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

Den LLNL del av detta arbete genomfördes under överinseende av US Department of Energy av Lawrence Livermore National Laboratory i kontrakt DE-AC52-07NA27344. Intel Corporation Författarna vill tacka Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, och Carlos Orduno från Intel Corporation för en del av datainsamlingen och hjälpsamma diskussioner. Advanced Light Source stöds av direktören, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, av US Department of Energy enligt kontrakt nr DE-AC02-05CH11231.

Obs: Protokoll detaljer som beskrivs nedan har skrivits speciellt för arbete vid beamline 8.3.2 vid ALS, Berkeley, CA. Anpassningar kan krävas för arbete vid andra synkrotronanläggningar, som kan hittas runt om i världen. krävs lämplig säkerhets och strålning utbildning för att köra experiment på dessa anläggningar och riktlinjer för utbildning kan hittas på varje enskild synkrotronljus anläggning hemsida. Eventuella ändringar eller uppdateringar av tomografi protokollet (ALS, LBNL, Berkeley, CA) kan hittas på strålröret...

<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>

Alla de steg som beskrivs i protokollet avsnitt är avgörande för att få högupplösta bilder av multi-skala och flera materialprover. En av de mest kritiska stegen är provet montering och fokusering av optiken, som är avgörande för att få högkvalitativa bilder som kan användas för kvantifiering. Specifikt skulle till och med liten rörelse av provet orsaka artefakter i den rekonstruerade bilden och defokusering skulle orsaka försämring av upplösning. För att undvika problem med bildkvalitet är det vikti...

I mikroelektronikområdet, liksom i många andra områden, är det nödvändigt icke-förstörande utvärdering i mikrometerskala när karakterisera prover. Specifikt för mikroelektronikindustrin finns det intresse för sondering 3D mikroelektronik paket, innehållande flera nivåer och multi-material, och att identifiera brister i förpackningar under termisk, elektrisk och mekanisk belastning av komponenter. Runt om i världen synkrotronljusanläggningar har utsett tomografi och diffraktion strålrör som används för felanalys av mikro paket. Några exempel på detta är att avbilda tomrumsbildning orsakad av elektromigration 1-3, utvärdera mekanismerna för tenn skäggtillväxt 4,5, in situ-observationer av underkylning och anisotrop värmeutvidgning av tenn och intermetalliska föreningar (IMC) 6,7, in situ observation av stelning och IMC bildning 8-10, anisotropisk mekaniska egenskaper ochOmkristallisation av tenn och blyfri lod 10, tomrum i flip chip stötar, och in situ observationer av Ag-nanoink sintring 11. Alla dessa studier har ytterligare ökat kunskapen och utveckling av komponenter i den mikroelektroniska industrin. Dock många av dessa studier har fokuserat på små regioner inom paketet. Mer information kan utläsa från testning och karakterisering av full storlek paket med hög upplösning SRμT i syfte att främja deras utveckling. De elektroniska paket som produceras nu innehåller flera lager av sammankopplingar. Dessa paket och enheter växer mer och mer komplex som kräver en 3D-lösning för icke-förstörande utvärdering när det gäller felanalys, kvalitetskontroll, tillförlitlighet riskbedömning och utveckling. Vissa brister kräver en teknik som kan upptäcka funktioner mindre än 5 pm i storlek, som omfattar håligheter och sprickbildning i koppar SUbstrate vior, identifiera berörings öppen och nonwet lödöar i flerförpackningar 12, lokalisera och kvantifiera hålrum i ball grid arrayer (BGAs) och C4 lödfogar. Under substratmonteringsprocessen dessa typer av defekter måste identifieras och övervakas stor utsträckning för att undvika oönskade fel. För närvarande CT-system som använder laboratoriebaserade källor, även känd som bord, möjlighet att erbjuda så hög som ~ 1 pm rumslig upplösning, och som används för att isolera fel i fler paket med lovande resultat. Men bords CT-system har vissa begränsningar jämfört med SRμT inställningar 13,14. Tabletop system är begränsade till endast avbildning av en viss täthet område av material, eftersom de vanligtvis endast innehåller en eller två röntgenkälla spectrums. Även genomloppstiden (TPT) förblir länge för konventionella bords CT-system som kräver flera timmars datainsamling tid per 1-2 mm 2 område av intresse, som can begränsar dess användbarhet; till exempel, analysera misslyckanden in genom Silicon Vias (TSV), BGA-enheter eller C4 leder ofta kräver skaffa flera Field of Views (FOV) eller regioner av intresse med hög upplösning i provet, vilket resulterar i totalt TPT 8-12 timmar, vilket är en show propp för konventionella CT-system bords när flera prover måste analyseras. Synkrotronstrålning ger mycket högre flöde och ljusstyrka än konventionella röntgenkällor, vilket resulterar i mycket snabbare datainsamling tider för en viss region av intresse. Även SRμT tillåter större flexibilitet när det gäller olika typer av material som kan avbildas och provvolym, har det begränsningar, som är specifika för synkrotron källa och uppspänning, särskilt maximal acceptabel tjocklek och provstorleken. För SRμT installationen vid ALS den maximala tvärsnittsarea som kan avbildas är &lt;36 x 36 mm och tjockleken begränsas av energiområdet och flussmedel tillgängliga och är material specifika. Denna studie används för att visa hur SRμT kan utnyttjas för att avbilda en hel flernivåsystem i paketet (SIP) med hög upplösning och låg TPT (3-20 min) för användning i kontroll av 3D-halvledarpaket. Mer information om jämföra bordstransformatorer till Synchrotron Source CT: s kan återfinnas i referenser 13,14. Experimentell Översikt och strålröret 8.3.2 Beskrivning: Det finns synkrotronanläggningar tillgängliga för tomografi experiment runt om i världen; de flesta av dessa anläggningar kräver fram ett förslag där experimentalist beskriver experimentet liksom dess vetenskapliga inverkan. De experiment som beskrivs här var alla utförs vid ALS vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) vid strålröret 8.3.2. För detta strålröret finns två energilägen: 1) monokromatisk inom energiområdet ~ 7-43 keV eller 2) polykromatisk &quot;vitt&quot; ljus där hela gängble energispektrumet används vid scanning med hög densitet material. Under en typisk scan vid beamline 8.3.2 ett prov är monterad på en rotations stadium där röntgenstrålar tränger provet, sedan de försvagade röntgenstrålarna omvandlas till synligt ljus genom en scintillator, förstoras av en lins, och sedan projiceras på en CCD för inspelning. Detta görs medan provet roterar från 0 till 180 ° producerar en stapel av bilder som är rekonstruerade för att erhålla en 3D-vy av provet med mikrometer upplösning. Den resulterande tomografiska dataset storlek varierar från ~ 3-20 Gb beroende på skanningsparametrarna. Figur 1 visar en schematisk bild av buren där provet skannas. Följande protokoll som presenteras här beskriver den experimentuppställning, datainsamling, och behandlingssteg som krävs för att avbilda en hel mikroelektroniska paket, men stegen kan modifieras för att avbilda en mängd olika prover. Modifieringarna beror på provstorlek,densitet, geometrier och egenskaper av intresse. Tabellerna 1 och 2 före upplösningen och urvalsstorlek kombinationer till beamline 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). För den mikroelektroniska paket undersöks här provet avbildades med användning av en polykromatisk ( &quot;vita&quot;) stråle, som valdes på grund av tjockleken och hög densitet av provets komponenter. Provet monteras i horisontellt på en chuck montera, denna orientering tillåts för hela provet för att passa inom höjden av balken, som är parallell med en höjd av ~ 4 mm och bredd på ~ 40 mm, därför endast kräver ett skanna till fånga hela provet.

<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

Synkrotronstrålning mikro tomografi (SRμT) är en icke-förstörande tredimensionella (3D) avbildningsteknik som erbjuder hög flux för snabba datainsamlings gånger med hög rumslig upplösning. Inom elektronikindustrin finns seriöst intresse att utföra felanalys på 3D mikro paket, många som innehåller flera nivåer av hög densitet förbindelser. Ofta i tomografi finns en kompromiss mellan bildupplösning och volymen av ett prov som kan avbildas. Detta omvänt förhållande begränsar användbarheten av konventionella datortomografi (CT) system sedan en mikro paket är ofta stor i tvärsnittsarea 100-3,600 mm 2, men har viktiga funktioner på micron skala. Mikro tomografi strålröret vid Advanced Light Source (ALS), i Berkeley, Kalifornien USA, har en inställning som är anpassningsbar och kan skräddarsys för att ett prov egenskaper, det vill säga, densitet, tjocklek, etc, med en maximal tillåterkunna tvärsnitt av 36 x 36 mm. Denna inställning har även möjlighet att vara antingen monokromatisk inom energiområdet ~ 7-43 keV eller arbetar med maximalt flöde i vitt ljus läge med en polykromatisk stråle. Presenteras här finns information om de experimentella åtgärder som vidtagits för att avbilda en hel 16 x 16 mm-system i en förpackning för att få 3D-bilder av systemet med en rumslig upplösning på 8,7 um alla inom en genomsökning av mindre än tre minuter. Dessutom visas resultaten från paket skannas i olika riktningar och en sektione paket för högre upplösning. I motsats en konventionell CT-system skulle ta timmar att spela in data med potentiellt sämre upplösning. I själva verket är förhållandet mellan synfältet i syfte att genomloppstiden mycket högre vid användning av synkrotronljus tomografi setup. Beskrivningen nedan av den experimentuppställning kan genomföras och anpassas för användning med många andra multi-material.

De bilder som tagits med tomografi uppstå på grund av differential absorptionen av röntgenstrålar i lodet anslutningar, metalliska spår och annat material i mikro paketet som en funktion av olika dämpnings längder och tjocklek av dessa multi material. SIP-paketet bestod av en kisel dö fäst vid ett keramiskt substrat med första nivån interconnect (FLI) flip chip C4 lödbollar av cirka 80 um diameter; mid-level Interconnect (MLI) lödbollar på cirka 350 um som förbinder detta substrat till en FR4 epoxy kretsk...

Watch this Scientific Journal Video about Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages at JoVE.com

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

För denna studie synkrotronstrålning mikro-tomografi, en icke-förstörande tredimensionell avbildningsteknik, används för att undersöka en hel mikroelektroniska paket med en tvärsnittsarea på 16 x 16 mm. På grund av synkrotron höga flöde och ljusstyrka provet avbildades på bara tre minuter med en 8,7 um rumslig upplösning.

Använda Synchrotron Radiation Microtomography att undersöka Multi skala Tredimensionella Microelectronic paket

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

Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet (VUV) Synchrotron Radiation

Molecular Beam Mass Spectrometry With Tunable Vacuum Ultraviolet VUV Synchrotron Radiation

Molekylär Beam masspektrometri med sökbara Vacuum Ultraviolet (VUV) Synkrotronljusfysik

Tunable soft ionization coupled to mass spectroscopy is a powerful method to investigate isolated molecules, complexes and clusters and their spectroscopy ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Högupplöst, hög hastighet, tredimensionell video Imaging med Digital Fringe Projection Tekniker

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Processen att göra tredimensionella mikrostrukturer med förångning av en Sacrificial Component

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Karakterisering av elektrodmaterial för Lithium Ion och Sodium Ion batterier Använda tekniker Synchrotron Radiation

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

Användning av Neutron Spin Echo löste betesincidensspridning för att undersöka organiska solcellsmaterial

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography

Reservoir skick Pore skala avbildning av flera Fluid Faser Använda röntgen Microtomography

X-ray microtomography was used to image, at a resolution of 6.6 &#181;m, the pore-scale arrangement of residual carbon dioxide ganglia in the pore-space ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Underlåtenhet Analys av batterier Använda Synchrotron-baserade Hard röntgen Microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

Tredimensionell Partikel Tracking Velocimetry för turbulens Applications: Fallet med en Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Dynamisk Pore skala Reservoir-tillstånd avbildning av reaktion i karbonater Använda Synchrotron Snabb Tomography

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

Tredimensionellt ultraljud nål spets spårning med en fiberoptisk ultraljud mottagare

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. ...