マルチスケール三次元マイクロエレクト​​ロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

要約

この研究放射光マイクロトモグラフィー、非破壊3次元撮像技術のために、16×16mmの断面積全体マイクロエレクト​​ロニクスパッケージを調べるために使用されます。シンクロトロンの高フラックスと明るさに起因してサンプルが8.7μmの空間分解能でわずか3分で画像化しました。

要約

放射光マイクロトモグラフィー（SRμT）は、高空間分解能で高速のデータ取得時間のために高いフラックスを提供する非破壊三次元（3D）イメージング技術です。エレクトロニクス産業では、高密度相互接続の複数のレベルを含む多くの3D超小型電子パッケージの不良解析を行う際に重大な関心があります。多くの場合、断層画像の解像度と画像化することができる試料の容量の間のトレードオフがあります。マイクロエレクトロニクスパッケージは、断面積100-3,600ミリメートル²にしばしば大きいが、ミクロンスケールの重要な機能を備えていますので、この逆の関係は、従来のコンピュータ断層撮影（CT）システムの有用性を制限します。高度な光源（ALS）でマイクロ断層撮影ビームラインは、カリフォルニア州バークレー米国で、適応可能である等 、サンプルの特性、 すなわち、密度、厚さ、に合わせることができるセットアップを持っている、最大でallow36のx 36ミリメートルのできる断面。また、この設定では、〜7-43 keVのエネルギー範囲における単色のいずれかである、または多色ビームを用いた白色光モードで最大フラックスで動作するオプションを有します。ここで提示未満、3分のスキャン時間内に8.7マイクロメートルのすべての空間分解能を有するシステムの3次元画像を得るために、画像にパッケージ内全体の16×16ミリメートルのシステムをとった実験手順の詳細です。また、異なる向きでスキャンされたパッケージからの結果と高解像度イメージングのために切片パッケージが示されています。対照的に、従来のCTシステムは、潜在的に劣った解像度のデータを記録するために時間がかかります。シンクロトロン放射断層撮影の設定を使用した場合、実際に、視野スループット時間の比率が非常に高いです。実験の以下の説明は、実装および他の多くの多の材料との使用に適合させることができます。

概要

サンプルを特徴付ける際にマイクロエレクト​​ロニクスの分野では、多くの他の分野と同様に、マイクロメートルスケールでの非破壊評価が必要です。具体的には、マイクロエレクト​​ロニクス産業のために、3Dマイクロエレクト​​ロニクスパッケージをプロービングマルチレベルとマルチ物質を含む、および、熱、電気、および機械部品のストレス時のパッケージの障害を同定することに関心があります。世界の放射光施設の周囲にマイクロエレクト​​ロニクスパッケージの不良解析のために使用される断層回折ビームラインを指定しています。このいくつかの例は、過冷却とのその場観察中のスズと金属間化合物（IMCの^）6,7の異方性熱膨張、 その場観察で 、錫ウィスカ成長^4,5ためのメカニズムを評価する、エレクトロ^1-3によって生じるボイド形成を撮像しています凝固およびIMC形成^8-10、異方性の機械的挙動と錫の再結晶化と鉛フリーはんだ^10、フリップチップバンプ中のボイド、及びAg-ナノインク焼結¹¹のその場観察インチこれらの研究のすべては、さらに、マイクロエレクト​​ロニクス業界の理解とコンポーネントの開発を進めてきました。しかしながら、これらの研究の多くは、パッケージ内の小さな領域に集中しています。詳細については、その開発を促進するために、高解像度のSRμTを使用して、フルサイズのパッケージをテストし、特徴づけるから収集することができました。

電子パッケージは現在、製造相互接続の複数の層を含むされます。これらのパッケージおよびデバイスは、故障解析、品質管理、信頼性のリスク評価、及び開発に関する非破壊評価のための3Dソリューションを求めているますます複雑に成長しています。特定の欠陥が少ない銅のsuの内部に空隙を形成し、クラックを含むサイズが5μm、より特徴を検出することができる技術を必要としますbstrateビア、ボールグリッドアレイ（BGAの）及びC4はんだ接合内の空隙を配置し、定量、マルチレベルパッケージ¹²に非接触オープンとnonwetはんだパッドを識別する。基板組み立てプロセス中の欠陥のこれらの種類が識別され、不要な障害を回避するために広範囲に監視しなければなりません。

また、天板として知られている実験室ベースの源を使用して現在のCTシステムは、〜1μmの空間分解能と高い提供することが可能であり、有望な結果を有するマルチレベルパッケージにおける障害を分離するために使用されています。 SRμTセットアップ^13,14と比較した場合しかし、卓上型CTシステムにはいくつかの制限を有します。それらは通常、1つまたは2つのX線源のスペクトルを含むため、卓上型システムは、材料のみの特定の濃度範囲を画像化に限定されています。また、スループット時間（TPT）関心1-2 mm ²の領域と、CAあたりのデータ取得時間の数時間を必要とする従来の卓上型CTシステムのための長いままnは、その有用性を制限します。例えば、シリコンビア（TSV）を介しての失敗を分析し、BGAのかC4関節がしばしばある、8〜12時間の合計TPTで、その結果、サンプル内の高解像度でビュー（FOV）または関心領域の複数のフィールドを取得する必要が複数のサンプルを分析する必要があり、従来の卓上型CTシステムのためのショーストッパー。放射光は、関心のある領域のための非常に高速なデータ取得時間になり、従来のX線源よりもはるかに高い流束及び輝度を提供します。 SRμTを撮像することができる材料の種類に対する試料量でより多くの柔軟性を可能にしないが、それが使用され、シンクロトロン源とセットアップに固有のものな制限、特に最大許容厚さとサンプルサイズを持っています。 ALSにおけるSRμT設定に撮像することができる最大の断面積は、<36、X 36 mmであり、厚さは、利用可能なエネルギー範囲とフラックスによって制限され、材料のありますpecific。

この研究はSRμT3次元半導体パッケージの検査に使用するためにパッケージ全体のマルチレベルのシステムの高分解能および低TPTと（SIP）（3-20分）画像を利用することができる方法を示すために使用されます。シンクロトロンソースCTのに卓上CTのを比較に関する詳細は、参考文献^13,14に記載されています。

実験の概要とビームラインは、説明8.3.2：
世界中のトモグラフィー実験のための利用可能なシンクロトロン施設があります。これらの施設のほとんどは、実験者は実験だけでなく、その科学的な影響を説明し、提案の提出を必要とします。ここで説明する実験は、すべてのビームライン8.3.2でローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）でALSで行いました。 1）エネルギー範囲における単色〜7-43 keVのか、2）多色「白色」光全体ご利用できます：このビームラインのために2つのエネルギーモードのオプションがあります高密度材料をスキャンするときBLEエネルギースペクトルが使用されます。試料は、X線が試料を貫通する回転ステージ上に搭載されている典型的な走査中にビームライン8.3.2で、次いで、減弱したX線は、シンチレータを介して可視光に変換するレンズで拡大し、その後に投影します記録用のCCD。サンプルはマイクロメートルの分解能で試料の3Dビューを得るために、再構成された画像のスタックを生成0〜180から回転する間に行われます。得られた断層撮影データセットのサイズは、スキャンパラメータに依存〜3-20ギガビットの範囲である。1は、試料を走査するハッチの概略図を示します 。

ここに示さ以下のプロトコルは、全体のマイクロエレクト​​ロニクスパッケージを撮像するために必要な実験のセットアップ、データ収集、及び処理手順について説明するが、手順は画像サンプルの種々改変することができます。修飾は、サンプルサイズに依存し、密度、幾何学的形状、および関心のある特徴。 表1、表 2には、本ビームライン8.3.2（ALS、LBNL、カリフォルニア州バークレー）で入手可能な解像度とサンプルサイズの組み合わせ。ここで調べたマイクロエレクト​​ロニクスパッケージのためのサンプルは、厚さと、サンプルの成分の高濃度のために選択された多色（「白」）ビームを用いて画像化しました。サンプルは、マウントチャック上に水平方向に、したがって一つだけを必要とする〜4ミリメートルと〜40mmの幅の高さと平行なビームの高さに収まるように試料全体に許可され、この方向を、マウントされました試料全体をキャプチャするためにスキャンします。

プロトコル

注：以下で説明するプロトコルの詳細は、ALS、バークレー、カリフォルニア州でのビームライン8.3.2での仕事のために特別に書かれていました適応は、世界中で見つけることができる他のシンクロトロン施設、で仕事のために必要となる場合があります。適切な安全及び放射線訓練は、これらの施設で実験を実行するために必要とされ、訓練のためのガイドラインは、個々の放射光施設のウェブサイト上で見つけることができます。断層撮影プロトコル（ALS、LBNL、カリフォルニア州バークレー）への変更または更新は、ビームラインマニュアル¹⁵に記載されています。断層撮影法の詳細は文献¹⁶に記載されています。ビームラインの科学者は、任意の質問に答えるために利用可能であり、実験のセットアップを容易にするであろう。

ビームライン8.3.2で断層撮影スキャンを実行するための手順1.（ALS、LBNL）

1. ビームラインの回転ステージに収まるように設計された試料ホルダーにそれを装着することにより、スキャン用のサンプルを準備します。カストを持っていないサンプルについてオムマウント、粘土やワックスをポストまたはドリルチャックにサンプルを付着します。
   注：この研究でスキャンしたサンプルは、16×16ミリメートル、高さだけ〜3mmであるマイクロエレクト​​ロニクスパッケージました。視野全体のパッケージに適合するために、試料をビームラインに設けられた粘土を使用して水平に取り付けました。
   1. それが180度回転したとき、それが視野内に留まることを確実にするために、サンプルの位置を合わせます。ハッチ内側の回転ステージにサンプルをロードする前にサンプルを整列させるために使用されるオフラインモック回転ステージがあります。回転の中心の目視検査は、位置合わせのため通常は十分です。
   2. ハッチ内の試料ホルダーに取り付けられたサンプルをマウントします。サンプルはハッチ内に装着された後、二つの直交センタリングモータは、回転の中心に対して、試料の位置決めを可能にします。
      注：時々、サンプル調製は、必ずサンプルを作るために前方に実験時間の必要とされていますサイズは、所望の解像度のための正しいです。例えば、16×16ミリメートルの超小型電子パッケージの一部は、さらに、高解像度走査のための小片に切断しました。サンプルサイズは、 表1および表 2を用いて決定することができます。
2. 関心のサンプルサイズと機能のサイズに基づいて、スキャンの倍率を選択します。 9ミクロン - ビームライン8.3.2は、0.35からの画素サイズの範囲で画像を生成するから選択するいくつかのレンズを持っています。視野は倍率の増加と共に減少する倍率に応じて、サンプルは、適切な断面積のものでなければなりません。
   1. 表1及び表 2に示したように、ここでスキャンしたサンプルは、最長方向22.6 mmであるので、PCO.4,000で1Xレンズを選択し、この組合せは、ビューの最大のサンプルフィールドを与えます。その結果、画素サイズは8.7μmです。
3. polychにX線エネルギーまたはスイッチを設定します。ビームラインコントロールコンピュータを使用してromaticビーム。ビームライン8.3.2でのX線エネルギー範囲は4-80 keVのから連続しているが、多層モノクロメーターが搭載され、ピークフラックスは〜12 keVの時に発生しながら、エネルギー範囲に〜7-43 keVのを制限します。最高品質の画像を取得するには、データ収集コンピュータ上で測定することができます〜30％の透過率を、ターゲットとのエネルギー選択の基礎としています。エネルギーを増加させると一般、％透過率が増大します。
   1. マイクロエレクト​​ロニクスパッケージの場合、パッケージの厚さと材質による光 "白を選択して"。
      注意：ビームライン8.3.2マニュアルでは、「白色」光とモノクロモードとの間で変更するための詳細な手順があります。
   2. 「白色」光モードを使用する場合、より低いエネルギーのX線をフィルタリングするために、X線ビームに沿って、2-4金属アルミニウムと銅のフィルタを追加します。このサンプルでは、​​〜1.2ミリメートルの厚さの合計で2銅シートを使用。
   3. 先にティムのサンプルを通じて伝送を計算します使用して、電子：
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.htmlまたはhttp://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/またはhttp://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .phpの。例えば、化学式およびサンプルが出力さの推定厚エネルギー範囲の関数としてのパーセント透過率を示すグラフを入力します。
4. 回転ステージの中心がカメラの中心と一致していることを確認します。サンプルはビームラインコントロールコンピュータ上のソフトウェアを使用して180度回転して位置合わせされていることを確認し、視覚的にコンピュータ上でX線写真を表示することにより、試料位置の変化を観察します。コントロールが同じコンピュータ上に並ぶように変更されます。サンプルの領域はサンプル回転中の視野を残すように、サンプルの位置合わせが十分にオフのときに画質が劣化します。
5. 手動スキャンの検出器の距離にサンプルを設定します。カメラが使用されて水平方向に移動することができます並進ステージ上にあります検出器の距離にサンプルを変更します。距離が増加する位相差の寄与も大きくなります。位相効果がより簡単に画像の微妙な亀裂やエッジに有用であるだけでなく、多くの場合、望ましくない他の「ハロー効果」アーティファクトを引き起こします。
6. ビームラインのアライメントを確認してください。画像のピントを確認し、必要に応じてフォーカスモータを調整します。ピクセルサイズ・キャリブレーションは、サンプルに定義された量を移動し、サンプルはミクロン/ピクセルを計算するために移動ピクセル数を測定することにより、正しいことを確認します。ボクセルサイズは、実験に応じて変化します。
   1. 画像が水平方向に移動すると、画像が水平方向に一定のピクセルに沿ってトラックを備えていることを確認し、ない場合は彼らが行うように、カメラのチルトモータを調整します。それは再構成アルゴリズムによって後で想定アラインメントである画素列に平行になるように、これは、回転軸を整列させます。
7. 各X線写真の露光時間を選択します。露光時間の範囲は1-1,500ミリ秒であり、選択は（解像度要素ごとに観測されたフラックスを決定する）スキャンエネルギーと解像度に依存します。選択された時間は最速スキャン時間とより多くの数、したがって、最良の信号対雑音比を有するスキャンの間のトレードオフを提供する必要があります。
   1. マイクロエレクト​​ロニクスパッケージの場合、露出あたり100ミリ秒のサンプルスキャン時間を使用しています。
      注：制御システムは、各カメラの最大数は65,535であるように変換された規模で、カメラの数を表示するように設定されている100の推奨目標よりも少なくとも小さい全く飽和画素またはがないことを確認してください。
8. データ収集コンピュータを使用してスキャンパラメータを設定します。
   1. その範囲にわたって収集するために入力された所望の角度範囲、および画像の数。より多くの角度は、データセットのサイズがスキャン時間より長く、より大きなを選択しました。角度の共通番号は0から180度の範囲にわたって、513、1025、および2049です。この研究のために、使用1025角度データ収集中に180度以上。
   2. スキャンモードを選択します。走査モードの2つのオプションは、通常1）及び2）の連続断層撮影法です。それは2〜3分、最短スキャン時間になるので、連続モードが好ましいです。画像が収集されるように、このモードでは、回転ステージは、連続的に移動します。通常モードでは、回転ステージは、各角度で停止した後、画像を収集します。
   3. 明暗視野画像の数を指定します。明暗視野画像は、再構成を実行するために必要です。暗視野像近く、明視野用シャッターや背景画像のためのサンプルは、視野の外に移動します。それが再構成画像に大きな欠陥を回避するために、明視野像に存在しないように、サンプルが十分に翻訳されていることを確認します。ここでは、15暗視野像15明視野画像を取得します。
   4. タイリングが必要であるかどうかを確認します。サンプルは、フィールドOより背が高い場合Fビューサンプル全体が捕捉されるまで、垂直にそれを翻訳し、サンプルをスキャンしますタイリングオプションが、そこにあります。
9. データ収集コンピュータ上で実行スキャンを実行します。スキャンは、入力された設定に基づいて自動的に実行されます。

断層データ処理を実行するための2ステップ

1. ビームラインで利用可能な解析コンピュータへの転送データがビームラインのプロトコルを使用して、データセットの再構成およびフィルタリングを実行します。復興は、データ収集とは無関係に実行することができます。
   注：データは自動的にNERSC、それが処理され、再構築された高性能のコンピュータに転送されます。ユーザーはspot.nersc.govでSPOT SuiteのWebポータルを介して自分のデータにアクセスするNERSCでアカウントにサインアップすることができます。このポータルは、開発モードのままなので、多くのユーザーは、彼らが残りの手順を実行する場合に再構成パラメータ、より詳細に制御を持っていることを好みます。
2. Reconst次の手順を実行して、生の画像をruct：1）、2）サイノグラムのスタックを作成して画像を正規化、3）リング除去/フィルタを適用し、4）平行ビーム再構成を行います。再構成は、フィルタ補正逆投影アルゴリズムに基づいています。試料容量を構成する各画素の位置と強度の情報を含むTIFF画像内の再構成処理をもたらします。プロセス全体の概略図を図2に示されています。
   1. プラグインにアクセスするには、（ちょうどImageJのフィジーの頭字語である）でフィジーを起動し、以下に示すように、メニュープラグイン→ALSmicroCT→NormalizeStack832newnamingを選択します。 ALS施設の利用者は、再構成プロセスを合理化するために設計されたいくつかのソフトウェアパッケージを統合するImageJの/フィジー、用のカスタムプラグインを使用して全体の再構成処理を行うことができます。
      注：フィジーとプラグインは、複数のビームライン8.3.2分析コンピュータ上で使用できます。
   2. フィジーダイアログボックスが開いたら、以下に示すように、再構築のために意図されたRAWファイルを選択します。 、生の明るい、そして暗い画像のスタックが今ロードする必要があります。
   3. その後、「プレビュー再構築」を選択し、再構成画像を可視化するために、「回転の中心を検出する]をクリックして回転の中心を見つけます。回転の中心の値は、手動で入力してプレビューすることができます。
   4. このインタフェースを使用することが環除去パラメータを変更するためのオプション、画像の種類（8、16、または32ビット）、画素範囲、画像の回転角度であり、トリミングされた領域を画定します。それぞれの新しいパラメータセットが「プレビュー再構成」ボタンを使用して可視化することができます。
   5. パラメータを選択したら、「実行」を選択することで、画像のスタック全体を再構築します。その後のすべてのデータファイルが指定した '出力ディレクトリ」で見つけることができ、デフォルトのディレクトリは、生データのフォルダ内の出力ファイルになります。
3. 断層のからのアクセスの生データSPOTポータルを通じてNERSC（LBNLスーパーコンピュータ）サーバであるウェブサイトのhttp://spot.nersc.gov/、に行くことによって、任意のコンピュータから缶。
   注：個々の研究者が彼らの特定のデータセットにアクセスするための独自のNERSCアカウントを持っている必要があります。ユーザー缶セットアップhttps://nim.nersc.gov/nersc_account_request.phpでアカウント。ビームラインでは、各研究グループは、ビームラインのアカウントが割り当てられます。このアカウントは、ビームラインのコンピュータにアクセスするために使用され、また、Globusのオンラインを使用して、ビームラインサーバから直接データにアクセスするために使用することができます。
4. 2Dのスタックをロードすることによって、3Dと2Dの両方でデータを可視化する任意の3D解析ソフトに画像を再構成し。ここで紹介するサンプルおよび画像は、ビームライン8.3.2分析の任意のコンピュータでユーザーをビームラインするために利用可能である分析と可視化を実行するためにAvizoのソフトウェアを使用しています。
5. データセットは、可視化ソフトウェアにアップロードされた後、特定のFEで定量情報を得るためにさらなるデータ分析を実行試料内atures。多くの場合、データセットは、出力データサイズを小さくするためにダウンサンプリングされます。しかし、これは忠実度を減らすボクセルサイズを増やし、もっと簡単なセグメンテーションのための画像表示をスムーズにすることができます。
   1. 2Dのスタックのヒストグラムを閾値処理することによって、目的のセグメントの機能を選択したスライスを再構築し、指定した範囲内の画素に新たな画素値を割り当てます。
   2. セグメント化されたボリュームおよび表面を可視化します。特徴は、セグメント化されると、それらはAvizoまたは任意の好適な視覚化ソフトウェアを使用して3Dで表示されています。これは、関心のある領域でのはんだボールのように、特定の機能の3D表面レンダリングを可能にします。
   3. 、関心の特徴が識別されるとひび割れ幅に関する情報などを介して、または割れ、機能がセグメント化と体積できるので、サンプル、 すなわち 、亀裂の大きさ、ビア、気孔率、欠陥などの機能を定量化、長さ、ボリュームを経由して空隙率分布to​​mogrを評価することによって定量することができますaphicデータセット。
   4. 異なる向きでサンプルを示すサンプルのムービーを作成します。映画1は、水平方向に画像化されたマイクロエレクト​​ロニクスパッケージの異なる断面図とボリュームレンダリングビューの例を示しています。

結果

断層撮影法を使用して撮影された画像は、異なる減衰長とこれらの多の材料の厚さの関数としてのマイクロエレクト​​ロニクスパッケージにおけるはんだ相互接続、金属トレース、および他の材料におけるX線の吸収差に起因し発生します。 SIPパッケージには、約80ミクロン直径の最初のレベルの相互接続（FLI）フリップチップC4はんだボールを有するセラミック基板に取り付け死ぬシリコ?...

ディスカッション

プロトコルの項で説明したステップのすべては、マルチスケール、マルチ材料サンプルの高解像度の画像を得るために重要です。最も重要なステップの一つは、試料が取り付けおよび定量のために使用することができる品質の画像を得るために不可欠である光学系の焦点です。具体的には、サンプルのわずかな動きは、再構成画像にアーチファクトが発生し、解像度の劣化の原因となるデフ?...

資料

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