Name: using synchrotron radiation microtomography to investigate multi-scale three-dimensional microelectronic packages
Uploaded: 2016-04-13T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages at JoVE.com

A porção LLNL deste trabalho foi realizado sob os auspícios do Departamento de Energia dos EUA por Lawrence Livermore National Laboratory, no âmbito do contrato DE-AC52-07NA27344. Os autores Intel Corporation gostaria de agradecer Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, e Carlos Orduno da Intel Corporation para alguns de coleta de dados e discussões úteis. A fonte luminosa avançada é suportado pelo Diretor do Escritório de Ciência, Instituto de ciências básicas da energia, do Departamento de Energia dos Estados Unidos sob o Contrato Nº DE-AC02-05CH11231.

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...

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	<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>

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...

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 &lt;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 &amp; 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 &quot;branca&quot; 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 ( &quot;branco&quot;), 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.

<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

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.

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...

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

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.

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

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

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