Utilisation de rayonnement synchrotron Microtomographie d'enquêter sur Multi-échelle Forfaits microélectroniques en trois dimensions
Summary
Pour cette étude, le rayonnement synchrotron micro-tomographie, une technique d'imagerie non destructive en trois dimensions, est utilisé pour étudier un ensemble de micro-électronique avec une aire en coupe transversale de 16 x 16 mm. En raison de flux élevé et la luminosité du synchrotron l'échantillon a été imagé en seulement 3 min avec une résolution spatiale de 8,7 um.
Abstract
Le rayonnement synchrotron de micro-positons (SRμT) est une technique (3D) imagerie non destructive en trois dimensions qui offre un flux élevé pour rapide temps d'acquisition de données à haute résolution spatiale. Dans l'industrie de l'électronique il y a un intérêt sérieux dans l'exécution de l'analyse des défaillances sur les paquets de microélectroniques 3D, beaucoup qui contiennent de multiples niveaux d'interconnexions à haute densité. Souvent, en tomographie il y a un compromis entre la résolution de l'image et le volume d'un échantillon qui peut être imagé. Cette relation inverse limite l'utilité des systèmes conventionnels tomodensitométrie (CT) depuis un paquet microélectroniques est souvent de grande surface en coupe transversale 100-3,600 mm 2, mais a des caractéristiques importantes à l'échelle du micron. La ligne de faisceau micro-tomographie à l'Advanced Light Source (ALS), à Berkeley, CA Etats – Unis, a une configuration qui est adaptable et peut être adapté aux propriétés d'un échantillon, à savoir, la densité, l' épaisseur, etc., avec un maximum permettentsection transversale en mesure de 36 x 36 mm. Cette configuration a également la possibilité d'être soit monochromatique dans la gamme d'énergie ~ 7-43 keV ou fonctionnant avec flux maximum en mode lumière blanche en utilisant un faisceau polychromatique. Présenté voici le détail des étapes expérimentales prises à l'image entière d'un système 16 x 16 mm dans un colis, afin d'obtenir des images 3D du système avec une résolution spatiale de 8,7 um tout dans un temps de balayage de moins de 3 min. Sont également indiquées les résultats de paquets numérisés dans des orientations différentes et un ensemble en coupe pour une meilleure imagerie de résolution. En revanche un système de CT conventionnel prendre des heures pour enregistrer des données avec potentiellement moins bonne résolution. En effet, le rapport du champ de vision en temps le débit est beaucoup plus élevé lors de l'utilisation de l'installation synchrotron tomographie par rayonnement. La description ci-dessous du dispositif expérimental peut être mis en œuvre et adapté pour être utilisé avec de nombreux autres multi-matériaux.
Introduction
Dans le domaine de la microélectronique, comme dans beaucoup d'autres domaines, l'évaluation non destructive à l'échelle du micromètre est nécessaire lors de la caractérisation des échantillons. Spécifiquement pour l'industrie de la microélectronique, il y a un intérêt à sonder les paquets de la microélectronique 3D, contenant multi-niveaux et multi-matériaux, et l'identification des défaillances dans des emballages pendant thermique, électrique, mécanique et soulignant des composants. Autour du synchrotron mondial des installations de rayonnement ont désigné tomographie et de diffraction beamlines qui sont utilisés pour l'analyse des défaillances des packages microélectroniques. Quelques exemples de ce sont l' imagerie formation de vides causés par électromigration 1-3, l' évaluation des mécanismes de 4,5 de croissance étain moustaches, des observations in situ de surfusion et la dilatation thermique anisotrope de l' étain et des composés intermétalliques (IMCs) 6,7, l' observation in situ dans solidification et formation IMC 8-10, comportement mécanique anisotrope etrecristallisation de l' étain et de plomb brasures libres 10, vides dans la chair de flip chip, et dans les observations in situ de Ag-Nanolnk frittage 11. Toutes ces études ont en outre fait progresser la compréhension et le développement de composants dans l'industrie microélectronique. Toutefois, bon nombre de ces études ont mis l'accent sur les petites régions à l'intérieur du paquet. Plus d'informations peuvent être tirées de l'essai et la caractérisation de l'ensemble complet de taille en utilisant la résolution haute SRμT afin de favoriser leur développement.
Les boîtiers électroniques produites contiennent maintenant plusieurs couches d'interconnexions. Ces forfaits et appareils sont de plus en plus complexe qui appelle à une solution 3D pour l'évaluation non destructive à l'égard de l'analyse des défaillances, contrôle de la qualité, l'évaluation des risques de fiabilité, et le développement. Certains défauts nécessitent une technique qui permet de détecter des caractéristiques moins de 5 um, qui comprennent les vides et la formation de fissures à l'intérieur du cuivre suvias bstrate, l' identification sans contact des plots de soudure ouverte et nonwet dans un emballage à plusieurs niveaux 12, la localisation et la quantification des vides dans des réseaux de grilles à billes (BGA) et C4 joints de soudure. Pendant le processus d'assemblage de substrat de ces types de défauts doivent être identifiés et surveillés intensivement pour éviter les défaillances indésirables.
Actuellement les systèmes CT utilisant des sources en laboratoire, également connu sous le nom de table, sont en mesure de fournir le plus haut ~ 1 um résolution spatiale, et sont utilisés pour isoler les défaillances dans les paquets multi-niveaux avec des résultats prometteurs. Cependant, les systèmes de table de CT ont certaines limites par rapport aux configurations de SRμT 13,14. les systèmes de bureau sont limités à l'imagerie d'une certaine gamme de densités de matériaux, car ils ne contiennent habituellement un ou deux des rayons X de spectres de source. Également en-temps mis (TPT) reste longue pour les systèmes de table CT classiques nécessitant plusieurs heures de temps d'acquisition de données par 1-2 mm 2 région d'intérêt, qui can limiter son utilité; par exemple, l'analyse des défaillances dans Through Silicon Vias (TSV), BGA ou les articulations C4 nécessitent souvent l'acquisition de champs multiples de vues (FOV) ou des régions d'intérêt à haute résolution dans l'échantillon, résultant en TPT total de 8-12 heures, ce qui est un bouchon de spectacle pour les systèmes CT de table classiques lorsque plusieurs échantillons doivent être analysés. Le rayonnement synchrotron fournit des flux beaucoup plus élevé et la luminosité que les sources de rayons X conventionnels, ce qui entraîne beaucoup plus rapides des temps d'acquisition de données pour une région donnée d'intérêt. Bien que SRμT ne permet plus de flexibilité en ce qui concerne les types de matériaux qui peuvent être imagés et le volume de l'échantillon, il a ses limites, qui sont spécifiques à la source de synchrotron et la configuration utilisée, l'épaisseur spécifique maximale acceptable et la taille de l'échantillon. Pour la configuration du SRμT à l'ALS de la surface en coupe transversale maximale qui peut être imagé est <36 x 36 mm et l'épaisseur est limitée par la plage d'énergie et du flux est disponible et de matériaupécifique.
Cette étude permet de démontrer comment SRμT peut être utilisé pour l'image d'un système à plusieurs niveaux dans l'ensemble de package (SIP) avec une haute résolution et basse TPT (3-20 min) pour une utilisation dans l'inspection des paquets de semi-conducteurs 3D. Plus de détails sur la comparaison table TC à Synchrotron Source TC peuvent être trouvés dans les références 13,14.
Experimental Aperçu et Beamline 8.3.2 Description:
Il y a des installations synchrotron disponibles pour la tomographie d'expériences dans le monde entier; la plupart de ces installations nécessitent la soumission d'une proposition où l'expérimentateur décrit l'expérience, ainsi que son impact scientifique. Les expériences décrites ici ont toutes été réalisées à l'ALS au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) à 8.3.2 ligne de lumière. Pour cette ligne de lumière, il y a deux options de mode d'énergie: 1) monochromatique dans la gamme d'énergie ~ 7-43 keV ou 2) polychromatique lumière "blanche" où l'ensemble disponispectre d'énergie ble est utilisé lors de la numérisation des matériaux de haute densité. Lors d'une analyse typique à un échantillon 8.3.2 ligne de lumière est monté sur une scène de rotation où les rayons X pénètrent dans l'échantillon, les rayons X atténués sont convertis en lumière visible à travers un scintillateur, magnifiés par une lentille, puis projetés sur un CCD pour l'enregistrement. Ceci se fait alors que l'échantillon tourne de 0 à 180 ° produisant une pile d'images qui est reconstruit pour obtenir une vue 3D de l'échantillon avec une résolution de micromètres. La taille de l' ensemble de données tomographique résultant varie de ~ 3-20 Gb en fonction des paramètres de numérisation. La figure 1 montre un schéma de la huche où l'échantillon est analysé.
Le protocole suivant a présenté ici décrit le dispositif expérimental, l'acquisition des données et les étapes de traitement nécessaires pour imager un ensemble de micro-électronique, mais les étapes peut être modifié à l'image d'une variété d'échantillons. Les modifications dépendent de la taille de l'échantillon,densité, géométries et caractéristiques d'intérêt. Les tableaux 1 et 2 présentent la résolution et taille de l' échantillon des combinaisons disponibles à 8.3.2 ligne de lumière (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Pour la micro-électronique étudié ici, l'échantillon a été imagé à l'aide d'un faisceau polychromatique ( «blanc»), qui a été choisie en raison de l'épaisseur et de haute densité des composants de l'échantillon. L'échantillon a été monté dans l'orientation horizontale sur un mandrin de montage, cette orientation a permis l'ensemble de l'échantillon pour tenir dans la taille du faisceau, qui est parallèle à une hauteur de ~ 4 mm et une largeur de ~ 40 mm, par conséquent, ne nécessitant une scanner pour capturer l'ensemble de l'échantillon.
Protocol
Representative Results
Discussion
Toutes les étapes décrites dans la section de protocole sont essentielles pour obtenir des images à haute résolution d'échantillons multi-échelles et multi-matériaux. L'une des étapes les plus critiques est l'échantillon de montage et la mise au point de l'optique, qui sont indispensables à l'obtention d'images de qualité qui peuvent être utilisés pour la quantification. Plus précisément, même léger mouvement de l'échantillon provoquerait des artefacts dans l'image recon…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La partie LLNL de ce travail a été réalisée sous les auspices du Département américain de l'énergie par Lawrence Livermore National Laboratory sous contrat DE-AC52-07NA27344. Les auteurs Intel Corporation aimeraient remercier Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, et Carlos Orduno d'Intel Corporation pour une partie de la collecte des données et des discussions utiles. Le Advanced Light Source est pris en charge par le directeur, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, du Département américain de l'énergie sous contrat No. DE-AC02-05CH11231.
Materials
| Beamline 8.3.2 | Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA | http://microct.lbl.gov/ |
Referencias
- Tian, T., et al. Quantitative X-ray microtomography study of 3-D void growth induced by electromigration in eutectic SnPb flip-chip solder joints. Scr. Mater. 65, 646-649 (2011).
- Tian, T., et al. Rapid diagnosis of electromigration induced failure time of Pb-free flip chip solder joints by high resolution synchrotron radiation laminography. Appl. Phys. Lett. 99, 082114 (2011).
- Lee, A., Liu, W., Ho, C. E., Subramanian, K. N. Synchrotron x-ray microscopy studies on electromigration of a two-phase material. J. Appl. Phys. 102, 053507 (2007).
- Sarobol, P., et al. Effects of local grain misorientation and β-Sn elastic anisotropy on whisker and hillock formation. J. Mater. Res. 28, 747-756 (2013).
- Sarobol, P., et al. Recrystallization as a nucleation mechanism for whiskers and hillocks on thermally cycled Sn-alloy solder films. Mater. Lett. 99, 76-80 (2013).
- Elmer, J., Specht, E. Measurement of Sn and In Solidification Undercooling and Lattice Expansion Using In Situ X-Ray Diffraction. J. Electron. Mater. 40, 201-212 (2011).
- Elmer, J., Specht, E., Kumar, M. Microstructure and In Situ Observations of Undercooling for Nucleation of β-Sn Relevant to Lead-Free Solder Alloys. J. Electron. Mater. 39, 273-282 (2010).
- Gourlay, C. M., et al. In situ investigation of unidirectional solidification in Sn-0.7Cu and Sn-0.7Cu-0.06Ni. Acta Mater. 59, 4043-4054 (2011).
- Ma, H. T., et al. In-situ study on growth behavior of Ag3Sn in Sn-3.5Ag/Cu soldering reaction by synchrotron radiation real-time imaging technology. J. Alloys Compd. 537, 286-290 (2012).
- Zhou, B., et al. In Situ Synchrotron Characterization of Melting, Dissolution, and Resolidification in Lead-Free Solders. J. Electron. Mater. 41, 262-272 (2012).
- Elmer, J., Specht, E. D. In-Situ X-Ray Diffraction Observations of Low-Temperature Ag-Nanoink Sintering and High-Temperature Eutectic Reaction with Copper. Metall. Mater. Trans. A. 43, 1528-1537 (2012).
- Li, Y., Moore, J. S., Pathangey, B., Dias, R. C., Goyal, D. Lead-Free Solder Joint Void Evolution During Multiple Subsequent High-Temperature Reflows. IEEE Trans. Device Mater. Rel. 12, 494-500 (2012).
- Elmer, J., et al. Synchrotron Radiation Microtomography for Large Area 3D Imaging of Multilevel Microelectronic Packages. J. Electron. Mater. 43, 4421-4427 (2014).
- Li, Y., et al. High Resolution and Fast Throughput-time X-ray Computed Tomography for Semiconductor Packaging Applications. Proceedings of the 64th IEEE Electronic.Components and Technology Conference (ECTC). , 1457-1463 (2014).
- McElrone, A. J., Choat, B., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A., Brodersen, C. R. Using High Resolution Computed Tomography to Visualize the Three Dimensional Structure and Function of Plant Vasculature. J Vis Exp. , e50162 (2013).
- Kinney, J. H., Nichols, M. C. X-Ray Tomographic Microscopy (XTM) Using Synchrotron Radiation. Annu. Rev. Mater. Sci. 22, 121-152 (1992).
