Name: using synchrotron radiation microtomography to investigate multi-scale three-dimensional microelectronic packages
Uploaded: 2016-04-13T14:00:00
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この作品のLLNL部分は、契約DE-AC52-07NA27344下のローレンス・リバモア国立研究所による米国エネルギー省の後援の下で行いました。インテルコーポレーションの作成者は、データの収集、有用な議論の一部のためにインテル社からピリン劉、梁胡、ウィリアム・ハモンド、とカルロスOrdunoに感謝したいと思います。高度な光源は、契約番号DE-AC02-05CH11231下で米国エネルギー省のディレクター、科学局、基礎エネルギー科学のオフィスによってサポートされています。

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?...

<ol>
	<li>Tian, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+X-ray+microtomography+study+of+3-D+void+growth+induced+by+electromigration+in+eutectic+SnPb+flip-chip+solder+joints.">Quantitative X-ray microtomography study of 3-D void growth induced by electromigration in eutectic SnPb flip-chip solder joints.</a> Scr. Mater. 65, 646-649 (2011).</li><li>Tian, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+diagnosis+of+electromigration+induced+failure+time+of+Pb-free+flip+chip+solder+joints+by+high+resolution+synchrotron+radiation+laminography.">Rapid diagnosis of electromigration induced failure time of Pb-free flip chip solder joints by high resolution synchrotron radiation laminography.</a> Appl. Phys. Lett. 99, 082114 (2011).</li><li>Lee, A., Liu, W., Ho, C. E., Subramanian, K. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synchrotron+x-ray+microscopy+studies+on+electromigration+of+a+two-phase+material.">Synchrotron x-ray microscopy studies on electromigration of a two-phase material.</a> J. Appl. Phys. 102, 053507 (2007).</li><li>Sarobol, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+local+grain+misorientation+and+&#946;-Sn+elastic+anisotropy+on+whisker+and+hillock+formation.">Effects of local grain misorientation and &#946;-Sn elastic anisotropy on whisker and hillock formation.</a> J. Mater. Res. 28, 747-756 (2013).</li><li>Sarobol, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recrystallization+as+a+nucleation+mechanism+for+whiskers+and+hillocks+on+thermally+cycled+Sn-alloy+solder+films.">Recrystallization as a nucleation mechanism for whiskers and hillocks on thermally cycled Sn-alloy solder films.</a> Mater. Lett. 99, 76-80 (2013).</li><li>Elmer, J., Specht, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+Sn+and+In+Solidification+Undercooling+and+Lattice+Expansion+Using+In+Situ+X-Ray+Diffraction.">Measurement of Sn and In Solidification Undercooling and Lattice Expansion Using In Situ X-Ray Diffraction.</a> J. Electron. Mater. 40, 201-212 (2011).</li><li>Elmer, J., Specht, E., Kumar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstructure+and+In+Situ+Observations+of+Undercooling+for+Nucleation+of+&#946;-Sn+Relevant+to+Lead-Free+Solder+Alloys.">Microstructure and In Situ Observations of Undercooling for Nucleation of &#946;-Sn Relevant to Lead-Free Solder Alloys.</a> J. Electron. Mater. 39, 273-282 (2010).</li><li>Gourlay, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+investigation+of+unidirectional+solidification+in+Sn-0.7Cu+and+Sn-0.7Cu-0.06Ni.">In situ investigation of unidirectional solidification in Sn-0.7Cu and Sn-0.7Cu-0.06Ni.</a> Acta Mater. 59, 4043-4054 (2011).</li><li>Ma, H. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+study+on+growth+behavior+of+Ag3Sn+in+Sn-3.5Ag/Cu+soldering+reaction+by+synchrotron+radiation+real-time+imaging+technology.">In-situ study on growth behavior of Ag3Sn in Sn-3.5Ag/Cu soldering reaction by synchrotron radiation real-time imaging technology.</a> J. Alloys Compd. 537, 286-290 (2012).</li><li>Zhou, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Synchrotron+Characterization+of+Melting,+Dissolution,+and+Resolidification+in+Lead-Free+Solders.">In Situ Synchrotron Characterization of Melting, Dissolution, and Resolidification in Lead-Free Solders.</a> J. Electron. Mater. 41, 262-272 (2012).</li><li>Elmer, J., Specht, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-Situ+X-Ray+Diffraction+Observations+of+Low-Temperature+Ag-Nanoink+Sintering+and+High-Temperature+Eutectic+Reaction+with+Copper.">In-Situ X-Ray Diffraction Observations of Low-Temperature Ag-Nanoink Sintering and High-Temperature Eutectic Reaction with Copper.</a> Metall. Mater. Trans. A. 43, 1528-1537 (2012).</li><li>Li, Y., Moore, J. S., Pathangey, B., Dias, R. C., Goyal, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lead-Free+Solder+Joint+Void+Evolution+During+Multiple+Subsequent+High-Temperature+Reflows.">Lead-Free Solder Joint Void Evolution During Multiple Subsequent High-Temperature Reflows.</a> IEEE Trans. Device Mater. Rel. 12, 494-500 (2012).</li><li>Elmer, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synchrotron+Radiation+Microtomography+for+Large+Area+3D+Imaging+of+Multilevel+Microelectronic+Packages.">Synchrotron Radiation Microtomography for Large Area 3D Imaging of Multilevel Microelectronic Packages.</a> J. Electron. Mater. 43, 4421-4427 (2014).</li><li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Resolution+and+Fast+Throughput-time+X-ray+Computed+Tomography+for+Semiconductor+Packaging+Applications.">High Resolution and Fast Throughput-time X-ray Computed Tomography for Semiconductor Packaging Applications.</a> Proceedings of the 64th IEEE Electronic.Components and Technology Conference (ECTC). , 1457-1463 (2014).</li><li>McElrone, A. J., Choat, B., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Brodersen, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+High+Resolution+Computed+Tomography+to+Visualize+the+Three+Dimensional+Structure+and+Function+of+Plant+Vasculature.">Using High Resolution Computed Tomography to Visualize the Three Dimensional Structure and Function of Plant Vasculature.</a> J Vis Exp. , e50162 (2013).</li><li>Kinney, J. H., Nichols, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=X-Ray+Tomographic+Microscopy+(XTM)+Using+Synchrotron+Radiation.">X-Ray Tomographic Microscopy (XTM) Using Synchrotron Radiation.</a> Annu. Rev. Mater. Sci. 22, 121-152 (1992).</li></ol>

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?...

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、&lt;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。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="641">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td class="xl64" height="20" style="height:15.0pt;width:87pt" width="116">Beamline 8.3.2</td>
			<td class="xl64" style="width:200pt" width="267">Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA</td>
			<td style="width:81pt" width="108"></td>
			<td class="xl65" style="width:113pt" width="150">http://microct.lbl.gov/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using synchrotron radiation microtomography to investigate multi-scale three-dimensional microelectronic packages

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。

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?...

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Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

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。

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、

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Research

JoVE Journal

Engineering

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