L'utilizzo delle radiazioni al sincrotrone microtomografia a indagare multi-scala Pacchetti microelettronici tridimensionali

Riepilogo

Per questo studio radiazione di sincrotrone micro-tomografia, una tecnica di imaging non distruttiva tridimensionale, è impiegato per esaminare un intero pacchetto microelettronica con una sezione trasversale di 16 x 16 mm. A causa della forte flusso e la luminosità del sincrotrone il campione è stato ripreso in soli 3 minuti con una risoluzione spaziale 8.7 micron.

Abstract

La radiazione di sincrotrone micro-tomografia (SRμT) è una tecnica (3D) per immagini non distruttivo tridimensionale che offre un elevato flusso di tempi veloci di acquisizione dati ad alta risoluzione spaziale. Nell'industria elettronica è serio interesse ad effettuare analisi guasti su pacchetti microelettronici 3D, che contengono molti più livelli di interconnessioni ad alta densità. Spesso in tomografia c'è un compromesso tra la risoluzione dell'immagine e il volume di un campione che può essere ripreso. Questa relazione inversa limita l'utilità dei sistemi convenzionali tomografia computerizzata (CT) dal pacchetto microelettronico è spesso di grandi dimensioni in sezione trasversale 100-3,600 mm ^2, ma ha caratteristiche importanti sulla scala micron. La linea di luce di micro-tomografia alla sorgente avanzata Luce (SLA), a Berkeley, CA Stati Uniti d'America, ha una configurazione che è adattabile e può essere adattata per le proprietà di un campione, vale a dire, la densità, spessore, ecc, con un massimo permettonogrado sezione di 36 x 36 mm. Questa configurazione ha anche la possibilità di essere sia monocromatica nell'intervallo di energia ~ 7-43 keV o operare con flusso massimo in modalità luce bianca utilizzando un fascio policromatico. Qui presentati sono dettagli dei passaggi sperimentali adottate per l'immagine di un intero sistema 16 x 16 mm all'interno di un pacchetto, in modo da ottenere immagini 3D del sistema con una risoluzione spaziale di 8,7 micron tutti entro un tempo di scansione inferiore a 3 min. Anche indicati sono i risultati di pacchetti scansionati in diversi orientamenti e un pacchetto sezionato per l'imaging ad alta risoluzione. In contrasto con un sistema TC convenzionale vorrebbero ore per registrare i dati con una risoluzione potenzialmente più poveri. Infatti, il rapporto di campo di vista di tempo di attraversamento è molto più elevata quando si utilizza la configurazione di radiazione di sincrotrone tomografia. La descrizione seguente del setup sperimentale può essere implementato e adattato per l'uso con molti altri multi-materiali.

Introduzione

Nel campo della microelettronica, come in molti altri campi, valutazione non distruttiva a scala micrometrica è necessario quando caratterizzare campioni. In particolare per l'industria microelettronica vi è interesse a sondare pacchetti microelettronica 3D, contenente multi-livello e multi-materiali, e di individuare i guasti nei pacchetti durante termico, elettrico, meccanico e sottolineando di componenti. In tutto il mondo sincrotrone strutture radiazioni hanno designato tomografia e diffrazione linee di luce che vengono utilizzati per l'analisi guasti di pacchetti microelettronici. Alcuni esempi di questo sono Imaging formazione di vuoti causati da elettromigrazione ^1-3, valutando i meccanismi per la crescita ^{di 4,5} latta baffo, osservazioni in situ di sottoraffreddamento e anisotropico dilatazione termica di stagno e composti intermetallici (IMC) ^6,7, in osservazione in situ di solidificazione e formazione IMC ^8-10, anisotropo comportamento meccanico ericristallizzazione di stagno e piombo saldature liberi ^10, vuoti a urti flip chip e osservazioni in situ di Ag-NanoInk sinterizzazione ^11. Tutti questi studi hanno ulteriormente migliorato la comprensione e sviluppo di componenti nell'industria microelettronica. Tuttavia, molti di questi studi si sono concentrati su piccole regioni all'interno del pacchetto. Maggiori informazioni possono essere raccolte da testare e caratterizzare il pacchetto full size con alta risoluzione SRμT al fine di favorire il loro sviluppo.

I pacchetti elettronici in produzione ora contengono più strati di interconnessioni. Questi pacchetti e dispositivi stanno crescendo sempre più complesso, che richiede una soluzione 3D per la valutazione non distruttiva per quanto riguarda analisi dei guasti, controllo della qualità, la valutazione del rischio di affidabilità, e lo sviluppo. Alcuni difetti richiedono una tecnica in grado di rilevare le caratteristiche meno di 5 micron di dimensioni, che include vuoti e fessure che formano all'interno del rame suvias bstrate, individuando senza contatto piazzole di saldatura aperta e nonwet nella confezione multilivello ^12, localizzare e quantificare i vuoti in matrici ball grid (BGA) e giunti di saldatura C4. Durante il processo di assemblaggio del substrato di questi tipi di difetti devono essere identificati e monitorati ampiamente per evitare errori indesiderati.

sistemi attualmente CT utilizzando fonti di laboratorio basata, noto anche come tavolo, sono in grado di fornire alto come ~ 1 micron risoluzione spaziale, e vengono utilizzati per isolare guasti in pacchetti multilivello con risultati promettenti. Tuttavia, i sistemi da tavolo CT hanno alcune limitazioni rispetto alle configurazioni SRμT ^13,14. sistemi da tavolo sono limitati a l'imaging solo una certa gamma di densità di materiali dal momento che di solito contengono solo spettri di origine di uno o due x-ray. Anche in-put-time (TPT) rimane a lungo per i sistemi da tavolo CT convenzionali che richiedono diverse ore di tempo di acquisizione dati per 1-2 mm ² regione d'interesse, che can limitare la sua utilità; per esempio, l'analisi fallimenti attraverso il silicio Vias (TSV), BGA o alle articolazioni C4 spesso richiedono l'acquisizione di Campo multiplo di Vista (FOV) o regioni di interesse ad alta risoluzione all'interno del campione, con conseguente TPT totale di 8-12 ore, che è un tappo di spettacolo per i sistemi CT tavolo convenzionali quando più campioni devono essere analizzati. La radiazione di sincrotrone fornisce flusso molto più elevato e la luminosità rispetto alle fonti convenzionali di raggi X, con conseguente tempi di acquisizione dei dati molto più veloce per una data regione di interesse. Anche se SRμT non consentire una maggiore flessibilità rispetto ai tipi di materiali che possono essere esposte e volume del campione, esso ha dei limiti, che sono specifici per la sorgente di sincrotrone e la configurazione utilizzata, lo spessore specifico massimo accettabile e dimensione del campione. Per la configurazione SRμT al ALS l'area di sezione trasversale massima che può essere ripreso è <36 x 36 mm e lo spessore è limitato dal campo energetico e flusso disponibile ed è s materialipecifici.

Questo studio è utilizzato per dimostrare come SRμT può essere utilizzato per l'immagine di un intero sistema a più livelli in pacchetto (SIP) con alta risoluzione e basso TPT (3-20 min) per l'uso in ispezione pacchetti semiconduttori 3D. Maggiori dettagli su confrontando tavolo TA per Synchrotron Fonte TA possono essere trovati nei riferimenti ^13,14.

Sperimentale Panoramica e Beamline 8.3.2 Descrizione:
Ci sono strutture di sincrotrone disponibili per gli esperimenti di tomografia di tutto il mondo; la maggior parte di queste strutture richiedono la presentazione di una proposta dove sperimentatore descrive l'esperimento, così come il suo impatto scientifico. Gli esperimenti descritti qui sono stati tutti eseguiti alla SLA presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) alla linea di luce 8.3.2. Per questa linea di luce ci sono due opzioni della modalità di energia: 1) monocromatica nell'intervallo di energia ~ 7-43 keV o 2) policromatica luce "bianca", dove l'intero dispospettro di energia ble è utilizzato per la scansione di materiali ad alta densità. Durante una scansione tipica a linea di luce 8.3.2 un campione è montato su una fase di rotazione in cui i raggi X penetrano campione, allora i raggi X attenuati sono convertiti in luce visibile attraverso uno scintillatore, amplificati da una lente, e quindi proiettate su un CCD per la registrazione. Ciò avviene mentre il campione ruota da 0 a 180 ° produrre una pila di immagini che viene ricostruita per ottenere una vista 3D del campione con risoluzione micrometrica. La dimensione di dati tomografico risultante varia da ~ 3-20 Gb seconda dei parametri di scansione. La Figura 1 mostra uno schema del hutch cui viene analizzato il campione.

Il seguente protocollo presentato qui descrive la configurazione sperimentale, l'acquisizione dei dati, e fasi di lavorazione necessarie per l'imaging un intero pacchetto microelettronica, ma i passi può essere modificato per un'immagine varietà di campioni. Le modifiche dipendono dalla dimensione del campione,la densità, le geometrie, e le caratteristiche di interesse. Le tabelle 1 e 2 presentano le combinazioni di taglia di decisione del campione disponibili a linea di luce 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Per il pacchetto microelettronica indagato qui il campione è stato ripreso con un fascio policromatico ( "bianco"), che è stato scelto a causa dello spessore e alta densità dei componenti del campione. Il campione è stato montato in posizione orizzontale su un mandrino di montaggio, questo orientamento consentito per l'intero campione per adattarla all'altezza del fascio, che è parallela con un'altezza di ~ 4 mm e larghezza di ~ 40 mm, richiedono pertanto un solo eseguire la scansione di catturare l'intero campione.

Protocollo

Nota: i dettagli protocollo descritto qui di seguito sono stati scritti appositamente per il lavoro a linea di luce 8.3.2 alla SLA, Berkeley, CA. Gli adattamenti possono essere richiesti per i lavori in altri impianti di sincrotrone, che possono essere trovati in tutto il mondo. di sicurezza appropriate e la formazione di radiazione è necessaria per l'esecuzione di esperimenti in queste strutture e le linee guida per la formazione si possono trovare sul sito web di ogni impianto di sincrotrone individuo. Eventuali modifiche o aggiornamenti del protocollo tomografia (ALS, LBNL, Berkeley, CA) possono essere trovati sul manuale linea di luce ^15. Dettagli sul processo tomografia possono essere trovati in riferimento ^16. Gli scienziati linea di luce sono a disposizione per rispondere a qualsiasi domanda e faciliteranno l'apparato sperimentale.

1. Procedura per l'esecuzione tomografia a Beamline 8.3.2 (ALS, LBNL)

1. Preparare il campione per la scansione montando su un portacampioni progettato per adattarsi in fase di rotazione della linea di luce. Per i campioni che non hanno un Custom montare, aderire il campione di un post o Mandrino con argilla o cera.
   Nota: Il campione sottoposto a scansione in questo studio è stato un pacchetto di microelettronica che è di 16 x 16 mm e solo ~ 3 mm di altezza. Per montare l'intero pacchetto nel campo di vista del campione è stato montato orizzontalmente usando argilla fornito alla linea di luce.
   1. Allineare il campione per assicurarsi che quando ruota di 180 gradi rimane all'interno del campo di vista. Prima di caricare il campione sulla fase di rotazione all'interno della gabbia vi è una fase di rotazione finto linea che viene utilizzato per allineare il campione. Esame visivo del centro di rotazione è solitamente sufficiente per l'allineamento.
   2. Montare il campione collegato al supporto del campione all'interno della gabbia. Una volta che il campione è stato montato nella gabbia, due motori centraggio ortogonali consentono un posizionamento del campione rispetto al centro di rotazione.
      Nota: A volte la preparazione del campione è necessaria prima del tempo esperimento al fine di assicurarsi che il campionela dimensione è corretta per la risoluzione desiderata. Per esempio, alcuni dei pacchetti microelettronici 16 x 16 mm sono stati sezionati in pezzi più piccoli per un'ulteriore scansione ad alta risoluzione. La dimensione del campione può essere determinata utilizzando le tabelle 1 e 2.
2. Selezionare l'ingrandimento per la scansione in base alla dimensione del campione e la caratteristica dimensione di interesse. Linea di luce 8.3.2 ha diversi obiettivi tra cui scegliere che producono immagini con una gamma di dimensioni dei pixel 0,35-9 micron. A seconda l'ingrandimento, il campione deve essere di sezione trasversale del caso, il campo di vista diminuisce all'aumentare ingrandimento.
   1. Poiché il campione digitalizzato ecco 22,6 mm nella direzione più lunga, selezionare la lente 1X con il PCO.4,000, come mostrato nelle Tabelle 1 e 2, questa combinazione dà il più ampio campo di vista del campione. La dimensione dei pixel risultante è 8.7 micron.
3. Impostare l'energia x-ray o passare a un polychfascio romantica utilizzando la linea di luce di controllo del computer. L'intervallo di energia dei raggi X a linea di luce 8.3.2 è continua 4-80 keV, ma il monocromatore multistrato montato limita il campo di energia di ~ 7-43 keV, mentre il flusso di picco si verifica in ~ 12 keV. Per ottenere la migliore qualità di immagine, basare la selezione di energia sul targeting una trasmissione ~ 30%, che può essere misurata sulla Acquisizione Dati computer. In generale, aumenta% di trasmissione con l'aumento di energia.
   1. Per il pacchetto microelettronica, "seleziona bianca" luce a causa dello spessore e del materiale della confezione.
      Nota: Il manuale linea di luce 8.3.2 ha dettagliato passi per cambiare tra "bianco" in modalità monocromatica e luce.
   2. Quando si utilizza "bianco" il modo chiaro, aggiungere 2-4 filtri in alluminio in metallo e rame in linea con il fascio di raggi X in modo da filtrare i raggi-x più bassa energia. Per questo esempio, utilizzare 2 fogli di rame con uno spessore totale di ~ 1,2 mm.
   3. Calcolare la trasmissione attraverso il davanti campione di time utilizzando:
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html o http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ o http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .php. Ad esempio, inserendo la formula chimica e spessore stimato per l'output di esempio volontà un grafico che mostra la trasmissione percentuale come funzione di intervallo di energia.
4. Verificare che il centro del palcoscenico di rotazione è allineato con il centro della fotocamera. Per controllare che il campione sia allineata ruotarlo di 180 gradi utilizzando software sul Beamline controllo del computer e osservare visivamente il cambiamento di posizione del campione visualizzando le radiografie sul computer. Controllo cambia all'allineamento sullo stesso computer. La qualità dell'immagine si deteriora quando l'allineamento del campione è spento sufficiente in modo che le regioni del campione lasciano il campo visivo durante la rotazione del campione.
5. Impostare manualmente campione al rivelatore a distanza per la scansione. La telecamera è su un palco traslazionale che può muoversi orizzontalmente che viene utilizzatoper cambiare il campione della distanza rivelatore. Quando la distanza aumenta il contributo contrasto di fase aumenta anche. effetti di fase sono utili per più facilmente di immagine sottili fessure e spigoli, ma anche causare altri artefatti "effetto alone" che sono spesso indesiderabili.
6. Verificare l'allineamento linea di luce. Controllare la messa a fuoco dell'immagine e regolare il motore di messa a fuoco, se necessario. Verificare che la taratura dimensione dei pixel è corretto spostando il campione una quantità definita e misurando il numero di pixel campione spostato per calcolare micron / pixel. La dimensione voxel cambierà a seconda del setup sperimentale.
   1. Verificare che l'immagine si muove orizzontalmente, immagine presenta traccia orizzontalmente lungo un pixel costante, e se non, regolare il motore fotocamera inclinazione in modo che lo fanno. Ciò allinea l'asse di rotazione in modo che sia parallela alle colonne di pixel, che è l'allineamento assunto successivamente dagli algoritmi di ricostruzione.
7. Selezionare un tempo di esposizione per ogni radiografia. L'intervallo del tempo di esposizione è 1-1,500 msec e la scelta dipende dall'energia di scansione e risoluzione (che determina il flusso osservato per elemento risoluzione). Il tempo selezionato dovrebbe fornire un compromesso tra il più rapido tempo di scansione e una scansione con più conteggi e quindi il miglior rapporto segnale-rumore.
   1. Per il pacchetto microelettronica, utilizzare un tempo di scansione campione di 100 msec per l'esposizione.
      Nota: assicurarsi che non ci siano pixel saturi o almeno meno rispetto al target raccomandato di 100. Il sistema di controllo è impostato per visualizzare i conteggi della fotocamera su una scala convertito in modo che conta al massimo di ogni fotocamera è 65.535.
8. Impostare i parametri di scansione utilizzando il Data Acquisition computer.
   1. Input range angolare desiderata, e il numero di immagini per raccogliere su tale intervallo. Gli angoli più selezionato il più i tempi di scansione e maggiore è la dimensione del set di dati. numeri comuni di angoli sono 513, 1.025, 2.049 e in un intervallo 0-180 gradi. Per questo studio, l'uso1.025 angoli oltre 180 gradi durante l'acquisizione dei dati.
   2. Selezionare la modalità di scansione. Le due opzioni per la modalità di scansione sono: 1) normale e 2) la tomografia continuo. La modalità continua è preferita in quanto si traduce in minor tempo di scansione, ~ 3 min. In questo modo, la fase di rotazione si sposta continuamente come immagini sono raccolti. In modalità normale, la fase di rotazione si ferma ad ogni angolo e poi l'immagine viene raccolto.
   3. Inserisci il numero di immagini in campo chiaro e scuro. Le immagini di campo chiare e scure sono necessari per l'esecuzione di ricostruzione. Per le immagini campo oscuro le persiane stretti e per il campo chiaro o immagini di sfondo campioni muove fuori del campo di vista. Verificare che il campione è tradotto sino a che non è presente il campo immagine luminosa in per evitare grandi difetti nelle immagini ricostruite. Qui, acquisire 15 immagini campo scure e 15 immagini in campo chiaro.
   4. Determinare se piastrelle è necessario. Se il campione è più alto del campo oF Mostra c'è un'opzione piastrelle, che esplorerà il campione poi tradurlo in verticale fino a quando l'intero campione viene catturato.
9. Esegui scansione corsa sul Acquisizione Dati computer. La scansione verrà eseguita automaticamente in base alle impostazioni immesse.

2. Procedura per l'esecuzione tomografica Data Processing

1. Il trasferimento dei dati a un computer di analisi disponibili presso la linea di luce per eseguire la ricostruzione e il filtraggio del set di dati utilizzando il protocollo linea di luce. La ricostruzione può eseguire indipendentemente l'acquisizione dei dati.
   Nota: i dati vengono trasferiti automaticamente NERSC, un computer ad alte prestazioni, dove viene trasformato e ricostruito. Gli utenti possono registrarsi per un account su NERSC di accedere ai propri dati attraverso il portale web SPOT Suite a spot.nersc.gov. Questo portale è ancora in modalità di sviluppo, così molti utenti preferiscono avere un maggiore controllo sui parametri di ricostruzione, nel qual caso seguono i passaggi rimanenti.
2. Ricostituzioneruct le immagini raw seguendo questi passaggi: 1) normalizzare le immagini, 2) creare pila di sinograms, 3) si applicano rimozione anello / filtri, e 4) di eseguire la ricostruzione fascio parallelo. La ricostruzione si basa su un algoritmo di retroproiezione filtrata. Il processo di ricostruzione in immagini TIFF che contengono informazioni sulla posizione e l'intensità di ogni pixel che compongono il volume del campione. Uno schema di tutto il processo è mostrato nella Figura 2.
   1. Per accedere al plugin di iniziare FIJI (che è l'acronimo di Fiji è solo ImageJ) e selezionare il menu Plugin → → ALSmicroCT NormalizeStack832newnaming come illustrato di seguito. Un utente presso l'impianto di SLA in grado di eseguire l'intero processo di ricostruzione utilizzando un plugin personalizzato per ImageJ / Fiji, che integra diversi pacchetti software progettati per semplificare il processo di ricostruzione.
      Nota: Fiji e il plugin sono disponibili per l'uso su più Beamline 8.3.2 computer di analisi.
   2. Una volta che la finestra di dialogo è aperta FIJI, Come illustrato di seguito, selezionare il file greggio destinato per la ricostruzione. La pila di immagini raw, luminose e scure dovrebbe ora essere caricato.
   3. Trovare il centro di rotazione facendo clic su 'Rileva centro di rotazione', quindi per visualizzare l'immagine ricostruita selezionare 'ricostruzione Preview'. Il valore per il centro di rotazione può anche essere immesso manualmente e in anteprima.
   4. Utilizzando questa interfaccia vi è la possibilità di modificare i parametri di rimozione dell'anello, il tipo di immagine (8, 16, o 32 bit), gamma di pixel, angolo di rotazione delle immagini, e definire regione ritagliata. Ogni nuovo set di parametri possono essere visualizzati utilizzando il pulsante 'Anteprima ricostruzione'.
   5. Una volta che i parametri sono selezionati, ricostruire l'intero stack di immagini selezionando 'run'. Tutti i file di dati successivi possono essere trovati nella 'directory di output' specificata, la directory di default sarà in un file di output all'interno della cartella di dati grezzi.
3. Accesso ai dati grezzi da tomografia slattine da qualsiasi computer andando sul sito http://spot.nersc.gov/, che è il NERSC (LBNL supercomputer) del server attraverso il portale SPOT.
   Nota: Ogni singolo ricercatore deve avere il proprio conto NERSC di accedere ai propri set di dati specifici. Una configurazione utente può un account su https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. Alla linea di luce, ciascun gruppo di ricerca viene assegnato un account linea di luce. Questo account viene utilizzato per accedere ai computer linea di luce, e può anche essere utilizzato per accedere ai dati direttamente dal server linea di luce usando Globus online.
4. Visualizzare i dati sia in 3D e 2D caricando la pila di 2D immagini ricostruite in qualsiasi software di analisi 3D. I campioni e le immagini qui presentate utilizzano il software Avizo per eseguire l'analisi e la visualizzazione, che è disponibile per gli utenti in linea di luce uno dei computer di analisi linea di luce 8.3.2.
5. Dopo un set di dati viene caricato nel software di visualizzazione eseguire ulteriori analisi dei dati per ottenere informazioni quantitative su specifici feAtures all'interno del campione. Spesso set di dati vengono ridotte in modo da ridurre la dimensione dei dati di uscita. Tuttavia, questo può aumentare le dimensioni voxel riducendo la fedeltà, ma liscia la visualizzazione dell'immagine per facilitare la segmentazione.
   1. Selezionare le caratteristiche dei segmenti di interesse dal thresholding l'istogramma della pila di 2D ricostruito fette e l'assegnazione di un nuovo valore di pixel per pixel che rientrano in un intervallo specificato.
   2. Visualizza volumi e superfici segmentati. Una volta che le caratteristiche sono segmentati sono visualizzate in 3D utilizzando Avizo o qualsiasi software di visualizzazione preferito. Questo permette di rendering 3D di superficie di caratteristiche specifiche, come sfere di saldatura ad una certa regione di interesse.
   3. Quantificare caratteristiche del campione, cioè, dimensioni crack, vias, porosità, difetti, ecc Una volta una caratteristica di interesse è identificato, come una via o crack, la funzione può essere segmentato e informazioni volumetrico larghezza delle fessure, lunghezza, tramite il volume, distribuzione della porosità può essere quantificato valutando il Tomogrimpostare i dati aphic.
   4. Creare un film del campione non il campione in diversi orientamenti. Film 1 mostra esempi dei diversi punti di vista trasversali e viste rendering volumetrico per il pacchetto microelettronica ripreso con l'orientamento orizzontale.

Risultati

Le immagini acquisite tramite tomografia verificano a causa dell'assorbimento differenziale delle radiografie nelle interconnessioni saldatura, tracce metalliche e altri materiali nel pacchetto microelettronica in funzione delle diverse lunghezze di attenuazione e lo spessore di questi multi-materiali. Il pacchetto SIP consisteva in una di silicio morire attaccato ad un substrato ceramico con primo livello di interconnessione (FLI) flip chip palle C4 di saldatura di circa 80 micron di diametro; la metà del livello ...

Discussione

Tutte le fasi descritte nella sezione del protocollo sono fondamentali per ottenere immagini ad alta risoluzione di campioni multi-scala e multi-materiale. Una delle fasi più critiche è il montaggio del campione e la focalizzazione di ottica, che sono essenziali per ottenere immagini di qualità che possono essere utilizzati per la quantificazione. In particolare, anche leggero movimento del campione causerebbe artefatti nell'immagine ricostruita e sfocatura causerebbe deterioramento della risoluzione. Per evitare...

Materiali

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