Usando Synchrotron Radiation microtomografia para investigar Multi-escala Pacotes de microeletrônicos tridimensionais

Resumo

Para este estudo radiação sincrotrão micro-tomografia, uma técnica de imagem não destrutivo tridimensional, é empregue para investigar um pacote de microelectrónica inteira com uma área de secção transversal de 16 x 16 mm. Devido ao alto fluxo e brilho do sincrotrão a amostra foi fotografada em apenas 3 min com uma resolução espacial de 8,7 m.

Resumo

radiação síncrotron micro-tomografia (SRμT) é uma técnica não destrutiva tridimensional de imagem (3D) que oferece alto fluxo para tempos rápidos de aquisição de dados com alta resolução espacial. Na indústria de eletrônicos não é sério interesse na realização de análise de falhas em pacotes de microeletrônica 3D, muitos que contêm vários níveis de interconexões de alta densidade. Muitas vezes, em tomografia há um trade-off entre a resolução da imagem e o volume de uma amostra que pode ser trabalhada. Esta relação inversa limita a utilidade dos sistemas convencionais de tomografia computadorizada (TC) desde um pacote de microeletrônica é muitas vezes grandes em área transversal 100-3,600 mm ^2, mas tem características importantes na escala de mícrons. A linha de luz de micro-tomografia na fonte avançada Luz (ALS), em Berkeley, CA EUA, tem uma configuração que é adaptável e pode ser adaptado para as propriedades de uma amostra, ou seja, a densidade, espessura, etc, com um máximo permitidosecção transversal capaz de 36 x 36 mm. Esta configuração também tem a opção de ser ou monocromática na faixa de energia ~ 7-43 keV ou operar com o máximo de fluxo no modo de luz branca utilizando um feixe policromático. Aqui apresentados estão pormenores das fases experimentais adoptadas para imagem todo um sistema 16 x 16 mm dentro de um pacote, de modo a obter imagens 3D do sistema com uma resolução espacial de 8,7 uM tudo dentro de um tempo de varrimento de menos de 3 minutos. Também são mostrados os resultados de pacotes digitalizados em diferentes orientações e um pacote seccionado para geração de imagens de resolução mais alta. Em contraste, um sistema de CT convencional levaria horas para registrar dados com potencialmente mais pobre resolução. De facto, a relação de campo de visão para o tempo de transferência é muito maior quando se utiliza a configuração tomografia radiação sincrotrão. A descrição a seguir da configuração experimental pode ser aplicado e adaptado para utilização com muitos outros multi-materiais.

Introdução

No campo da microeletrônica, como em muitos outros campos, é necessária a avaliação não destrutiva na escala micrométrica na caracterização de amostras. Especificamente para a indústria de microeletrônica há interesse em investigar pacotes microeletrônica 3D, contendo multi-níveis e multi-materiais, e identificar falhas nos pacotes durante térmica, elétrica e mecânica salientando dos componentes. Em torno do sincrotrão mundo instalações de radiação, designaram tomografia e difração de linhas de luz que são usados ​​para análise de falhas de pacotes de microeletrônicos. Alguns exemplos disso são imagiologia formação de vazios causada por eletromigração ^1-3, avaliar os mecanismos para ^4,5 crescimento estanho suiça, observações in situ de undercooling e expansão térmica anisotrópica de estanho e compostos intermetálicos (IMCs) ^6,7, na observação in situ de formação de solidificação e IMC ^8-10, comportamento mecânico e anisotrópicarecristalização de estanho e chumbo soldas livres ^10, as lacunas na solavancos Flip Chip, e em observações in situ de Ag-NanoInk sinterização ^11. Todos estes estudos têm avançado ainda mais a compreensão e desenvolvimento de componentes na indústria microeletrônica. No entanto, muitos destes estudos concentraram-se em pequenas regiões dentro da embalagem. Mais informação pode ser adquirida a partir de testar e caracterizar o pacote de tamanho completo usando SRμT alta resolução, a fim de promover o seu desenvolvimento.

Os pacotes electrónicos sendo produzido agora contêm várias camadas de interconexões. Estes pacotes e dispositivos estão crescendo cada vez mais complexo, que exige uma solução 3D para avaliação não destrutiva que diz respeito à análise de falhas, controle de qualidade, avaliação de risco confiabilidade, e desenvolvimento. Certos defeitos requerem uma técnica que podem detectar características inferior a 5 um em tamanho, que incluem vazios e fissuras dentro cobre suvias bstrate, identificando sem contato almofadas de solda aberto e nonwet em embalagens de vários níveis ^12, localizar e quantificar vazios em matrizes de grade bola (BGAs) e juntas de solda C4. Durante o processo de montagem substrato estes tipos de defeitos devem ser identificada e monitorizada extensivamente para evitar falhas indesejadas.

Actualmente os sistemas que utilizam fontes de CT em laboratório, também conhecida como mesa, são capazes de fornecer tão elevada como 1 uM ~ resolução espacial, e estão a ser utilizados para isolar as falhas em pacotes de vários níveis com resultados promissores. No entanto, os sistemas tabletop CT tem algumas limitações quando comparado com configurações SRμT ^13,14. sistemas de mesa estão limitados a imagiologia de apenas uma certa gama de densidade de materiais, uma vez que normalmente só contêm espectros fonte de raios X um ou dois. Também por meio-tempo, colocar (TPT) permanece por muito tempo para sistemas tabletop CT convencionais que necessitam de várias horas de tempo de aquisição de dados por 1-2 mm ² região de interesse, o que can limitar a sua utilidade; por exemplo, analisando falhas na Através Vias de silício (TSV), BGAs ou articulações C4 muitas vezes exigem que adquirem múltiplos campos de visão (FOV) ou regiões de interesse em alta resolução dentro da amostra, resultando em TPT total de 8-12 horas, o que é uma rolha de show para os sistemas de TC de mesa convencionais quando várias amostras têm de ser analisados. radiação síncrotron fornece muito maior fluxo e brilho de fontes de raios-x convencionais, resultando em tempos de aquisição de dados muito mais rápidas para uma determinada região de interesse. Embora SRμT não permitir uma maior flexibilidade no que diz respeito aos tipos de materiais que podem ser visualizados e volume de amostra, ela não tem limitações, que são específicos para a fonte de luz síncrotron e configuração utilizada, espessura especificamente máximo aceitável e tamanho da amostra. Para a configuração SRμT no ALS a área de secção transversal máxima que pode ser trabalhada é <36 x 36 mm e a espessura é limitado pelo intervalo de energia e do fluxo disponível e é s materiaisESPECÍFICOS.

Este estudo é utilizado para demonstrar como SRμT pode ser utilizado para a imagem de um sistema multi-nível inteiro no pacote (SIP) com alta resolução e baixa TPT (3-20 min) para uso em inspeccionar os pacotes de semicondutores 3D. Mais detalhes sobre comparando tabletop CT de a Synchrotron Fonte CT podem ser encontrados nas referências ^13,14.

Experimental Overview & Beamline 8.3.2 Descrição:
Há instalações síncrotron disponíveis para experimentos de tomografia de todo o mundo; a maioria destas instalações exigir a apresentação de uma proposta em que o experimentalista descreve a experiência, bem como o seu impacto científico. As experiências descritas aqui foram todos realizados no ALS no Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) a linha de luz 8.3.2. Para esta linha de luz há duas opções de modo de energia: 1) monocromática na faixa de energia ~ 7-43 keV ou 2) policromática luz "branca" onde todo o availaespectro de energia ble é usada na digitalização de materiais de alta densidade. Durante uma análise típica em linha de luz 8.3.2 numa amostra é montado sobre uma fase de rotação onde os raios-X penetram na amostra, em seguida, os raios-x são atenuadas convertida em luz visível através de um cintilador, ampliada por uma lente e, em seguida projectados sobre um CCD para gravação. Isso é feito enquanto a amostra gira de 0 a 180 ° produzir uma pilha de imagens que é reconstruída para obter uma vista 3D da amostra com resolução micrómetro. O tamanho do conjunto de dados tomográfica resultante varia de ~ 3-20 Gb dependendo dos parâmetros de verificação. A Figura 1 mostra uma representação esquemática da gaiola onde a amostra é digitalizado.

O seguinte protocolo aqui apresentado descreve a montagem experimental, a aquisição de dados, e os passos de processamento necessários para imagiologia de um pacote de microelectrónica inteiro, mas os passos pode ser modificado para a imagem de uma variedade de amostras. As alterações dependem do tamanho da amostra,densidade, geometrias e características de interesse. Tabelas 1 e 2 apresentam a resolução e amostra combinações de tamanho disponíveis na linha de luz 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Para o pacote microelectrónica investigada aqui a amostra foi visualizada utilizando um feixe policromático ( "branco"), que foi seleccionado, devido à espessura e de alta densidade de componentes da amostra. A amostra foi montado na orientação horizontal sobre um mandril de montagem, esta orientação permitido para toda a amostra para caber dentro da altura da viga, que é paralela com uma altura de ~ 4 mm e largura de ~ 40 mm, por conseguinte, necessitando apenas de um digitalizar para capturar toda a amostra.

Protocolo

Nota: detalhes protocolo descrito a seguir foram escritas especificamente para o trabalho em linha de luz 8.3.2 na ALS, Berkeley, CA. As adaptações podem ser necessárias para o trabalho em outras instalações síncrotron, que podem ser encontrados em todo o mundo. adequadas de segurança e formação de radiação é necessária para a execução de experimentos nestas instalações e as diretrizes para a formação podem ser encontrados no site de cada instalação síncrotron individual. Quaisquer alterações ou atualizações para o protocolo de tomografia (ALS, LBNL, Berkeley, CA) pode ser encontrada no manual de beamline ^15. Os detalhes sobre o processo de tomografia podem ser encontrados na referência ^16. Os cientistas beamline estão disponíveis para responder a quaisquer perguntas e vai facilitar a configuração experimental.

1. Passos para atuando Tomografia varreduras em Beamline 8.3.2 (ALS, LBNL)

1. Preparar a amostra para o exame por montá-lo em um suporte de amostra projetado para caber em fase de rotação da linha de luz. Para amostras que não têm um custom montagem, aderir a amostra para um post ou bucha com argila ou cera.
   Nota: A amostra digitalizada neste estudo foi uma embalagem microelectrónico que é 16 x 16 mm e apenas ~ 3 mm de altura. A fim de encaixar o pacote inteiro no campo de visão, a amostra foi montado horizontalmente usando a argila fornecida na linha de luz.
   1. Alinhar a amostra para assegurar que, quando se roda ao longo de 180 graus que permanece dentro do campo de visão. Antes de carregar a amostra na fase de rotação no interior da gaiola há uma etapa de rotação simulada off-line, que é utilizado para alinhar a amostra. A inspecção visual do centro de rotação é geralmente suficiente para o alinhamento.
   2. Monte o exemplo anexado ao titular da amostra dentro da gaiola. Uma vez que a amostra tenha sido montado na gaiola, dois motores de centragem ortogonais permitem o posicionamento da amostra em relação ao centro de rotação.
      Nota: Às vezes, é necessária a preparação da amostra antes do tempo experimento, a fim de garantir que a amostratamanho é correto para a resolução desejada. Por exemplo, alguns dos pacotes de microelectrónicos 16 x 16 mm foram seccionados em pequenos pedaços para serem verificados de alta resolução. O tamanho da amostra pode ser determinada utilizando Tabelas 1 e 2.
2. Seleccione a ampliação para a digitalização com base no tamanho da amostra e recurso de tamanho de interesse. Beamline 8.3.2 tem várias lentes para escolher qual produzir imagens com uma gama de tamanhos de pixel 0,35-9 uM. Dependendo da ampliação, a amostra deve ser de área de secção transversal adequada, como o campo de visão diminui com o aumento da ampliação.
   1. Uma vez que a amostra digitalizada aqui é de 22,6 mm no sentido mais longo, seleccionar a lente 1X com o PCO.4,000, como mostrado nas Tabelas 1 e 2, esta combinação dá o maior campo de vista da amostra. O tamanho do pixel resultante é de 8,7 uM.
3. Defina a energia de raios-x ou mudar para um polychfeixe romatic usando o computador de controle Beamline. A faixa de energia de raios-x na linha de luz 8.3.2 é contínua 4-80 keV, mas o monocromador multicamadas montado limita a gama de energia para ~ 7-43 keV, enquanto o fluxo de pico ocorre em ~ 12 keV. Para obter a melhor qualidade de imagem, basear a seleção de energia na segmentação uma transmissão ~ 30%, o que pode ser medido sobre a aquisição do computador de dados. Em geral, os aumentos% de transmissão com o aumento da energia.
   1. Para o pacote de microelectrónica, "seleccionar branco" luz devido à espessura e do material de embalagem.
      Nota: O manual beamline 8.3.2 detalhou os passos para alterar entre o modo monocromático luz "branca" e.
   2. Ao usar o modo de luz "branca", adicione 2-4 filtros de alumínio metal e cobre em linha com o feixe de raios-x, a fim de filtrar os raios-X de baixa energia. Para este exemplo, utilizar 2 folhas de cobre com uma espessura total de ~ 1,2 mm.
   3. Calcule a transmissão através da frente amostra de time usando:
      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. Por exemplo, introduzindo a fórmula química e espessura estimada para a saída de amostra será um gráfico que mostra a percentagem de transmissão em função do intervalo de energia.
4. Verificar que o centro de rotação da fase está alinhado com o centro da câmara. Para verificar que a amostra está alinhado girá-lo em 180 graus usando o software no computador de controle Beamline e observar visualmente a mudança de localização da amostra, visualizando as radiografias no computador. Controle muda para alinhamento no mesmo computador. A qualidade de imagem deteriora-se quando o alinhamento da amostra é fora o suficiente para que as regiões da amostra de abandonar o campo de visão durante a rotação da amostra.
5. definir manualmente amostra ao detector de distância para digitalização. A câmera está em um estágio de translação que pode mover horizontalmente que é usadopara alterar a amostra a distância do detector. Quando aumenta a distância a contribuição de contraste de fase também aumenta. efeitos de fase são úteis para mais facilmente imagem rachaduras sutis e arestas, mas também causar outros artefatos "efeito halo", que são muitas vezes indesejável.
6. Verifique o alinhamento beamline. Verifique a focagem da imagem e ajustar o motor de foco se necessário. Confirmar que o tamanho do pixel é a calibração correcta movendo a amostra uma quantidade definida e medindo o número de pixels a amostra foi transferida para calcular uM / pixel. O tamanho voxel vai mudar dependendo da configuração experimental.
   1. Verifique se que a imagem se move horizontalmente, a imagem apresenta faixa horizontalmente ao longo de um pixel constante, e se não, ajustar o motor da câmara de inclinação, para que eles fazem. Esta alinha o eixo de rotação de modo que é paralelo às colunas de pixels, que é o alinhamento assumido mais tarde pelos algoritmos de reconstrução.
7. Escolha um tempo de exposição de cada radiografia. O intervalo para o tempo de exposição é 1-1,500 ms ea seleção depende da energia de digitalização e resolução (que determina o fluxo observado por elemento de resolução). O tempo selecionado deve proporcionar um equilíbrio entre o mais rápido tempo de verificação e uma varredura com mais números e, portanto, a melhor relação sinal-ruído.
   1. Para o pacote de microeletrônica, use um tempo de varrimento amostra de 100 ms por exposição.
      Nota: Certifique-se de que não há pixels saturados ou, pelo menos, menos do que a meta recomendada de 100. O sistema de controle está definido para exibir contagens de câmera em uma escala convertido para que as contagens máximas de cada câmera é 65.535.
8. Configurar os parâmetros de digitalização usando o computador Aquisição de Dados.
   1. A entrada da gama angular desejada, e o número de imagens de recolher durante esse intervalo. Os mais ângulos selecionados quanto mais tempo os tempos de varredura e maior o tamanho do conjunto de dados. números comuns de ângulos são 513, 1.025 e 2.049 ao longo de um intervalo de 0-180 graus. Para este estudo, o uso1.025 ângulos mais de 180 graus durante a aquisição de dados.
   2. Selecione o modo de digitalização. As duas opções para o modo de digitalização são: 1) normal e 2) Tomografia contínua. O modo contínuo é preferida uma vez que resulta no menor tempo de varredura, ~ 3 min. Neste modo, a etapa de rotação move-se continuamente à medida que as imagens são recolhidas. No modo normal, a fase de rotação pára em cada ângulo e, em seguida, uma imagem é recolhida.
   3. Indique o número de imagens de campo claro e escuro. As imagens de campo claro e escuro são necessários para a realização de reconstrução. Para as imagens de campo escuro as persianas próximas e para o campo brilhante ou imagens de fundo as amostras se move para fora do campo de visão. Verificar que a amostra é traduzido longe o suficiente de modo que não está presente na imagem de campo brilhante, a fim de evitar grandes defeitos nas imagens reconstruídas. Aqui, adquirir 15 imagens de campo escuro e 15 imagens de campo claro.
   4. Determinar se a telha é necessário. Se a amostra for mais alto do que o campo of ver há uma opção de azulejos, que irá analisar a amostra, em seguida, traduzi-lo na vertical até que toda a amostra é capturado.
9. Executar verificação de corrida na aquisição de computadores de dados. A verificação será executada automaticamente com base nas configurações inseridos.

2. Passos para atuando tomográfica de Processamento de Dados

1. Transferência de dados para um computador de análise disponíveis na linha de luz para realizar a reconstrução e filtragem do conjunto de dados usando o protocolo de linha de luz. Reconstrução pode ser executado independente da aquisição de dados.
   Nota: Os dados são transferidos automaticamente para NERSC, um computador de alta performance, onde é processado e reconstruído. Os usuários podem se inscrever para uma conta no NERSC para acessar seus dados através do portal web SPOT Suite at spot.nersc.gov. Este portal ainda está em modo de desenvolvimento, de modo que muitos usuários preferem ter mais controle sobre os parâmetros de reconstrução, caso em que eles seguem os passos restantes.
2. Reconstruct as imagens brutas seguintes etapas: 1) normalizar imagens, 2) criar pilha de sinograms, 3) aplicam-se a remoção / filtros de anel, e 4) executar a reconstrução do feixe paralelo. A reconstrução baseia-se num algoritmo de projecção filtrado de volta. O processo de reconstrução resulta em imagens TIFF que contêm informações sobre a localização ea intensidade de cada pixel que compõem o volume da amostra. Um esquema de todo o processo é mostrado na Figura 2.
   1. Para acessar o plugin começar FIJI (que é um acrônimo para Fiji é apenas ImageJ) e selecione o menu Plugins → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming como mostrado abaixo. Um usuário na instalação de ALS pode realizar todo o processo de reconstrução usando um plugin personalizado para ImageJ / Fiji, que integra vários pacotes de software projetado para simplificar o processo de reconstrução.
      Nota: Fiji eo plug-in estão disponíveis para uso em vários computadores de análise Beamline 8.3.2.
   2. Uma vez que a caixa de diálogo está aberta FIJI, Como mostrado abaixo, selecione o arquivo bruto destinado para a reconstrução. A pilha de imagens cruas, brilhantes e escuras devem agora ser carregado.
   3. Encontrar o centro de rotação clicando em 'Detectar centro de rotação ", em seguida, para visualizar a imagem reconstruída selecione" reconstrução Preview'. O valor para o centro de rotação também pode ser inserido manualmente e visualizado.
   4. Usando esta interface existe a opção de alterar os parâmetros de remoção de anel, o tipo de imagem (8, 16, ou 32 bits), intervalo de pixels, ângulo de rotação de imagens, e definir a região recortada. Cada novo conjunto de parâmetros podem ser visualizados utilizando o botão "reconstrução Preview '.
   5. Uma vez que os parâmetros são selecionados, reconstruir toda a pilha de imagens, seleccionando 'run'. Todos os arquivos de dados subsequentes podem ser encontrados no "Diretório de saída 'especificado, o diretório padrão será em um arquivo de saída dentro da pasta de dados brutos.
3. Acesso a dados brutos de tomografia slatas de qualquer computador, indo para o site http://spot.nersc.gov/, que é o NERSC (LBNL supercomputador) servidor através do portal local.
   Nota: Cada pesquisador indivíduo deve ter o seu próprio NERSC conta para acessar os seus conjuntos de dados específicos. A configuração do usuário pode uma conta no https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. Na linha de luz, cada grupo de pesquisa é atribuída uma conta de linha de luz. Essa conta é usada para acessar computadores beamline, e também pode ser usado para acessar dados diretamente do servidor de linha de luz usando Globus Online.
4. Visualizar os dados em 3D e em 2D, carregando a pilha de imagens 2D reconstruído para qualquer software de análise 3D. As amostras e as imagens apresentadas aqui usar o software Avizo para realizar a análise e visualização, que está disponível para os utilizadores Beamline em qualquer um dos computadores de análise linha de luz 8.3.2.
5. Depois de um conjunto de dados é enviado para o software de visualização de realizar uma análise mais aprofundada dos dados para obter informação quantificada sobre fe específicaAtures dentro da amostra. Muitas vezes, os conjuntos de dados são amostragem reduzida, a fim de reduzir o tamanho dos dados de saída. No entanto, isto pode aumentar o tamanho do voxel reduzindo a fidelidade, mas suavizar a visualização da imagem para a segmentação mais fácil.
   1. Selecionar os recursos do segmento de interesse por limiarizar o histograma de uma pilha de 2D reconstruída fatias e atribuir um novo valor de pixel para pixels que caem dentro de um intervalo especificado.
   2. Visualize volumes segmentados e superfícies. Uma vez que os recursos são segmentados eles são vistos em 3D usando Avizo ou qualquer software de visualização preferido. Isto permite renderizações 3D de superfície de características específicas, como bolas de solda em uma determinada região de interesse.
   3. Quantificar características da amostra, ou seja, o tamanho de crack, vias, porosidade, defeitos, etc. Uma vez que uma característica de interesse é identificado, como uma via ou crack, o recurso pode ser segmentado e informações volumétrica da largura crack, comprimento, através de volume, distribuição da porosidade pode ser quantificada através da avaliação da Tomogrdados aphic definido.
   4. Criar um filme a amostra que apresentou a amostra em diferentes orientações. Filme 1 mostra exemplos dos diferentes cortes transversais e vistas de volume de renderização para o pacote de microeletrônica fotografada na orientação horizontal.

Resultados

As imagens captadas usando tomografia ocorrer devido à absorção diferencial de raios-x nas interligações de solda, vestígios metálicos, e outros materiais no pacote de microelectrónica como uma função dos diferentes comprimentos de atenuação e espessura destas multi-materiais. O pacote SIP consistiu de um silício morrer ligado a um substrato de cerâmica com o primeiro nível de interconexão (ILF) flip chip bolas C4 de solda de cerca de 80 um de diâmetro; de nível médio de interconexão (MLI) bolas de s...

Discussão

Todos os passos descritos na secção protocolo são essenciais para a obtenção de imagens de alta resolução de amostras de multi-escala e multi-materiais. Um dos passos mais importantes é a montagem da amostra e a concentração dos ótica, que são vitais para a obtenção de imagens de qualidade que podem ser usados ​​para a quantificação. Especificamente, mesmo ligeiro movimento da amostra poderia causar artefatos na imagem reconstruída e falta de foco poderia causar deterioração da resolução. Para e...

Materiais

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