С использованием синхротронного излучения микротомография Расследования многомасштабном Трехмерные Микроэлектронные пакеты

Резюме

Для этого исследования синхротронного излучения микро-томографии, неразрушающий трехмерной метод визуализации, используется для исследования весь микроэлектронной пакет с площадью поперечного сечения 16 х 16 мм. Из-за большого потока синхротронное и яркости образца было получено всего 3 мин с пространственным разрешением 8,7 мкм.

Аннотация

Синхротронное излучение микро-томография (SRμT) является неразрушающим трехмерная техника (3D) визуализации, которая предлагает высокий поток для быстрого времени сбора данных с высоким пространственным разрешением. В электронной промышленности существует серьезный интерес при проведении анализа отказов на 3D-пакетов, многие микроэлектронные, которые содержат несколько уровней межсоединений высокой плотности. Часто в томографии существует компромисс между разрешением изображения и объема образца, который может быть изображаемого. Эта обратная связь ограничивает полезность традиционной компьютерной томографии (КТ) системы так как микроэлектронные пакет часто большой в площади поперечного 100-3,600 мм ² сечения, но имеет важные особенности по шкале микрона. Микро-томография пучкового на дополнительный источник света (ALS), в Беркли, Калифорния , США, имеет установку , которая является гибкой и может быть адаптирована к свойствам образца, то есть, плотности, толщины и т.д., с максимумом позволяютв состоянии сечение 36 х 36 мм. Эта установка также имеет возможность быть либо монохромные в диапазоне энергий ~ 7-43 кэВ или работают с максимальным потоком в режиме белого света с использованием полихроматического луча. На графике представлены детали эксперимента шагах по изображению целую систему 16 х 16 мм, в упаковке, с тем чтобы получить 3D изображения системы с пространственным разрешением 8,7 мкм все в пределах времени сканирования менее чем на 3 мин. Также показаны результаты пакетов сканированных в различных ориентациях и секционного пакета для более высокого разрешения изображений. В отличие от обычной системы КТ может занять несколько часов, чтобы записать данные с потенциально худшим разрешением. Действительно, отношение поля зрения из- к пропускной способности времени намного выше, при использовании установки синхротронного излучения томографа. Ниже приведено описание экспериментальной установки могут быть реализованы и адаптированы для использования со многими другими мульти-материалов.

Введение

В области микроэлектроники, как и во многих других областях, неразрушающий оценка в масштабе микрометра необходимо при характеристике образцов. Специально для микроэлектронной промышленности есть интерес к зондировании 3D пакеты микроэлектроника, содержащие мульти-уровней и мульти-материалов, а также выявления сбоев в пакетах во время тепловых, электрических и механических компонентов подчеркивание. По всему миру синхротронное излучение объектов обозначили томографию и дифракционные beamlines, которые используются для анализа отказов микроэлектронных пакетов. Некоторые примеры этого визуализации образование пустот , вызванных электромиграции ^1-3, оценки механизмов роста ^4,5 олова усов, в точке наблюдений переохлаждением и анизотропной теплового расширения олова и интерметаллидов (IMCS) ^6,7, наблюдения на месте их залегания в затвердевание и IMC образование ^8-10, анизотропная механическое поведение ирекристаллизации олова и свинца припои ^10, пустоты в флип - чип ударов, а также на места наблюдений Ag-nanoink спекания ¹¹ в. Все эти исследования еще более продвинули понимание и развитие компонентов в микроэлектронной промышленности. Тем не менее, многие из этих исследований были сосредоточены на малых областях в пакете. Более подробную информацию можно почерпнуть из тестирования и характеризации пакет полный размер с использованием высокого разрешения SRμT с целью дальнейшего их развития.

Электронные пакеты производятся в настоящее время содержат несколько слоев межсоединений. Эти пакеты и устройства становятся все более и более сложными, которая требует 3D-решения для неразрушающего контроля в отношении анализа отказов, контроля качества, оценки рисков надежности и развития. Некоторые дефекты требуют техники, которая может обнаружить признаки менее 5 мкм, которые включают в себя пустоты и трещины, образующие внутри меди суbstrate ВЬЯС, идентифицирующие бесконтактные открытым и nonwet ламели в многоуровневом упаковке ^12, обнаружения и количественной оценки пустот в шаровой сетки массивов (BGAs) и C4 паяных соединений. В процессе сборки подложки эти типы дефектов, должны быть идентифицированы и мониторинг широко, чтобы избежать нежелательных сбоев.

В настоящее время КТ систем с использованием лабораторных на основе источников, также известный как столешницу, способны обеспечить достигать ~ пространственным разрешением 1 мкм, и используются для изоляции сбоев в многоуровневые пакеты с многообещающими результатами. Тем не менее, настольный КТ системы имеют некоторые ограничения по сравнению с установками SRμT ^13,14. Системы штабные ограничиваются только визуализации определенный диапазон плотности материалов, так как они, как правило, содержат только исходные спектры одного или двух рентгеновских лучей. Также через-Пут-времени (ТРТ) остается много времени для обычных систем КТ столешница , когда требуется несколько часов времени сбора данных на 1-2 мм ² области , представляющей интерес, который сап ограничивают его полезность; например, анализируя неудачи через Silicon Vias (TSV), BGAs или С4 суставов часто требуют, приобретающих Разноплановость просмотров (FOV) или регионах, представляющих интерес с высоким разрешением в образце, в результате чего в общей сложности TPT 8-12 часов, что показать пробкой для обычных систем КТ столешницей, когда несколько образцов должны быть проанализированы. Синхротронное излучение обеспечивает гораздо более высокий поток и яркость, чем обычные источники рентгеновского излучения, в результате чего значительно более быстрое время сбора данных для данной области, представляющей интерес. Хотя SRμT действительно позволяет более гибко по отношению к типам материалов, которые могут быть изображаемых и объему образца, у него есть ограничения, которые являются специфическими для источника синхротронного и установки, используемой, в частности, максимально допустимой толщины и размера выборки. Для установки SRμT в АЛС максимальная площадь поперечного сечения, которые могут быть отображены в <36 х 36 мм, а толщина ограничена диапазоном энергии и потока доступным и материал specific.

Это исследование используется для демонстрации того, как SRμT могут быть использованы для изображения всей системы многоуровневого в пакете (SIP) с высоким разрешением и низким ТРТ (3-20 мин) для использования в 3D проверки полупроводниковых пакетов. Более подробная информация о сравнении столешница трансформаторов тока для источника синхротронного трансформаторов тока можно найти в ссылках ^13,14.

Экспериментальный Обзор и пучкового 8.3.2 Описание:
Есть синхротронного объектов, доступных для томографических экспериментов по всему миру; большинство из этих объектов требует представления предложения, где экспериментатор описывает эксперимент, а также его научное влияние. Эксперименты, описанные здесь, были выполнены на СЛА в Национальной лаборатории Лоренса Беркли (LBNL) на пучкового 8.3.2. Для этого пучкового есть два варианта режима энергосбережения: 1) монохромные в диапазоне энергий ~ 7-43 кэВ или 2) полихроматическая "белого" света, где весь availaBLE энергетический спектр используется при сканировании материалов с высокой плотностью. Во время обычной проверки на пучкового 8.3.2 образец монтируют на стадии вращения, где рентгеновские лучи проникают через образец, а затем ослабленные рентгеновские лучи преобразуются в видимый свет с помощью сцинтиллятора, увеличенный линзой, а затем проецируется на CCD для записи. Это делается в то время как образец вращается от 0 до 180 ° производя стопку изображений , которые реконструируется , чтобы получить 3D вид образца с разрешением микрометра. Полученный в результате томографической размер набора данных находится в диапазоне от ~ 3-20 Гб в зависимости от параметров сканирования. На рисунке 1 показана схема клетку , где сканируют образец.

Следующий протокол, представленный здесь описывает экспериментальную установку, сбор данных и этапы обработки, которое требуется для получения изображения весь микроэлектронной пакет, но шаги могут быть модифицированы для отображения ряда образцов. Изменения зависят от размера выборки,плотность, геометрические формы, а также особенности интерес. В таблицах 1 и 2 представлены комбинации размера и разрешения образца можно получить в пучкового 8.3.2 (ALS, LBNL, Беркли, Калифорния). Для микроэлектронной пакета исследуемого здесь образец визуализируют с помощью полихроматического ( "белые") луч, который был выбран из-за толщины и высокой плотности компонентов образца. Образец был установлен в горизонтальной ориентации на патроне гору, эту ориентацию, разрешенный для всей выборки, чтобы соответствовать в пределах высоты балки, которая параллельно с высотой ~ 4 мм и шириной ~ 40 мм, поэтому требующих только один сканирования, чтобы захватить весь образец.

протокол

Примечание: детали протокола, описанные ниже, были написаны специально для работы на пучкового 8.3.2 на АЛС, Беркли, штат Калифорния Адаптации могут потребоваться для работы на других объектах синхротронного, которые можно найти по всему миру. Соответствующая безопасность и радиационная подготовка необходима для проведения экспериментов на этих объектах и ​​руководящих принципов для подготовки можно найти на веб-сайте каждого отдельного синхротронного объекта. Любые изменения или обновления протокола томографии (ALS, LBNL, Беркли, Калифорния) можно найти на пучкового руководстве ^15. Более подробная информация о процессе томографии можно найти в справочном ^16. Ученые пучкового готовы ответить на любые вопросы и упростит экспериментальную установку.

1. Шаги исполнительских томографию на пучкового 8.3.2 (ALS, LBNL)

1. Подготовьте образец для сканирования путем установки его на держателе образца сконструировано для вращательного этапа пучкового в. Для образцов, которые не имеют коркаом крепление, придерживаться образца к столбу или сверлильный патрон с глиной или воском.
   Примечание: Образец сканируется в данном исследовании был микроэлектронной пакет, который составляет 16 х 16 мм и только ~ 3 мм в высоту. Для того, чтобы соответствовать весь пакет в поле зрения Образец был установлен в горизонтальном направлении с помощью глины, предусмотренную на пучкового.
   1. Выравнивание образца, чтобы гарантировать, что, когда он поворачивается на 180 градусов он остается в пределах поля зрения. Перед загрузкой образца на стадии вращения внутри клетка есть отсутствует фиктивный этап вращения, который используется для выравнивания образца. Визуальный осмотр центра вращения, как правило, достаточно для выравнивания.
   2. Установить образец, прикрепленный к держателю образца внутри клетка. После того, как образец был смонтирован в клетку, два ортогональных центрирующие двигатели позволяют позиционирование образца по отношению к центру вращения.
      Примечание: Иногда подготовка проб необходимо заранее эксперимента с целью, чтобы убедиться, образецразмер правильно для требуемого разрешения. Например, некоторые из пакетов микроэлектронных размером 16 х 16 мм, рассекают на небольшие куски для дальнейшего сканирования с высоким разрешением. Размер выборки может быть определена с использованием таблицы 1 и 2.
2. Выберите масштаб для сканирования на основе размера выборки и размера художественного интереса. Пучкового 8.3.2 имеет несколько линз, чтобы выбрать из которых производят изображения с диапазоном размеров пикселя от 0,35 - 9 мкм. В зависимости от увеличения, образец должен быть соответствующей площади поперечного сечения, поскольку поле зрения уменьшается с увеличением увеличения.
   1. Так как образец сканируется здесь 22,6 мм в самом длинном направлении, выберите 1X объектив с PCO.4,000, как показано в таблицах 1 и 2, эта комбинация дает наибольший образец поле зрения. Полученный размер пикселя составляет 8,7 мкм.
3. Установите энергию рентгеновского или переключиться на polychпучок с помощью романтические на пучкового управляющего компьютера. Рентгеновского диапазона энергии в пучкового 8.3.2 непрерывен из 4-80 кэВ, но многослойная монохроматора установлены ограничивает диапазон энергий до ~ 7-43 кэВ, в то время как пик потока происходит при ~ 12 кэВ. Для того, чтобы получить лучшее качество изображения, обосновывать выбор энергии на ориентации передач ~ 30%, что может быть измерено на данных о приобретении компьютера. В целом,% Transmission возрастает с увеличением энергии.
   1. Для микроэлектронной пакета "выберите белый свет" из-за толщины и материала упаковки.
      Примечание: пучкового 8.3.2 руководство подробные шаги для переключения между "белым" светом и монохроматическом режиме.
   2. При использовании «белого» света режим, добавьте 2-4 металла алюминиевых и медных фильтров в соответствии с рентгеновского луча для того, чтобы отфильтровать более низкую энергию рентгеновских лучей. В данном примере используют 2 медных листов с общей толщиной ~ 1,2 мм.
   3. Рассчитать передачу через образец впереди тиме с помощью:
      http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html или http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/ или http://11bm.xray.aps.anl.gov/absorb/absorb .php. Например, введя химическую формулу и расчетную толщину для выхода образца будет представлен график, показывающий передачу процентов в зависимости от диапазона энергий.
4. Убедитесь в том, что центр сцене в вращения совмещена с центром камеры. Для того, чтобы проверить, что образец выровнен повернуть его на 180 градусов с помощью программного обеспечения на пучкового управления компьютером и визуально наблюдать изменение местоположения образца при просмотре рентгенограммы на компьютере. Контроль изменений в выравнивании на том же компьютере. Качество изображения ухудшается, когда выравнивание образца выключено настолько, что участки образца покидают поле зрения во время вращения образца.
5. Вручную установить образец на детектор расстояния для сканирования. Камера находится на поступательном этапе, который может перемещаться по горизонтали, который используетсячтобы изменить образец на расстоянии детектора. Когда расстояние увеличивается фазовый контраст вклад также увеличивается. Фазовые эффекты помогают более легко изображения тонкие трещины и края, но и вызвать другие "эффект ореола" артефакты, которые часто нежелательно.
6. Проверьте выравнивание пучкового. Проверьте фокусировку изображения и отрегулируйте двигатель фокусировки в случае необходимости. Убедитесь, что калибровка размер пикселя является правильным путем перемещения образца определенное количество и измерения количества пикселей пробы, перемещаемой вычислить мкм / пиксель. Размер воксела будет меняться в зависимости от экспериментальной установки.
   1. Убедитесь, что, как изображение перемещается по горизонтали, изображение функции отслеживания по горизонтали вдоль постоянного пикселя, а если нет, отрегулируйте двигатель наклона камеры так, что они делают. Это выравнивает ось вращения таким образом, чтобы он был параллелен пиксельных колонок, что выравнивание предполагается позже алгоритмов реконструкции.
7. Выберите время экспозиции для каждого рентгенограмме, Диапазон времени экспозиции составляет 1-1,500 мс, и выбор зависит от энергии сканирования и разрешение (которое определяет наблюдаемый поток на элемент разрешения). Выбранное время должно обеспечить компромисс между быстрым временем сканирования и сканирования с большим количеством импульсов и, таким образом, лучшее соотношение сигнал-шум.
   1. Для микроэлектронной пакета, используйте образец время сканирования 100 мс в экспозиции.
      Примечание: Убедитесь, что нет насыщенных пикселов или по крайней мере, меньше рекомендованной цели 100. Система управления настроена на отображение счетчиков камеры на переоборудованном масштабе, так что максимальные отсчеты каждой камеры составляет 65535.
8. Настройка параметров сканирования с помощью Data Acquisition компьютера.
   1. Введите желаемый диапазон углов, и количество изображений, чтобы собрать в течение этого диапазона. Чем больше углы выбраны тем дольше время сканирования и больше размер набора данных. Обычные номера углов 513, 1025, и 2049 в диапазоне 0-180 градусов. Для этого исследования, использования1,025 углы более 180 градусов во время сбора данных.
   2. Выберите режим сканирования. Два варианта режима сканирования: 1) нормальная и 2) непрерывная томография. Непрерывный режим является предпочтительным, поскольку он приводит в самое короткое время сканирования, ~ 3 мин. В этом режиме, этап вращения непрерывно движется, как собраны изображения. В нормальном режиме, этап вращение останавливается на каждом углу, а затем изображение собирается.
   3. Укажите количество светлых и темных полей изображений. Светлые и темные поля изображения необходимы для выполнения реконструкции. Для полевых изображений темные ставни, близких и для светлого поля или фоновых изображений образцы перемещается из поля зрения. Убедитесь, что образец переводится достаточно далеко, так что его нет в светлом поле образа, чтобы избежать больших дефектов в реконструированном изображениях. Здесь приобретают 15 темных полей изображений и 15 изображений светлого поля.
   4. Определить, если плиточные необходимо. Если образец выше поля ФF просмотра есть опция плиточные работы, которая будет сканировать образец затем перевести его вертикально, пока весь образец не будет захвачен.
9. Выполнить проверку запуска на данных о приобретении компьютера. Сканирование будет выполняться автоматически на основании введенных настроек.

2. Этапы Выполнение ТОМОГРАФИЧЕСКОЙ Обработка данных

1. Передача данных на компьютер для анализа доступны на пучкового выполнить реконструкцию и фильтрацию набора данных с использованием протокола пучкового. Реконструкция может работать независимо от сбора данных.
   Примечание: Данные автоматически передаются в NERSC, высокой производительности компьютера, где она обрабатывается и реконструированных. Пользователи могут подписаться на счет в NERSC, чтобы получить доступ к данным через веб-портал SPOT Люкс в spot.nersc.gov. Этот портал все еще находится в режиме разработки, так что многие пользователи предпочитают иметь больше контроля над параметрами восстановления, и в этом случае они следуют остальные шаги.
2. РЕКОНСТРУКЦИИruct сырые изображения, выполнив следующие действия: 1) нормализовать изображения, 2) создать стек синограмм, 3) применяют удаление / фильтры кольцо, и 4) выполнение работ по реконструкции параллельного пучка. Реконструкция основана на алгоритме фильтрованного обратно проекционного. Результаты процесса восстановления в TIFF изображений, которые содержат информацию о местоположении и интенсивности каждого пикселя, составляющих объем образца. Схематически весь процесс показан на рисунке 2.
   1. Чтобы получить доступ к плагин запуска Fiji (который является аббревиатурой Фиджи Просто ImageJ) и выберите в меню Плагины → ALSmicroCT → NormalizeStack832newnaming, как показано ниже. Пользователь на объекте ALS может выполнить весь процесс восстановления с помощью пользовательского плагина для ImageJ / Фиджи, которая объединяет несколько программных пакетов, предназначенных для оптимизации процесса восстановления.
      Примечание: Фиджи и плагин доступны для использования на нескольких компьютерах пучкового 8.3.2 анализа.
   2. После того, как диалоговое окно ФИДЖИ открыт, Как показано ниже, выберите необработанный файл, предназначенный для реконструкции. Стек сырья, ярких и темных изображений в настоящее время должны быть загружены.
   3. Найти центр вращения, нажав кнопку "Detect центр вращения", а затем визуализировать реконструированное изображение выберите 'Preview' реконструкции. Значение для центра вращения также можно ввести вручную и просмотров.
   4. С помощью этого интерфейса есть возможность изменить параметры удаления кольца, тип изображения (8, 16 или 32 бит), диапазон пикселей, угол поворота изображений, а также определить обрезанную область. Каждый новый набор параметров можно визуализировать с помощью кнопки «Просмотр реконструкции».
   5. После того как параметры выбраны, восстановить весь стек изображений, выбрав "Выполнить". Все последующие файлы данных могут быть найдены в указанном каталоге 'Output', каталог по умолчанию будет находиться в выходном файле в сырых папке данных.
3. Доступ необработанные данные томографии sбанки с любого компьютера, зайдя на сайт http://spot.nersc.gov/~~pobj, который является NERSC (LBNL суперкомпьютер) сервера через SPOT портала.
   Примечание: Каждый исследователь должен иметь свой собственный NERSC учетной записи, чтобы получить доступ к их конкретных наборов данных. Пользователь сможет настроить создать аккаунт на https://nim.nersc.gov/nersc_account_request.php. В пучкового, каждая исследовательская группа присваивается счет пучкового. Эта учетная запись используется для доступа пучкового компьютеров, а также могут быть использованы для доступа к данным непосредственно с сервера пучкового с помощью Globus Online.
4. Визуализация данных в 3D и 2D, загрузив стопку 2D реконструированы изображения в любой 3D программного обеспечения для анализа. Образцы и изображения, представленные здесь, используют программное обеспечение Avizo для выполнения анализа и визуализации, которая доступна для пучкового пользователей с любого из компьютеров анализа пучкового 8.3.2.
5. После того, как набор данных загружается в программное обеспечение визуализации дальнейшего анализа данных, чтобы получить количественную информацию о конкретных фературы в образце. Часто наборов данных субдискретизации для того, чтобы уменьшить размер выходных данных. Тем не менее это может увеличить размер воксела уменьшая точность, но сгладить вид изображения для упрощения сегментации.
   1. Выберите функции сегмента интересующие пороговой гистограммы стека 2D реконструированы ломтиков и присвоения нового значения пикселя пикселей, которые находятся в пределах указанного диапазона.
   2. Визуализируйте сегментированные объемов и поверхностей. После того, как функции сегментирован они рассматриваются в 3D с использованием Avizo или любого программного обеспечения предпочтительного визуализации. Это позволяет для 3D-визуализации поверхности специфических функций, таких как шарики припоя при определенной области, представляющей интерес.
   3. Количественно особенности в образце, то есть, размер трещины, сквозные отверстия, пористость, дефекты и т.д. После того, как интересующий объект идентифицируется, такой как через трещины или, функция может быть сегментирован и объемная информация по ширине трещины, длина, по объему, распределение пористости может быть определена количественно путем оценки tomographic набор данных.
   4. Создание фильма образца, показывая образец в различных ориентациях. Фильм 1 приведены примеры различных точек зрения поперечного сечения и видом объема рендеринга для микроэлектронной пакета изображаемого в горизонтальной ориентации.

Результаты

Изображения, захваченные с помощью компьютерной томографии происходит из-за дифференциального поглощения рентгеновских лучей в припое межсоединений, металлических следов, а также других материалов, в микроэлектронной упаковке в зависимости от различной длины затухания и толщины эт...

Обсуждение

Все шаги, описанные в разделе протокола имеют решающее значение для получения изображений с высоким разрешением многомасштабных и мульти-материальных образцов. Одним из наиболее важных шагов является образцом монтажа и фокусировкой оптики, которые жизненно необходимы для получения ...

Материалы

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