Utilisation de rayonnement synchrotron Microtomographie d'enquêter sur Multi-échelle Forfaits microélectroniques en trois dimensions

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Summary

Pour cette étude, le rayonnement synchrotron micro-tomographie, une technique d'imagerie non destructive en trois dimensions, est utilisé pour étudier un ensemble de micro-électronique avec une aire en coupe transversale de 16 x 16 mm. En raison de flux élevé et la luminosité du synchrotron l'échantillon a été imagé en seulement 3 min avec une résolution spatiale de 8,7 um.

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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

Le rayonnement synchrotron de micro-positons (SRμT) est une technique (3D) imagerie non destructive en trois dimensions qui offre un flux élevé pour rapide temps d'acquisition de données à haute résolution spatiale. Dans l'industrie de l'électronique il y a un intérêt sérieux dans l'exécution de l'analyse des défaillances sur les paquets de microélectroniques 3D, beaucoup qui contiennent de multiples niveaux d'interconnexions à haute densité. Souvent, en tomographie il y a un compromis entre la résolution de l'image et le volume d'un échantillon qui peut être imagé. Cette relation inverse limite l'utilité des systèmes conventionnels tomodensitométrie (CT) depuis un paquet microélectroniques est souvent de grande surface en coupe transversale 100-3,600 mm 2, mais a des caractéristiques importantes à l'échelle du micron. La ligne de faisceau micro-tomographie à l'Advanced Light Source (ALS), à Berkeley, CA Etats - Unis, a une configuration qui est adaptable et peut être adapté aux propriétés d'un échantillon, à savoir, la densité, l' épaisseur, etc., avec un maximum permettentsection transversale en mesure de 36 x 36 mm. Cette configuration a également la possibilité d'être soit monochromatique dans la gamme d'énergie ~ 7-43 keV ou fonctionnant avec flux maximum en mode lumière blanche en utilisant un faisceau polychromatique. Présenté voici le détail des étapes expérimentales prises à l'image entière d'un système 16 x 16 mm dans un colis, afin d'obtenir des images 3D du système avec une résolution spatiale de 8,7 um tout dans un temps de balayage de moins de 3 min. Sont également indiquées les résultats de paquets numérisés dans des orientations différentes et un ensemble en coupe pour une meilleure imagerie de résolution. En revanche un système de CT conventionnel prendre des heures pour enregistrer des données avec potentiellement moins bonne résolution. En effet, le rapport du champ de vision en temps le débit est beaucoup plus élevé lors de l'utilisation de l'installation synchrotron tomographie par rayonnement. La description ci-dessous du dispositif expérimental peut être mis en œuvre et adapté pour être utilisé avec de nombreux autres multi-matériaux.

Introduction

Dans le domaine de la microélectronique, comme dans beaucoup d'autres domaines, l'évaluation non destructive à l'échelle du micromètre est nécessaire lors de la caractérisation des échantillons. Spécifiquement pour l'industrie de la microélectronique, il y a un intérêt à sonder les paquets de la microélectronique 3D, contenant multi-niveaux et multi-matériaux, et l'identification des défaillances dans des emballages pendant thermique, électrique, mécanique et soulignant des composants. Autour du synchrotron mondial des installations de rayonnement ont désigné tomographie et de diffraction beamlines qui sont utilisés pour l'analyse des défaillances des packages microélectroniques. Quelques exemples de ce sont l' imagerie formation de vides causés par électromigration 1-3, l' évaluation des mécanismes de 4,5 de croissance étain moustaches, des observations in situ de surfusion et la dilatation thermique anisotrope de l' étain et des composés intermétalliques (IMCs) 6,7, l' observation in situ dans solidification et formation IMC 8-10, comportement mécanique anisotrope etrecristallisation de l' étain et de plomb brasures libres 10, vides dans la chair de flip chip, et dans les observations in situ de Ag-Nanolnk frittage 11. Toutes ces études ont en outre fait progresser la compréhension et le développement de composants dans l'industrie microélectronique. Toutefois, bon nombre de ces études ont mis l'accent sur les petites régions à l'intérieur du paquet. Plus d'informations peuvent être tirées de l'essai et la caractérisation de l'ensemble complet de taille en utilisant la résolution haute SRμT afin de favoriser leur développement.

Les boîtiers électroniques produites contiennent maintenant plusieurs couches d'interconnexions. Ces forfaits et appareils sont de plus en plus complexe qui appelle à une solution 3D pour l'évaluation non destructive à l'égard de l'analyse des défaillances, contrôle de la qualité, l'évaluation des risques de fiabilité, et le développement. Certains défauts nécessitent une technique qui permet de détecter des caractéristiques moins de 5 um, qui comprennent les vides et la formation de fissures à l'intérieur du cuivre suvias bstrate, l' identification sans contact des plots de soudure ouverte et nonwet dans un emballage à plusieurs niveaux 12, la localisation et la quantification des vides dans des réseaux de grilles à billes (BGA) et C4 joints de soudure. Pendant le processus d'assemblage de substrat de ces types de défauts doivent être identifiés et surveillés intensivement pour éviter les défaillances indésirables.

Actuellement les systèmes CT utilisant des sources en laboratoire, également connu sous le nom de table, sont en mesure de fournir le plus haut ~ 1 um résolution spatiale, et sont utilisés pour isoler les défaillances dans les paquets multi-niveaux avec des résultats prometteurs. Cependant, les systèmes de table de CT ont certaines limites par rapport aux configurations de SRμT 13,14. les systèmes de bureau sont limités à l'imagerie d'une certaine gamme de densités de matériaux, car ils ne contiennent habituellement un ou deux des rayons X de spectres de source. Également en-temps mis (TPT) reste longue pour les systèmes de table CT classiques nécessitant plusieurs heures de temps d'acquisition de données par 1-2 mm 2 région d'intérêt, qui can limiter son utilité; par exemple, l'analyse des défaillances dans Through Silicon Vias (TSV), BGA ou les articulations C4 nécessitent souvent l'acquisition de champs multiples de vues (FOV) ou des régions d'intérêt à haute résolution dans l'échantillon, résultant en TPT total de 8-12 heures, ce qui est un bouchon de spectacle pour les systèmes CT de table classiques lorsque plusieurs échantillons doivent être analysés. Le rayonnement synchrotron fournit des flux beaucoup plus élevé et la luminosité que les sources de rayons X conventionnels, ce qui entraîne beaucoup plus rapides des temps d'acquisition de données pour une région donnée d'intérêt. Bien que SRμT ne permet plus de flexibilité en ce qui concerne les types de matériaux qui peuvent être imagés et le volume de l'échantillon, il a ses limites, qui sont spécifiques à la source de synchrotron et la configuration utilisée, l'épaisseur spécifique maximale acceptable et la taille de l'échantillon. Pour la configuration du SRμT à l'ALS de la surface en coupe transversale maximale qui peut être imagé est <36 x 36 mm et l'épaisseur est limitée par la plage d'énergie et du flux est disponible et de matériaupécifique.

Cette étude permet de démontrer comment SRμT peut être utilisé pour l'image d'un système à plusieurs niveaux dans l'ensemble de package (SIP) avec une haute résolution et basse TPT (3-20 min) pour une utilisation dans l'inspection des paquets de semi-conducteurs 3D. Plus de détails sur la comparaison table TC à Synchrotron Source TC peuvent être trouvés dans les références 13,14.

Experimental Aperçu et Beamline 8.3.2 Description:
Il y a des installations synchrotron disponibles pour la tomographie d'expériences dans le monde entier; la plupart de ces installations nécessitent la soumission d'une proposition où l'expérimentateur décrit l'expérience, ainsi que son impact scientifique. Les expériences décrites ici ont toutes été réalisées à l'ALS au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) à 8.3.2 ligne de lumière. Pour cette ligne de lumière, il y a deux options de mode d'énergie: 1) monochromatique dans la gamme d'énergie ~ 7-43 keV ou 2) polychromatique lumière "blanche" où l'ensemble disponispectre d'énergie ble est utilisé lors de la numérisation des matériaux de haute densité. Lors d'une analyse typique à un échantillon 8.3.2 ligne de lumière est monté sur une scène de rotation où les rayons X pénètrent dans l'échantillon, les rayons X atténués sont convertis en lumière visible à travers un scintillateur, magnifiés par une lentille, puis projetés sur un CCD pour l'enregistrement. Ceci se fait alors que l'échantillon tourne de 0 à 180 ° produisant une pile d'images qui est reconstruit pour obtenir une vue 3D de l'échantillon avec une résolution de micromètres. La taille de l' ensemble de données tomographique résultant varie de ~ 3-20 Gb en fonction des paramètres de numérisation. La figure 1 montre un schéma de la huche où l'échantillon est analysé.

Le protocole suivant a présenté ici décrit le dispositif expérimental, l'acquisition des données et les étapes de traitement nécessaires pour imager un ensemble de micro-électronique, mais les étapes peut être modifié à l'image d'une variété d'échantillons. Les modifications dépendent de la taille de l'échantillon,densité, géométries et caractéristiques d'intérêt. Les tableaux 1 et 2 présentent la résolution et taille de l' échantillon des combinaisons disponibles à 8.3.2 ligne de lumière (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Pour la micro-électronique étudié ici, l'échantillon a été imagé à l'aide d'un faisceau polychromatique ( «blanc»), qui a été choisie en raison de l'épaisseur et de haute densité des composants de l'échantillon. L'échantillon a été monté dans l'orientation horizontale sur un mandrin de montage, cette orientation a permis l'ensemble de l'échantillon pour tenir dans la taille du faisceau, qui est parallèle à une hauteur de ~ 4 mm et une largeur de ~ 40 mm, par conséquent, ne nécessitant une scanner pour capturer l'ensemble de l'échantillon.

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Protocol

Note: les détails du protocole décrits ci-dessous ont été écrits spécifiquement pour les travaux en ligne de lumière 8.3.2 à l'ALS, Berkeley, CA. Adaptations peuvent être nécessaires pour le travail dans d'autres installations de synchrotron, qui peuvent être trouvés dans le monde entier. la sécurité appropriée et la formation de rayonnement est nécessaire pour mener des expériences de ces installations et les lignes directrices pour la formation peuvent être trouvées sur le site Web de chaque installation de synchrotron individuelle. Toute modification ou mise à jour du protocole de positons (ALS, LBNL, Berkeley, CA) peuvent être trouvés sur le manuel de 15 ligne de lumière. Les détails du processus de tomographie peut être trouvée dans la référence 16. Les scientifiques lignes de lumière sont disponibles pour répondre à toutes les questions et faciliteront le montage expérimental.

1. Les étapes de la scène Tomographie Scans à Beamline 8.3.2 (ALS, LBNL)

  1. Préparer l'échantillon pour l'analyse en le montant sur un porte-échantillon destiné à adapter à l'étape de rotation de la ligne de lumière. Pour les échantillons qui ne disposent pas d'un custom monter, respecter l'échantillon à un mandrin de poste ou d'une perceuse avec de l'argile ou la cire.
    Note: L'échantillon numérisé dans cette étude était un micro-électronique qui est 16 x 16 mm et seulement ~ 3 mm de hauteur. Afin d'adapter l'ensemble du paquet dans le champ de vision de l'échantillon a été monté horizontalement à l'aide d'argile fournie à la ligne de lumière.
    1. Aligner l'échantillon pour faire en sorte que lors de sa rotation de 180 degrés, il reste dans le champ de vision. Avant de charger l'échantillon sur la scène de rotation à l'intérieur du clapier, il est une étape de rotation simulée hors ligne qui est utilisé pour aligner l'échantillon. inspection visuelle du centre de rotation est généralement suffisant pour l'alignement.
    2. Monter l'échantillon fixé au support d'échantillon à l'intérieur du clapier. Une fois que l'échantillon a été monté dans la cage, deux moteurs de centrage orthogonaux permettent un positionnement de l'échantillon par rapport au centre de rotation.
      Note: Parfois, la préparation des échantillons est nécessaire à l'avance de l'expérience afin de vous assurer que l'échantillonla taille est correcte pour la résolution souhaitée. Par exemple, certains des paquets de microélectroniques 16 x 16 mm ont été sectionnés en petits morceaux pour plus numérisation haute résolution. La taille de l' échantillon peut être déterminée en utilisant les tableaux 1 et 2.
  2. Sélectionnez le grossissement pour l'analyse en fonction de la taille de l'échantillon et la taille caractéristique d'intérêt. Beamline 8.3.2 a plusieurs verres à choisir qui produisent des images avec une gamme de tailles de pixels de 0,35 à 9 pm. Selon l'agrandissement, l'échantillon doit être de la zone de section transversale appropriée, que le champ de vision diminue avec l'augmentation de grossissement.
    1. Puisque l'échantillon numérisé est ici de 22,6 mm dans la direction la plus longue, sélectionner la lentille 1X avec le PCO.4,000, comme indiqué dans les tableaux 1 et 2, cette combinaison donne le plus grand champ de vision de l' échantillon. La taille de pixel résultante est de 8,7 um.
  3. Réglez l'énergie de rayons X ou de passer à un polychfaisceau romatic utilisant le contrôle de l'ordinateur Beamline. La gamme d'énergie de rayons X au 8.3.2 est continue ligne de faisceau 4-80 keV, mais le monochromateur multicouche monté limite la gamme d'énergie à ~ 7-43 keV, tandis que le flux de pointe se produit à ~ 12 keV. Pour obtenir la meilleure qualité d'image, baser la sélection de l'énergie sur le ciblage d'une transmission ~ 30%, qui peut être mesurée sur les données d'acquisition d'ordinateur. En général, les augmentations% de transmission avec l'augmentation de l'énergie.
    1. Pour le package microélectroniques, "select blanc" lumière en raison de l'épaisseur et le matériau de l'emballage.
      Remarque: Le manuel a détaillé 8.3.2 ligne de lumière étapes pour changer entre lumière «blanche» et le mode monochrome.
    2. Lorsque vous utilisez le mode lumière "blanche", ajouter 2-4 filtres en aluminium de métal et de cuivre en ligne avec le faisceau de rayons X afin de filtrer les rayons X d'énergie inférieure. Pour cet exemple, utiliser 2 feuilles de cuivre avec une épaisseur totale de ~ 1,2 mm.
    3. Calculer la transmission à travers l'échantillon avant de time en utilisant:
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html ou http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ ou http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .php. Par exemple, l'introduction de la formule chimique et d'épaisseur estimée pour la sortie échantillon volonté un graphique montrant la transmission pour cent en fonction de la gamme d'énergie.
  4. Vérifiez que le centre de rotation de la scène est alignée avec le centre de la caméra. Pour vérifier que l'échantillon est aligné rotation par le biais de 180 degrés à l'aide du logiciel sur le contrôle informatique Beamline et observer visuellement le changement d'emplacement de l'échantillon en regardant les clichés sur l'ordinateur. Contrôle change à l'alignement sur le même ordinateur. La qualité d'image se dégrade lorsque l'alignement de l'échantillon est suffisamment large pour que les régions de l'échantillon quittent le champ de vision lors de la rotation de l'échantillon.
  5. Définissez manuellement l'échantillon au détecteur de distance pour analyse. La caméra est sur une scène de translation qui peut se déplacer horizontalement qui est utiliséchanger l'échantillon à la distance du détecteur. Lorsque la distance augmente l'apport de contraste de phase augmente également. effets de phase sont utiles pour plus facilement l'image des fissures et des bords subtils, mais aussi causer d'autres artefacts «effet de halo» qui sont souvent indésirables.
  6. Vérifiez l'alignement de ligne de lumière. Vérifiez la mise au point de l'image et ajuster le moteur de mise au point si nécessaire. Assurez-vous que le calibrage de la taille des pixels est correcte en déplaçant l'échantillon une quantité définie et en mesurant le nombre de pixels de l'échantillon déplacé pour calculer um / pixel. La taille de voxel va changer en fonction de la configuration expérimentale.
    1. Vérifiez que l'image se déplace horizontalement, l'image dispose piste horizontalement le long d'un pixel constant, et si non, régler le moteur appareil d'inclinaison de sorte qu'ils font. Ceci aligne l'axe de rotation de sorte qu'il soit parallèle aux colonnes de pixels, ce qui est l'alignement supposé par la suite par les algorithmes de reconstruction.
  7. Sélectionnez un temps d'exposition pour chaque Radiographie. La plage de temps d'exposition est 1-1,500 msec et la sélection dépend de l'énergie et de la résolution de numérisation (qui détermine le flux observé par élément de résolution). Le temps sélectionné doit fournir un compromis entre le temps le plus rapide de balayage et une analyse avec plusieurs chefs et donc le meilleur rapport signal-bruit.
    1. Pour le package microélectroniques, utiliser un temps de balayage échantillon de 100 msec par exposition.
      Remarque: Assurez-vous qu'il n'y a pas de pixels saturés ou au moins de moins que l'objectif recommandé de 100. Le système de contrôle est configuré pour afficher les chiffres de l'appareil photo sur une échelle convertie de telle sorte que le nombre maximum de chaque caméra est 65.535.
  8. Configurer les paramètres de numérisation à l'aide des données d'acquisition d'ordinateur.
    1. Saisissez la plage angulaire désirée, et le nombre d'images à recueillir sur cette plage. Les angles plus choisis plus les temps de balayage et plus la taille du jeu de données. numéros communs d'angles sont 513, 1025 et 2049 sur une plage 0-180 degrés. Pour cette étude, on utilise1.025 angles de plus de 180 degrés pendant l'acquisition de données.
    2. Sélectionnez le mode de balayage. Les deux options pour le mode de balayage sont 1) normal et 2) la tomographie continue. Le mode continu est préféré car il résulte en un minimum de temps de balayage, ~ 3 min. Dans ce mode, l'étape de rotation se déplace en continu sous forme d'images sont collectées. En mode normal, l'étage d'arrêt de la rotation à chaque angle et une image est recueillie.
    3. Précisez le nombre d'images de champ lumineux et sombres. Les images de champ lumineux et sombres sont nécessaires pour effectuer la reconstruction. Pour les images sombres sur le terrain les volets étroits et pour le champ lumineux ou des images de fond les échantillons se déplace hors du champ de vision. Vérifiez que l'échantillon est traduit assez loin pour qu'il ne soit pas présent dans l'image lumineuse de terrain afin d'éviter des défauts dans les images reconstruites. Ici, l'acquisition de 15 images de champ sombres et 15 images de champ lumineux.
    4. Déterminer si le carrelage est nécessaire. Si l'échantillon est plus grand que le champ of voir il y a une option de carrelage, qui va scanner l'échantillon puis le traduire verticalement jusqu'à ce que l'ensemble de l'échantillon est capturé.
  9. Exécuter analyse de l'exécution sur les données d'acquisition d'ordinateur. Le scan sera exécuté automatiquement en fonction des paramètres entrés.

2. Procédure de traitement des données Exécution tomographique

  1. Transfert des données à un ordinateur d'analyse disponible sur la ligne de lumière pour effectuer la reconstruction et le filtrage de l'ensemble de données en utilisant le protocole de ligne de lumière. Reconstruction peut fonctionner indépendamment de l'acquisition de données.
    Note: Les données sont automatiquement transférées vers NERSC, un ordinateur de haute performance, où il est traité et reconstruit. Les utilisateurs peuvent ouvrir un compte à NERSC d'accéder à leurs données via le portail Web SPOT Suite à spot.nersc.gov. Ce portail est toujours en mode de développement, de nombreux utilisateurs préfèrent avoir plus de contrôle sur les paramètres de reconstruction, auquel cas ils suivent les étapes restantes.
  2. ReconstRUCT les images brutes suivantes comme suit: 1) normaliser les images, 2) créer pile de sinogrammes, 3) appliquer l'enlèvement de l'anneau / filtres, et 4) effectuer la reconstruction de faisceau parallèle. La reconstruction est basée sur un algorithme de rétroprojection filtrée. Les résultats du processus de reconstruction d'images TIFF qui contiennent des informations sur l'emplacement et l'intensité de chaque pixel constituant le volume de l'échantillon. Un schéma de l'ensemble du procédé est représenté sur la figure 2.
    1. Pour accéder au plug-in démarre FIDJI (qui est un acronyme pour les Fidji est juste ImageJ) et sélectionnez le menu Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming comme indiqué ci-dessous. Un utilisateur à l'installation de la SLA peut effectuer le processus de reconstruction complète en utilisant un plugin personnalisé pour ImageJ / Fidji, qui intègre plusieurs logiciels conçus pour simplifier le processus de reconstruction.
      Remarque: les Fidji et le plug-in sont disponibles pour une utilisation sur plusieurs Beamline 8.3.2 ordinateurs d'analyse.
    2. Une fois la boîte de dialogue FIDJI est ouvert, Comme indiqué ci-dessous, sélectionnez le fichier brut destiné à la reconstruction. L'empilement des images brutes, lumineuses et sombres devrait maintenant être chargé.
    3. Trouver le centre de rotation en cliquant sur "Détecter centre de rotation», puis de visualiser l'image reconstruite sélectionnez 'Preview reconstruction ». La valeur pour le centre de rotation peut également être entré manuellement et prévisualisé.
    4. Grâce à cette interface, il y a la possibilité de modifier les paramètres de suppression de l'anneau, le type d'image (8, 16 ou 32 bits), la plage de pixels, angle des images de rotation, et définir la région rognée. Chaque nouveau jeu de paramètres peut être visualisé à l'aide du bouton 'reconstruction Preview'.
    5. Une fois que les paramètres sont sélectionnés, reconstituer l'ensemble de la pile d'images en sélectionnant «run». Tous les fichiers de données suivants peuvent être trouvés dans le «répertoire de sortie" spécifiée, le répertoire par défaut sera dans un fichier de sortie dans le dossier de données brutes.
  3. Accès des données brutes de tomographie sboîtes de tout ordinateur en allant sur le site http://spot.nersc.gov/, qui est le NERSC (LBNL superordinateur) serveur via le portail SPOT.
    Remarque: Chaque chercheur doit avoir leur propre NERSC compte pour accéder à leurs ensembles de données spécifiques. Un utilisateur peut configurer un compte à https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. À la ligne de lumière, chaque groupe de recherche est associé à un compte de ligne de lumière. Ce compte est utilisé pour accéder aux ordinateurs de lignes de lumière, et peut également être utilisé pour accéder à des données directement à partir du serveur en utilisant Globus en ligne ligne de lumière.
  4. Visualiser les données dans les deux 2D et 3D en chargeant la pile de 2D reconstruit des images dans un logiciel d'analyse 3D. Les échantillons et les images présentées ici utilisent des logiciels Avizo pour effectuer l'analyse et la visualisation, qui est disponible pour les utilisateurs Beamline à l'un des ordinateurs d'analyse 8.3.2 ligne de lumière.
  5. Après une série de données sont téléchargées dans le logiciel de visualisation effectuer une analyse plus approfondie des données pour obtenir des informations quantifiées sur fe spécifiqueatures au sein de l'échantillon. Souvent, les jeux de données sont sous-échantillonnées afin de réduire la taille des données de sortie. Cependant, cela peut augmenter la taille de voxel réduire la fidélité, mais lisser la vue de l'image pour faciliter la segmentation.
    1. Sélectionnez les caractéristiques du segment d'intérêt par seuillage de l'histogramme de la pile de 2D reconstruit tranches et l'attribution d'une nouvelle valeur de pixel à des pixels qui tombent dans une plage spécifiée.
    2. Visualiser les volumes et les surfaces segmentées. Une fois les caractéristiques sont segmentés ils sont vus en 3D en utilisant Avizo ou tout autre logiciel de visualisation préféré. Cela permet des rendus 3D de surface des caractéristiques spécifiques, comme billes de soudure à une certaine région d'intérêt.
    3. Quantifier caractéristiques de l'échantillon, à savoir, la taille de la fissure, vias, porosité, défauts, etc. Une fois une caractéristique d'intérêt est identifié, comme un intermédiaire ou le crack, la fonction peut être segmenté et de l' information volumétrique sur la largeur des fissures, de la longueur, par l' intermédiaire du volume, répartition de la porosité peut être quantifiée en évaluant la tomogrdonnées aphic définies.
    4. Créer un film de l'échantillon montrant l'échantillon dans des orientations différentes. Film 1 montre des exemples des différentes vues en coupe transversale et le volume de rendu des vues pour le paquet microélectroniques imagé dans l'orientation horizontale.

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Representative Results

Les images capturées en utilisant la tomographie sont dues à l'absorption différentielle de rayons X dans les interconnexions de soudure, des traces métalliques et d'autres matériaux dans la micro-électronique en fonction des différentes longueurs d'atténuation et de l'épaisseur de ces matériaux multiples. Le paquet SIP consistait en un silicium mourir attaché à un substrat en céramique avec la première interconnexion de niveau (FLI) puce flip boules C4 de soudure d'environ 80 um de diamètre; interconnexion de niveau intermédiaire (MLI) billes de soudure d'environ 350 um reliant ce substrat à un circuit FR4 époxy bord; . et la seconde interconnexion de niveau (SLI) Les billes BGA de soudure d'environ 650 um sur le côté arrière de la carte de circuit imprimé Figure 2 montre un schéma de l'échantillon quand il est placé dans l'orientation horizontale; cette orientation a été choisie afin d'adapter l'ensemble de l' échantillon dans le champ de vision pour un balayage. La figure 3 montre les images 3D à partir d' un même échantillon, unensemble du paquet qui a été imagée dans une analyse à faible TPT (tableau 2). Ces données ont été analysées et préparées en utilisant Avizo. Pour les packages microélectroniques un incrément angulaire de 0,175 ° a été choisi résultant en 1025 des images de plus de 180 degrés. Sur la figure 3A la plaque par des trous, des vias de cuivre, et une partie du substrat sont visibles. Figure 3B zoome sur une région d'intérêt montrant un coin du champ programmable gate array (FPGA) mourir et substrat. Ceci montre la rapidité avec laquelle les composants individuels de l' ensemble d' un paquet multi - niveaux peuvent être examinés. La figure 4 montre les caractéristiques détectées avec SRμT dans un paquet FPGA SIP. Voici la carte de circuit, silicium matrice de VIA, les deux substrats, et tous les niveaux d'interconnexions sont perceptibles. Les figures 5 et 6 montrent l'utilisation des données de tomographie pour visualiser les caractéristiques en 3D, où deux vues différentes des interconnexions sont displaye d. La figure 6 montre une image 3D de l'ensemble de la filière de CPU numérisée verticalement avec FLI et les connexions MLI. En raison de l'orientation de balayage vertical des échantillons entiers n'a pas été capturé dans un balayage, pour l' image de la totalité de l' échantillon dans cette orientation carrelage serait nécessaire La figure 6B montre une tranche tomographique 2D agrandie. ici la qualité d'image est suffisante pour observer des fissures au sein d'une bille de soudure, qui ont été créés pendant le cycle thermique prolongée avant l'imagerie.

Figure 1
Figure 1. Schéma montrant la configuration de la tomographie. Schéma de la huche au 8.3.2 ligne de lumière à l'Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley CA USA). (Figure tirée de 8.3.2 Microtomographie manuel, et peut être consulté à l'adresse: http://microct.lbl.gov/manual)"Target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Les étapes de reconstruction des données. Schéma montrant les étapes pour obtenir une image finale 3D reconstruite d'un échantillon à partir de la configuration de la tomographie. L'échantillon ici est un paquet SIP 16 x 16 mm étant imagé dans l'orientation horizontale. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. 3D du volume rendu du paquet. Rendu 3D d'un paquet entier FPGA SIP imagé avec 8,7 um de résolution et un temps de balayage de 3 min (A) montre l'ensemble du paquet, et (B) zoomée vue d'une région de l'emballage montrant un coin du substrat FPGA et les conseils des interconnexions de circuits. 13 S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. tomographique image montrant une coupe transversale de l'emballage. 2D tranche reconstruite prise à travers le package FPGA SIP. Cet échantillon a été imagée avec 4,5 um de résolution et un temps de balayage de 20 min. La matrice de silicium, underfill, les deux substrats, et tous les niveaux d'interconnexions peuvent être observées. 13 S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

683 / 53683fig5.jpg "/>
Figure 5. 3D du volume rendu des trois niveaux d'interconnexion. Segmentée d'image 3D montrant le paquet SIP entier avec un 8,7 um résolution (3 min temps de balayage). Cela montre les trois niveaux d'interconnexions (FLI, MLI et SLI). 13 S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6. pores visibles identifiés dans une bille de soudure. (A) image 3D reconstruite du paquet de filière CPU numérisé verticalement avec FLI et les connexions de soudure MLI. (B) zoomée dans la région d'une tranche 2D reconstruite, montrant une bille de soudure MLI avec un grand vide et fissures causées lors des essais de contrainte thermique intentionnelle centre. 13pload / 53683 / 53683fig6large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Film 1
Film 1. images tomographiques en 3D et 2D de l'emballage ( clic droit pour télécharger ). Ce film montre le volume rendu 3D du mm 2 package à partir de différents points de vue 16 x 16. Ensuite, casseroles à travers les différentes tranches pour afficher des informations internes à l'intérieur du paquet.

PCO.4,000 (4,008x2,672) PCO.Edge (2,560x2,160) [Optique Peter *]
Lentille Pixels (pm) Champ de vision (mm) Pixels (pm) Champ de vision (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
1 FOIS 9 36 6.5 16.6

Tableau 1. Détails montrant les caméras et les lentilles disponibles à ALS 8.3.2 ligne de lumière.

La source Option Résolution Appareil photo / objectif Mag. Pixel Taille (pm) FOV Largeur (mm) FOV Hauteur (mm) Temps d'image TPT (min) FOV / TPT (mm 2 / min)
Synchrotron ALS BL 8.3.2 faible A / 1X 8.7 36 6 3 72
faible 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
haute B / 5X 1.3 3.3 2.8 5 1,84
haute B / 10X 0,65 1.7 1.4 11 0,22
Lab-Based Source MicroXCT-200 haute - 1.5-2 1.5-2 1.5-2 180-240 ~ 0,02

Tableau 2. Résumé des résolutions, champ de vision, et le temps d'imagerie pour différentes caméras et options de lentilles.

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Discussion

Toutes les étapes décrites dans la section de protocole sont essentielles pour obtenir des images à haute résolution d'échantillons multi-échelles et multi-matériaux. L'une des étapes les plus critiques est l'échantillon de montage et la mise au point de l'optique, qui sont indispensables à l'obtention d'images de qualité qui peuvent être utilisés pour la quantification. Plus précisément, même léger mouvement de l'échantillon provoquerait des artefacts dans l'image reconstruite et défocalisation entraînerait une détérioration de la résolution. Pour éviter des problèmes avec la qualité de l'image, il est important de reconstruire une image de test, qui peut avoir lieu en même temps alors que les prochaines analyses des échantillons. Cela aidera à identifier les problèmes ou les problèmes qui ont pu se produire lors de la configuration de numérisation. S'il y a des problèmes avec l'image reconstruite, il pourrait être nécessaire de ré-analyser l'échantillon en faisant attention à l'échantillon de montage et de l'alignement. Lors de l'installation d'autres problèmes peuvent survenir, tels que les erreurs avec Labview, des problèmes avec le moteur de l'étage de l'échantillon, ou l'absence de the x faisceau de rayons. Il y a des étapes détaillées pour le dépannage sur le manuel de la ligne de lumière, qui peut être trouvé sur le site Web de ligne de lumière. Consultez les scientifiques lignes de lumière pour discuter d'autres options pour améliorer la qualité d'image ou si l'expérimentateur tombe sur un problème non couvert dans le manuel.

Tous les chiffres présentés ici mettent en évidence les avantages de l'utilisation SRμT à l'image d'un micro-électronique multi-niveau entier dans seulement quelques minutes à haute résolution spatiale et la capacité d'effectuer des analyses sur les caractéristiques spécifiques au sein de l'échantillon non-destructive. Pour les échantillons imagés ici le temps de la reconstruction a pris moins d'une heure. Le spectre d'énergie de large à l'ALS permet l'imagerie des deux éléments de numéro atomique élevé et faible avec le filtrage approprié. Cela permet la quantification des fissures, des vides, délaminage, défauts, et bien plus encore. Pour plusieurs des échantillons imagés ici le mode de tomographie assistée en continu dans les temps d'acquisition de données rapides. Bien queil y a une large gamme de matériaux et des volumes qui peuvent être imagés en utilisant SRμT il y a plusieurs limitations dues à la gamme d'énergie disponible pour l'installation de synchrotron ALS. Plus précisément, l'épaisseur des matériaux à haute densité peut être limitée.

Cette capacité à haute résolution du système synchrotron source de CT fournit des informations précieuses pour les analyses de défaillance et le développement des processus d'assemblage. En revanche relativement faible luminosité du système de CT de table ne peut pas permettre la sélection d'une énergie monochromatique et a de la difficulté mettant en évidence les défauts de la présence de cuivre ou de soudure caractéristiques environnantes. La capacité d'une technique de tomographie pour accueillir de grandes tailles d'échantillon avec plus rapide temps TPT est d'importance capitale pour l'industrie des semi-conducteurs. Les résultats obtenus en utilisant SRμT suggèrent une voie à suivre pour de nouvelles applications en microélectronique 14. Dans l'ensemble, il y a un large éventail de possibilités dans ce domaine pour l'avenirtravail, enquête spécifiquement ces packages microélectroniques multi-échelles multi-matériaux dans des conditions in situ, comme la température du cyclisme et le chargement cyclique.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Acknowledgments

La partie LLNL de ce travail a été réalisée sous les auspices du Département américain de l'énergie par Lawrence Livermore National Laboratory sous contrat DE-AC52-07NA27344. Les auteurs Intel Corporation aimeraient remercier Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, et Carlos Orduno d'Intel Corporation pour une partie de la collecte des données et des discussions utiles. Le Advanced Light Source est pris en charge par le directeur, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, du Département américain de l'énergie sous contrat No. DE-AC02-05CH11231.

Materials

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

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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).

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