D rekonstruierten Bild einer Probe aus der Tomographie - Setup zu bekommen. Die Probe ist hier ein 16 x 16 mm SIP - Gehäuse in der horizontalen Ausrichtung abgebildet wird. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. 3D - Volumen - Rendering - Paket. 3D - Rendering eines mit 8,7 um Auflösung und einer Zykluszeit von 3 min bebildert gesamte Paket FPGA SIP (A) zeigt das gesamte Paket, und (B) gezoomten in Ansicht eines Bereichs des Pakets eine Ecke des FPGA - Substrat und der Leiterplatte zeigt Verbindungen. 13 Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4. Die tomographische Bild zeigt einen Querschnitt des Pakets. 2D rekonstruierten Schnitt durch das Paket SIP FPGA genommen. Diese Probe wurde mit 4,5 um Auflösung und einer Zykluszeit von 20 min abgebildet. Der Siliziumchip, Underfill, beide Substrate, und alle Ebenen der Verbindungen beobachtet werden. 13 Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 5. 3D - Volumen - Rendering der drei Verbindungsebenen. Segmentierte 3D - Bild des gesamten SIP - Gehäuse mit einem 8,7 um Auflösung (3 min Zykluszeit) zeigt. Dies zeigt die drei Ebenen der Verbindungen (FLI, MLI und SLI). 13 Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6. Sichtbare Poren in einer Lotkugel identifiziert. (A) rekonstruierten 3D - Bild des vertikal gescannt CPU - Die - Package mit FLI und MLI Lötverbindungen. (B) Vergrößerte in der Region eines 2D rekonstruierten Schicht, eine MLI Lotkugel mit einem großen Zentrum Leere zeigt und während vorsätzliche thermischen Belastungstests verursachte Risse. 13pload / 53683 / 53683fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Film 1
Film 1. Tomography Bilder in 3D und 2D des Pakets ( rechts klicken zum Download ). Dieser Film zeigt das 3D - Volumen - Rendering der 16 x 16 mm 2 Paket aus verschiedenen Perspektiven. Dann schwenkt durch die verschiedenen Scheiben interne Informationen zu zeigen, aus dem Paket.

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

Tabelle 1. Details , um die Kameras und Objektive erhältlich bei ALS - Strahlrohr 8.3.2 zeigt.

Quelle Auflösung Option Kamera / Objektiv Mag. Pixelgröße (um) FOV Breite (mm) FOV Höhe (mm) Bild Zeit TPT (min) FOV / TPT (mm 2 / min)
Synchrotron ALS BL 8.3.2 niedrig A / 1X 8.7 36 6 3 72
niedrig 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
hoch B / 5X 1.3 3.3 2.8 5 1,84
hoch B / 10X 0,65 1.7 1.4 11 0,22
Lab-basierte Quelle MicroXCT-200 hoch - 1.5-2 1.5-2 1.5-2 180-240 ~ 0,02

Tabelle 2. Zusammenfassung der Beschlüsse, Sichtfeld, und Belichtungszeit für verschiedene Kameras und Objektiv - Optionen.

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Discussion

Alle Schritte in dem Protokoll beschrieben sind kritisch hochaufgelöste Bilder von mehrskaligen und Multimaterialproben zu erhalten. Einer der kritischen Schritte der Probenmontage und die Fokussierung der Optik, die den Erhalt qualitativ hochwertige Bilder von entscheidender Bedeutung sind, die für die Quantifizierung verwendet werden können. Genauer gesagt, sogar leichte Bewegung der Probe würde Artefakte in dem rekonstruierten Bild führen und in der Auflösung würde eine Verschlechterung Defokussierung. Zur Vermeidung von Problemen mit der Bildqualität ist es wichtig, ein Testbild zu rekonstruieren, die simultan während der nächsten Probe Scans erfolgen kann. Dies wird dazu beitragen, alle Fragen oder Probleme, die während des Scans Setup aufgetreten sind. Wenn es Probleme mit dem rekonstruierten Bild sind, kann es notwendig sein, die Probe sorgfältige Aufmerksamkeit erneut scannen Montage und Ausrichtung zu probieren. Während der Installation können auch andere Probleme auftreten, wie Fehler mit Labview, Probleme mit dem Probentisch Motor oder das Fehlen von the Röntgenstrahls. Es gibt detaillierte Schritte zur Fehlerbehebung auf das Handbuch des beamline, die auf beamline Website zu finden sind. Konsultieren Sie die beamline Wissenschaftler weitere Möglichkeiten zu diskutieren, für die Bildqualität zu verbessern oder wenn der Experimentator über ein Problem kommt im Handbuch nicht abgedeckt.

Alle hier unterstreichen die Vorteile der Verwendung von SRμT zu Bild in nur wenigen Minuten ein ganzes Paket Mikroelektronik Multi-Level gezeigt Figuren mit hoher räumlicher Auflösung und die Möglichkeit, Analysen zu bestimmten Funktionen innerhalb der Probe zerstörungsfrei durchzuführen. Für die abgebildeten Proben hier die Rekonstruktionszeit unter einer Stunde in Anspruch nahm. Die große Energiespektrum in der ALS ermöglicht die Abbildung von hoher und niedriger Ordnungszahl Elemente mit der entsprechenden Filterung. Dies ermöglicht eine Quantifizierung der Risse, Lunker, Delaminationen, Defekte, und vieles mehr. Für einige der hier die kontinuierliche Tomographie-Modus in den schnellen Datenerfassungszeiten Aided abgebildet Proben. Obwohlgibt es eine große Auswahl an Materialien und Mengen, die unter Verwendung von SRμT dort abgebildet werden kann, mehrere Einschränkungen aufgrund der verfügbaren Energiebereich für die ALS-Synchrotron sind. Insbesondere kann die Dicke der hochdichten Materialien eingeschränkt werden.

Diese hochauflösende Fähigkeit des Synchrotronquelle CT-System liefert wertvolle Informationen für die Fehleranalyse und Montageprozessentwicklung. Im Gegensatz kann die Tischplatte CT-System relativ niedrige Helligkeit nicht zur Auswahl eines monochromatischen Energie ermöglichen und hat Schwierigkeiten, Mängel in Gegenwart von Kupfer oder Lot umgebenden Merkmale hervorheben. Die Fähigkeit eines Tomographie-Technik große Probengrößen mit schneller TPT Zeit aufzunehmen ist von größter Bedeutung für die Halbleiterindustrie. Die erhaltenen Ergebnisse SRμT weisen darauf hin , einen Weg in die Zukunft für neue Anwendungen in der Mikroelektronik 14. Insgesamt gibt es eine breite Palette von Möglichkeiten in diesem Bereich für die ZukunftArbeit, die Untersuchung speziell für diese Multi-Material - Multiskalen unter Mikroelektronik Pakete in - situ - Bedingungen, wie Radfahren Temperatur und zyklischer Belastung.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Der LLNL Teil dieser Arbeit wurde unter der Schirmherrschaft des US Department of Energy von Lawrence Livermore National Laboratory unter Vertrag DE-AC52-07NA27344 ausgeführt. Die Intel Corporation Autoren möchten Pilin Liu Liang Hu, William Hammond, und Carlos Orduno von der Intel Corporation für einen Teil der Datensammlung und hilfreiche Diskussionen danken. Die Advanced Light Source wird vom Direktor, Amt für Wissenschaft, dem Büro des Basic Energy Sciences, der US-Department of Energy unter Vertrag Nr DE-AC02-05CH11231 unterstützt.

Materials

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

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