멀티 스케일 3 차원 마이크로 전자 패키지를 조사하는 방사광 Microtomography 사용
概要
본 연구 방사광 마이크로 단층 비파괴 입체 영상 법의 경우, 16 × 16 mm의 단면적 전체 마이크로 전자 패키지를 조사하기 위해 사용된다. 때문에 싱크로트론의 높은 플럭스 및 밝기에 샘플은 8.7 μm의 공간 해상도로 불과 3 분에서 몇 군데 있었다.
Abstract
방사광 마이크로 단층 촬영 (SRμT)은 높은 공간 해상도로 고속 데이터 수집 배 높은 광속을 제공하는 비파괴 3 차원 (3D) 이미징 기술이다. 전자 업계에서는 고밀도 배선의 다중 레벨을 포함 할 차원 마이크로 전자 패키지에 많은 실패 분석을 수행 심각한 관심이있다. 주로 단층 화상의 해상도 및 묘화 될 수있는 샘플의 체적 사이의 트레이드 오프가있다. 이러한 반비례 관계는 마이크로 전자 패키지는 단면적이 100-3,600 mm 종종 크므로, 종래의 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 시스템의 유용성을 제한하지만, 마이크론 크기의 중요한 특징을 갖는다. 버클리, CA 미국의 고급 광원 (ALS)에서 마이크로 단층 촬영 빔라인은 최대 허용으로, 적응력 등 샘플의 특성, 즉, 밀도, 두께에 맞게 할 수있는 설정이 있습니다36 X 36mm의 수 단면. 이 설정은 또한 에너지 범위 ~ 7-43 케빈의 하나 단색 인 또는 다색 빔을 이용하여 백색광 모드에서 최대 플럭스와 운영의 옵션이 있습니다. 패키지 내에 이미지 전체 16 × 16mm 시스템을 가지고 실험 단계의 세부 사항은 이하의 3 분의 주사 시간 내에 8.7 ㎛의 전체의 공간 분해능은 시스템의 3D 이미지를 얻기 위해, 여기 제시 하였다. 또한 서로 다른 방향과 높은 해상도의 영상에 대한 단면 패키지로 스캔 한 패키지의 결과를 보이고있는 바와 같다. 대조적으로, 종래의 CT 시스템은 잠재적으로 불량한 해상도로 데이터를 기록하는 시간이 걸릴 것이다. 싱크로트론 방사선 단층 설정을 사용하는 경우 사실 시야 처리량 시간의 비율이 더 높다. 실험 장치의 이하의 설명은 실행 및 기타 여러 재료로 사용되도록 할 수있다.
Introduction
샘플을 특성화 마이크로 전자 공학 분야에서 많은 다른 분야에서와 같이, 마이크로 미터 스케일에서 비파괴 평가가 필요하다. 구체적으로, 마이크로 전자 산업에 대한 3 차원 마이크로 전자 패키지를 프로빙 다단계 및 다중 물질을 함유하고, 열, 전기 및 기계적 구성 요소의 강조 중에 패키지에 고장 식별에 관심이있다. 세계 주위 싱크로트론 방사선 시설 마이크로 전자 패키지의 고장 분석에 사용되는 단층 회절 빔라인을 지정하고있다. 이것의 예로는 원위치 관찰에서 과냉각 주석 이방성 열팽창 및 금속 간 화합물 (IMCS) -6,7- 원위치 관찰에 주석 휘스커 성장 4,5- 메커니즘을 평가하는 일렉트로 1-3에 의한 공극 형성에 묘화된다 응고 및 IMC 형성 8-10, 이방성 기계적 행동과주석의 재결정 및 무연 솔더 (10), 플립 칩 범프의 공극 및 AG-나노 잉크의 소결 (11)의 현장 관측이다. 이러한 연구 모두에있어서, 상기 마이크로 전자 산업의 이해와 구성 요소의 개발을 진행하고있다. 그러나, 이러한 연구의 대부분은 패키지 내의 작은 영역에 집중하고있다. 자세한 내용은 테스트 및 개발을 촉진하기 위해 고해상도 SRμT를 사용하여 전체 크기의 패키지를 특징 짓는에서 수집 할 수있다.
전자 패키지는 현재 생산 상호의 여러 레이어가 포함된다. 이러한 패키지와 장치는 고장 분석, 품질 관리, 신뢰성 위험 평가 및 개발에 관한 비파괴 평가 용 3D 솔루션을 요구하는 더 복잡한 성장하고있다. 일부 결함은 구리 스와 내부에 형성 공극과 균열을 포함 크기가 5 μm의,보다 적은 기능을 검출 할 수있는 기술이 필요위치 및 볼 그리드 어레이 (BGA와)과 C4의 솔더 접합부의 공극을 정량화, 멀티 레벨 패키징 (12)에 비접촉 열고 nonwet 솔더 패드를 식별 인쇄물 처리 비아. 기판 조립 프로세스 동안 결함 이러한 유형의 식별 및 원하지 않는 오류를 방지하기 위해 광범위하게 모니터링해야한다.
또한 탁상라고도 실험실 기반 소스를 사용하여 현재 CT 시스템 ~ 1 ㎛ 공간 해상도로 높은 제공 할 수 있으며, 유망한 결과 다층 패키지의 고장을 분리하는 데 사용되고있다. SRμT의 설정 (13, 14)에 비해 그러나, 탁상 CT 시스템은 몇 가지 제한이 있습니다. 탁상용 시스템은 이들이 일반적으로 하나 또는 두 개의 X-ray 소스 스펙트럼을 가지므로 재료의 일정한 밀도 범위 촬상 제한된다. 또한 관통 넣어 시간 (TPT) 관심 1-2mm 2 지역, 캘리포니아 당 데이터 수집 시간의 몇 시간을 필요로하는 기존의 탁상 CT 시스템을위한 길이 남아있다n은 그 유용성을 제한; 예를 들어 8-12 시간 실리콘 비아 (TSV), 종종 샘플에서 높은 해상도로 관심의 뷰 (FOV) 또는 지역의 여러 필드를 획득 요구의 BGA 또는 C4 관절, 결과를 통해 오류를 분석하는 총 TPT는 인 여러 샘플을 분석해야하는 기존의 탁상 CT 시스템을위한 쇼 스토퍼. 방사광은 관심의 특정 영역에 대해 더 빠른 데이터 획득 시간의 결과 종래의 X 선 소스보다 더 높은 플럭스 및 밝기를 제공한다. SRμT이 몇 군데 샘플 볼륨 할 수있는 물질의 종류에 대해 더 많은 유연성을 허용 않지만, 그것은 싱크로트론 소스 및 사용 설정, 구체적으로 허용 가능한 최대 두께와 표본 크기에 고유 한 한계를 가지고있다. 루게릭에서 SRμT 설정에 묘화 될 수있는 최대 단면적 <36 X 36mm이고 두께가 가능한 에너지 범위와 플럭스에 의해 제한되고, 재료의 인pecific.
이 연구는 SRμT는 3D 반도체 패키지 검사에서 이미지에 사용하기 위해 높은 해상도와 낮은 TPT (3-20 분)와 패키지 (SIP)에서 전체 다단계 시스템을 활용하는 방법을 설명하는 데 사용됩니다. 싱크로 소스 CT의에 탁상 CT의 비교에 대한 자세한 내용은 참고 문헌 (13, 14)에서 찾을 수 있습니다.
실험 개요 및 빔라인은 설명 8.3.2 :
세계 단층 촬영 실험에 사용할 수 싱크로트론 시설이있다; 이러한 기능의 대부분은 실험자 실험뿐 아니라 과학적 영향을 설명하는 제안의 제출을 요구한다. 여기에 설명 된 실험은 모든 빔라인 8.3.2에서 로렌스 버클리 국립 연구소 (LBNL)에서 ALS에서 수행 하였다. 이 빔라인을 위해이 에너지 모드 옵션이 있습니다 : 에너지 범위 ~ 7-43 keV의 2) 다색 "흰색"빛 전체 availa는 단색 1)고밀도 물질을 주사 할 때 BLE 에너지 스펙트럼을 사용한다. X- 선은 샘플을 통과 여기서 빔라인 8.3.2의 전형적인 스캔하는 동안 샘플을 회전 스테이지 상에 장착 된 후, 감쇠 된 X 선은 신틸 레이터를 통해 가시광으로 변환 렌즈에 의해 확대 한 후 투영되고 기록 CCD. 시료가 마이크로 미터의 해상도로 샘플의 3D 뷰를 얻을 재구성 화상 스택의 제조 0 ℃ 내지 180에서 회전하면서 행해진 다. 얻어진 단층 촬영 데이터 집합 크기는 상기 스캔 파라미터에 따라 ~ 3-20 기가 바이트 범위이다. 한 샘플이 스캐닝 송아지의 개략도를 도시한다.
여기에 제시된 다음 프로토콜은 전체 마이크로 전자 패키지를 이미지화하는데 필요한 실험 구성, 데이터 수집 및 처리 단계를 설명하지만, 단계 이미지 샘플의 다양한 변형 될 수있다. 변형 샘플 크기에 의존밀도, 형상, 그리고 기능에 관심. 표 1 및 표 2 본 빔라인 8.3.2에서 사용 가능한 해상도 및 샘플 크기 조합 (ALS, LBNL, 버클리, CA). 여기서 조사 마이크로 일렉트로닉 패키지의 샘플 두께 및 샘플의 성분의 고밀도 때문에 선정 된 다색 ( "백색") 광을 사용하여 영상화 하였다. 샘플 마운트 척을 수평 방향에 따라서 단 하나를 요구 ~ 4mm와 ~ 40mm의 폭의 높이에 평행 빔의 높이에 맞도록 샘플 전체 허용이 방향을 장착했다 전체 샘플을 캡처 스캔합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜 절에 설명 된 모든 단계 멀티 스케일 멀티 재료 샘플의 고해상도 이미지를 얻는데 중요하다. 가장 중요한 단계 중 하나는 샘플이 장착 및 정량화에 사용할 수있는 품질의 이미지를 획득하는 필수적인 광학 포커싱이다. 구체적으로, 시료의 근소한 이동 재구성 된 이미지에서 아티팩트를 야기 해상도 저하를 야기 디 포커싱한다. 이미지 품질 문제를 피하기 위해서 그 다음 샘플을 스캔하?…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품의 LLNL 부분은 계약 DE-AC52-07NA27344에서 로렌스 리버모어 국립 연구소에 의해 미국 에너지 부의 후원하에 수행 하였다. 인텔 공사 저자는 데이터 수집 및 도움이 토론의 일부 인텔에서 Pilin 리우, 리앙 후, 윌리엄 해먼드, 카를로스 Orduno에게 감사의 말씀을 전합니다. 고급 광원은 계약 번호 DE-AC02-05CH11231에서 미국 에너지 부 국장, 과학의 사무실, 기초 에너지 과학 사무소에 의해 지원됩니다.
Materials
| Beamline 8.3.2 | Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA | http://microct.lbl.gov/ |
参考文献
- 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).
