概要

С использованием синхротронного излучения микротомография Расследования многомасштабном Трехмерные Микроэлектронные пакеты

Published: April 13, 2016
doi:

概要

Для этого исследования синхротронного излучения микро-томографии, неразрушающий трехмерной метод визуализации, используется для исследования весь микроэлектронной пакет с площадью поперечного сечения 16 х 16 мм. Из-за большого потока синхротронное и яркости образца было получено всего 3 мин с пространственным разрешением 8,7 мкм.

Abstract

Синхротронное излучение микро-томография (SRμT) является неразрушающим трехмерная техника (3D) визуализации, которая предлагает высокий поток для быстрого времени сбора данных с высоким пространственным разрешением. В электронной промышленности существует серьезный интерес при проведении анализа отказов на 3D-пакетов, многие микроэлектронные, которые содержат несколько уровней межсоединений высокой плотности. Часто в томографии существует компромисс между разрешением изображения и объема образца, который может быть изображаемого. Эта обратная связь ограничивает полезность традиционной компьютерной томографии (КТ) системы так как микроэлектронные пакет часто большой в площади поперечного 100-3,600 мм 2 сечения, но имеет важные особенности по шкале микрона. Микро-томография пучкового на дополнительный источник света (ALS), в Беркли, Калифорния , США, имеет установку , которая является гибкой и может быть адаптирована к свойствам образца, то есть, плотности, толщины и т.д., с максимумом позволяютв состоянии сечение 36 х 36 мм. Эта установка также имеет возможность быть либо монохромные в диапазоне энергий ~ 7-43 кэВ или работают с максимальным потоком в режиме белого света с использованием полихроматического луча. На графике представлены детали эксперимента шагах по изображению целую систему 16 х 16 мм, в упаковке, с тем чтобы получить 3D изображения системы с пространственным разрешением 8,7 мкм все в пределах времени сканирования менее чем на 3 мин. Также показаны результаты пакетов сканированных в различных ориентациях и секционного пакета для более высокого разрешения изображений. В отличие от обычной системы КТ может занять несколько часов, чтобы записать данные с потенциально худшим разрешением. Действительно, отношение поля зрения из- к пропускной способности времени намного выше, при использовании установки синхротронного излучения томографа. Ниже приведено описание экспериментальной установки могут быть реализованы и адаптированы для использования со многими другими мульти-материалов.

Introduction

В области микроэлектроники, как и во многих других областях, неразрушающий оценка в масштабе микрометра необходимо при характеристике образцов. Специально для микроэлектронной промышленности есть интерес к зондировании 3D пакеты микроэлектроника, содержащие мульти-уровней и мульти-материалов, а также выявления сбоев в пакетах во время тепловых, электрических и механических компонентов подчеркивание. По всему миру синхротронное излучение объектов обозначили томографию и дифракционные beamlines, которые используются для анализа отказов микроэлектронных пакетов. Некоторые примеры этого визуализации образование пустот , вызванных электромиграции 1-3, оценки механизмов роста 4,5 олова усов, в точке наблюдений переохлаждением и анизотропной теплового расширения олова и интерметаллидов (IMCS) 6,7, наблюдения на месте их залегания в затвердевание и IMC образование 8-10, анизотропная механическое поведение ирекристаллизации олова и свинца припои 10, пустоты в флип – чип ударов, а также на места наблюдений Ag-nanoink спекания 11 в. Все эти исследования еще более продвинули понимание и развитие компонентов в микроэлектронной промышленности. Тем не менее, многие из этих исследований были сосредоточены на малых областях в пакете. Более подробную информацию можно почерпнуть из тестирования и характеризации пакет полный размер с использованием высокого разрешения SRμT с целью дальнейшего их развития.

Электронные пакеты производятся в настоящее время содержат несколько слоев межсоединений. Эти пакеты и устройства становятся все более и более сложными, которая требует 3D-решения для неразрушающего контроля в отношении анализа отказов, контроля качества, оценки рисков надежности и развития. Некоторые дефекты требуют техники, которая может обнаружить признаки менее 5 мкм, которые включают в себя пустоты и трещины, образующие внутри меди суbstrate ВЬЯС, идентифицирующие бесконтактные открытым и nonwet ламели в многоуровневом упаковке 12, обнаружения и количественной оценки пустот в шаровой сетки массивов (BGAs) и C4 паяных соединений. В процессе сборки подложки эти типы дефектов, должны быть идентифицированы и мониторинг широко, чтобы избежать нежелательных сбоев.

В настоящее время КТ систем с использованием лабораторных на основе источников, также известный как столешницу, способны обеспечить достигать ~ пространственным разрешением 1 мкм, и используются для изоляции сбоев в многоуровневые пакеты с многообещающими результатами. Тем не менее, настольный КТ системы имеют некоторые ограничения по сравнению с установками SRμT 13,14. Системы штабные ограничиваются только визуализации определенный диапазон плотности материалов, так как они, как правило, содержат только исходные спектры одного или двух рентгеновских лучей. Также через-Пут-времени (ТРТ) остается много времени для обычных систем КТ столешница , когда требуется несколько часов времени сбора данных на 1-2 мм 2 области , представляющей интерес, который сап ограничивают его полезность; например, анализируя неудачи через Silicon Vias (TSV), BGAs или С4 суставов часто требуют, приобретающих Разноплановость просмотров (FOV) или регионах, представляющих интерес с высоким разрешением в образце, в результате чего в общей сложности TPT 8-12 часов, что показать пробкой для обычных систем КТ столешницей, когда несколько образцов должны быть проанализированы. Синхротронное излучение обеспечивает гораздо более высокий поток и яркость, чем обычные источники рентгеновского излучения, в результате чего значительно более быстрое время сбора данных для данной области, представляющей интерес. Хотя SRμT действительно позволяет более гибко по отношению к типам материалов, которые могут быть изображаемых и объему образца, у него есть ограничения, которые являются специфическими для источника синхротронного и установки, используемой, в частности, максимально допустимой толщины и размера выборки. Для установки SRμT в АЛС максимальная площадь поперечного сечения, которые могут быть отображены в <36 х 36 мм, а толщина ограничена диапазоном энергии и потока доступным и материал specific.

Это исследование используется для демонстрации того, как SRμT могут быть использованы для изображения всей системы многоуровневого в пакете (SIP) с высоким разрешением и низким ТРТ (3-20 мин) для использования в 3D проверки полупроводниковых пакетов. Более подробная информация о сравнении столешница трансформаторов тока для источника синхротронного трансформаторов тока можно найти в ссылках 13,14.

Экспериментальный Обзор и пучкового 8.3.2 Описание:
Есть синхротронного объектов, доступных для томографических экспериментов по всему миру; большинство из этих объектов требует представления предложения, где экспериментатор описывает эксперимент, а также его научное влияние. Эксперименты, описанные здесь, были выполнены на СЛА в Национальной лаборатории Лоренса Беркли (LBNL) на пучкового 8.3.2. Для этого пучкового есть два варианта режима энергосбережения: 1) монохромные в диапазоне энергий ~ 7-43 кэВ или 2) полихроматическая "белого" света, где весь availaBLE энергетический спектр используется при сканировании материалов с высокой плотностью. Во время обычной проверки на пучкового 8.3.2 образец монтируют на стадии вращения, где рентгеновские лучи проникают через образец, а затем ослабленные рентгеновские лучи преобразуются в видимый свет с помощью сцинтиллятора, увеличенный линзой, а затем проецируется на CCD для записи. Это делается в то время как образец вращается от 0 до 180 ° производя стопку изображений , которые реконструируется , чтобы получить 3D вид образца с разрешением микрометра. Полученный в результате томографической размер набора данных находится в диапазоне от ~ 3-20 Гб в зависимости от параметров сканирования. На рисунке 1 показана схема клетку , где сканируют образец.

Следующий протокол, представленный здесь описывает экспериментальную установку, сбор данных и этапы обработки, которое требуется для получения изображения весь микроэлектронной пакет, но шаги могут быть модифицированы для отображения ряда образцов. Изменения зависят от размера выборки,плотность, геометрические формы, а также особенности интерес. В таблицах 1 и 2 представлены комбинации размера и разрешения образца можно получить в пучкового 8.3.2 (ALS, LBNL, Беркли, Калифорния). Для микроэлектронной пакета исследуемого здесь образец визуализируют с помощью полихроматического ( "белые") луч, который был выбран из-за толщины и высокой плотности компонентов образца. Образец был установлен в горизонтальной ориентации на патроне гору, эту ориентацию, разрешенный для всей выборки, чтобы соответствовать в пределах высоты балки, которая параллельно с высотой ~ 4 мм и шириной ~ 40 мм, поэтому требующих только один сканирования, чтобы захватить весь образец.

Protocol

Примечание: детали протокола, описанные ниже, были написаны специально для работы на пучкового 8.3.2 на АЛС, Беркли, штат Калифорния Адаптации могут потребоваться для работы на других объектах синхротронного, которые можно найти по всему миру. Соответствующая безопасность и радиационная подготовк?…

Representative Results

Изображения, захваченные с помощью компьютерной томографии происходит из-за дифференциального поглощения рентгеновских лучей в припое межсоединений, металлических следов, а также других материалов, в микроэлектронной упаковке в зависимости от различной длины затухания и толщины эт…

Discussion

Все шаги, описанные в разделе протокола имеют решающее значение для получения изображений с высоким разрешением многомасштабных и мульти-материальных образцов. Одним из наиболее важных шагов является образцом монтажа и фокусировкой оптики, которые жизненно необходимы для получения …

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Часть ЛЛНЛ этой работы была проведена под эгидой Министерства энергетики США по Ливерморской национальной лаборатории по контракту DE-AC52-07NA27344. Авторы корпорации Intel хотели бы поблагодарить пилинов Лю, Лян Ху, Уильям Хэммонд, и Карлос Orduno от корпорации Intel для некоторых из сбора данных и полезные обсуждения. Advanced Источник света поддерживается Директором Управления науки, Управление основной энергии наук, Департамента энергетики США по контракту № DE-AC02-05CH11231.

Materials

Beamline 8.3.2 Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA http://microct.lbl.gov/

参考文献

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Zhou, B., et al. In Situ Synchrotron Characterization of Melting, Dissolution, and Resolidification in Lead-Free Solders. J. Electron. Mater. 41, 262-272 (2012).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Elmer, J., et al. Synchrotron Radiation Microtomography for Large Area 3D Imaging of Multilevel Microelectronic Packages. J. Electron. Mater. 43, 4421-4427 (2014).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Kinney, J. H., Nichols, M. C. X-Ray Tomographic Microscopy (XTM) Using Synchrotron Radiation. Annu. Rev. Mater. Sci. 22, 121-152 (1992).

Play Video

記事を引用
Carlton, H. D., Elmer, J. W., Li, Y., Pacheco, M., Goyal, D., Parkinson, D. Y., MacDowell, A. A. Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages. J. Vis. Exp. (110), e53683, doi:10.3791/53683 (2016).

View Video