باستخدام السنكروترون الإشعاع مجهري المعنية بالتحقيق في نطاق متعدد الحزم الإلكترونية الدقيقة ثلاثي الأبعاد
Summary
لهذه الدراسة أشعة السنكروترون الصغيرة التصوير المقطعي، وهي تقنية تصوير غير مدمرة ثلاثية الأبعاد، ويعمل على تحقيق حزمة إلكترونية دقيقة كاملة مع مساحة المقطع العرضي من 16 × 16 مم. بسبب تدفق عالية والسنكروترون وسطوع تم تصوير العينة في غضون 3 دقائق مع القرار المكانية 8.7 ميكرون.
Abstract
أشعة السنكروترون الصغيرة التصوير المقطعي (SRμT) هو غير مدمرة ثلاثية الأبعاد تقنية (3D) التصوير التي توفر تدفق عالية لمدة التحصيل السريع للبيانات مع قرار مكانية عالية. في صناعة الإلكترونيات هناك رغبة جادة في إجراء تحليل الفشل على الحزم الالكترونية الدقيقة 3D، وكثير التي تحتوي على مستويات متعددة من الترابط ذات الكثافة السكانية العالية. في كثير من الأحيان في التصوير المقطعي هناك مفاضلة بين دقة وضوح الصورة وحجم عينة التي يمكن تصويرها. هذه العلاقة العكسية يحد من فائدة من الأنظمة التقليدية التصوير المقطعي (CT) منذ حزمة الإلكترونيات الدقيقة غالبا ما تكون كبيرة في مساحة المقطع العرضي 100-3،600 ملم 2، ولكن لديها ميزات هامة على نطاق ميكرون. على خط الأشعة، التصوير المقطعي الصغيرة في المصدر المتقدم الخفيفة (ALS)، في بيركلي، كاليفورنيا الولايات المتحدة الأمريكية، لديها الإعداد وهي قابلة للتكيف، ويمكن أن تكون مصممة لخصائص عينة، أي، الكثافة، سمك، الخ، وبحد أقصى تسمحالمقطع العرضي قادرة من 36 × 36 ملم. ويتميز هذا الإعداد أيضا خيار أن تكون إما أحادية اللون في حدود الطاقة ~ 7-43 كيلو أو تعمل مع تدفق كحد أقصى في وضع الضوء الأبيض باستخدام شعاع متعدد الألوان. المقدمة هنا هي تفاصيل الخطوات التجريبية التي اتخذت لصورة نظام كامل 16 × 16 ملم ضمن حزمة، من أجل الحصول على صور 3D من النظام مع القرار المكانية من 8.7 ميكرون فقط في غضون فترة زمنية المسح أقل من 3 دقائق. كما هو موضح نتائج من حزم الممسوحة ضوئيا في اتجاهات مختلفة ومجموعة مقطوع لدقة أعلى التصوير. في المقابل نظام CT التقليدية من شأنه أن يستغرق ساعات لتسجيل البيانات مع قرار يحتمل أن تكون أكثر فقرا. في الواقع، فإن نسبة من مجال للعرض لآخر الخرج هو أعلى بكثير عند استخدام الإعداد السنكروترون الإشعاع التصوير المقطعي. وصف أدناه من الإعداد التجريبية يمكن تنفيذها وتكييفها للاستخدام مع غيرها من العديد من المواد متعددة.
Introduction
في مجال الالكترونيات الدقيقة، كما هو الحال في العديد من المجالات الأخرى، والتقييم غير المدمرة على الصعيد ميكرومتر ضروري عندما تميز العينات. خصيصا لصناعة الالكترونيات الدقيقة هناك اهتمام في التحقيق في الالكترونيات الدقيقة حزم 3D، تحتوي على مستويات متعددة ومواد متعددة، وتحديد الفشل في حزم خلال الحرارية والكهربائية، والميكانيكية مؤكدا المكونات. في جميع أنحاء العالم السنكروترون عينت مرافق الأشعة المقطعي والحيود beamlines التي تستخدم لتحليل فشل حزم الإلكترونيات الدقيقة. بعض الأمثلة على ذلك والتصوير تشكيل الفراغ الناجم عن electromigration 1-3، وتقييم آليات 4،5 النمو الطولي القصدير، الرصدات في الموقع من undercooling والتمدد الحراري متباين من القصدير والمركبات السبائك (IMCs) 6،7، في مراقبة الموقع من التصلب وتشكيل IMC 10/08، متباين الخواص السلوك الميكانيكي والتبلور من القصدير والرصاص حام خالية 10، فراغات في المطبات رقاقة الوجه، والرصدات في الموقع من حج-nanoink تلبد 11. وجميع هذه الدراسات أكثر تقدما في فهم وتطوير المكونات في صناعة الإلكترونيات الدقيقة. ومع ذلك، فقد ركزت العديد من هذه الدراسات في مناطق صغيرة داخل الحزمة. يمكن استقاها مزيد من المعلومات عن الاختبار وتميز حزمة بالحجم الكامل باستخدام عالية الدقة SRμT من أجل تعزيز تنميتها.
الحزم الإلكترونية التي يتم إنتاجها الآن تحتوي على طبقات متعددة من الرقاقات. هذه الحزم والأجهزة تنمو أكثر وأكثر تعقيدا مما يدعو إلى حل 3D لتقييم غير مدمرة فيما يتعلق بتحليل الفشل، ومراقبة الجودة، وتقييم المخاطر والموثوقية، والتنمية. تتطلب بعض العيوب الاسلوب الذي يمكن الكشف عن ميزات أقل من 5 ميكرون في الحجم، والتي تشمل الفراغات والشقوق تشكيل داخل النحاس سوفيا bstrate، وتحديد عدم الاتصال منصات مفتوحة وnonwet لحام في التعبئة والتغليف متعدد المستويات 12، وتحديد وقياس الفراغات في المصفوفات الكرة شبكة (Bgas اليد) وC4 وصلات اللحام. خلال عملية التجميع الركيزة يجب تحديد هذه الأنواع من العيوب ومراقبتها على نطاق واسع لتجنب الفشل غير المرغوب فيها.
نظم حاليا المقطعية باستخدام مصادر المختبري، المعروف أيضا باسم الطاولة، قادرين على توفير يصل إلى ~ 1 ميكرون القرار المكانية، وتستخدم لعزل فشل في حزم متعددة المستويات مع نتائج واعدة. ومع ذلك، نظم الطاولة CT لها بعض القيود بالمقارنة مع الاجهزة SRμT 13،14. تقتصر أنظمة الطاولة فقط لتصوير مجموعة كثافة معينة من المواد لأنها عادة ما تحتوي فقط أطياف مصدر واحد أو اثنين من الأشعة السينية. أيضا من خلال-وضع الوقت (تي بي تي) لا يزال طويلا لأنظمة الطاولة CT التقليدية التي تتطلب عدة ساعات من وقت الحصول على البيانات في 1-2 ملم 2 المنطقة من اهتمام، والتي كاليفورنيان تحد من فائدته. على سبيل المثال، تحليل الفشل في خلال فيا السيليكون (تي اس)، Bgas اليد أو المفاصل C4 غالبا ما تتطلب الحصول على الميدان المتعدد المشاهدات (فوف) أو المناطق ذات الاهتمام بدقة عالية داخل العينة، مما أدى إلى مجموع TPT من 8-12 ساعة، وهو سدادة عرض لأنظمة CT الطاولة التقليدية عندما يجب أن تحلل عينات متعددة. يوفر أشعة السنكروترون أعلى بكثير تدفق وسطوع من مصادر الأشعة السينية التقليدية، مما أدى إلى أسرع بكثير مرات الحصول على البيانات لمنطقة معينة من الفائدة. على الرغم من أن SRμT لا تسمح لمزيد من المرونة فيما يتعلق أنواع من المواد التي يمكن تصويرها وحجم العينة، فإن لديها قيود، والتي هي محددة لمصدر السنكروترون والإعداد المستخدم، والحد الأقصى تحديدا سمك مقبول وحجم العينة. لإعداد SRμT في ALS المساحة القصوى مستعرضة التي يمكن تصويرها هي <36 × 36 ملم وسماكة تقتصر من قبل مجموعة الطاقة وتدفقها المتاحة وهي الصورة الماديةpecific.
وتستخدم هذه الدراسة إلى إظهار كيف يمكن الاستفادة SRμT إلى صورة نظام متعدد المستويات كامل في حزمة (SIP) مع دقة عالية ومنخفضة تي بي تي (3-20 دقيقة) لاستخدامها في فحص حزم أشباه الموصلات 3D. مزيد من التفاصيل حول مقارنة الطاولة CT لالسنكروترون المصدر CT ويمكن الاطلاع في المراجع 13،14.
التجريبية نظرة عامة وخط الأشعة 8.3.2 الوصف:
وهناك مرافق السنكروترون المتاحة للتجارب التصوير المقطعي في جميع أنحاء العالم. معظم هذه المنشآت يتطلب تقديم مقترح حيث يصف التجريبي التجربة، فضلا عن تأثير العلمي. وصف التجارب هنا أجريت في كل من المرض في مختبر لورنس بيركلي الوطني (LBNL) في خط الأشعة 8.3.2. لهذا خط الأشعة هناك خياران وضع الطاقة: 1) أحادية اللون في حدود الطاقة ~ 7-43 كيلو أو 2) متعدد الألوان "الأبيض" الضوء فيها عن توافر كامليستخدم الطيف الطاقة بلي عند مسح المواد عالية الكثافة. أثناء الفحص نموذجية في خط الأشعة 8.3.2 هي التي شنت على العينة على مرحلة التناوب حيث الأشعة السينية تخترق العينة، ثم يتم تحويل الأشعة السينية الموهنة في الضوء المرئي من خلال ماض، تضخيم بواسطة عدسة، ومن ثم إسقاطها على CCD للتسجيل. يتم ذلك بينما تدور العينة 0-180 درجة إنتاج كومة من الصور التي هي أعيد بناؤها للحصول على عرض 3D من العينة مع قرار ميكرومتر. ويتراوح الناتج الشعاعي الطبقي حجم بيانات من ~ 3-20 جيجابايت اعتمادا على المعلمات المسح الضوئي. ويبين الشكل 1 تخطيطي من القفص حيث يتم فحص العينة.
بروتوكول التالية المعروضة هنا يصف الإعداد التجريبية، والحصول على البيانات، والخطوات اللازمة لمعالجة التصوير حزمة إلكترونية دقيقة كاملة، ولكن الخطوات التي يمكن تعديلها لصورة مجموعة متنوعة من العينات. تعتمد التعديلات على حجم العينة،الكثافة، وهندستها، والميزات المثيرة للاهتمام. الجدولين 1 و 2 الحاضر القرار وعينة مجموعات حجم المتاحة في خط الأشعة 8.3.2 (ALS، LBNL، بيركلي، كاليفورنيا). لحزمة الإلكترونيات الدقيقة التحقيق هنا تم تصوير العينة باستخدام متعدد الألوان ( "الأبيض") شعاع، الذي تم اختياره نظرا لسماكة وذات الكثافة العالية من مكونات العينة. تم تحميل العينة في اتجاه أفقي على تشاك جبل، هذا التوجه يسمح للعينة كلها لتناسب داخل ارتفاع شعاع، وهو بالتوازي مع ارتفاع ~ 4 ملم وعرض ~ 40 ملم، وبالتالي تتطلب واحد فقط مسح لالتقاط العينة بأكملها.
Protocol
Representative Results
Discussion
كافة الخطوات الموضحة في قسم البروتوكول حاسمة الحصول على صور عالية الدقة من عينات متعددة النطاق ومتعددة المواد. واحدة من الخطوات الأكثر أهمية هو عينة تصاعد وتركز البصريات، والتي تعتبر حيوية لحصول على صور عالية الجودة والتي يمكن استخدامها لتقدير. على وجه التحديد، فإن…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تنفيذ جزء LLNL هذا العمل تحت رعاية وزارة الطاقة في الولايات المتحدة من قبل المختبر الوطني لورانس ليفرمور تحت عقد DE-AC52-07NA27344. فإن الكتاب شركة إنتل أود أن أشكر بايلين ليو يانغ هو جين تاو، ويليام هاموند، وكارلوس Orduno من شركة إنتل لبعض من جمع البيانات ومناقشات مفيدة. ويدعم مصدر الضوء المتقدم من قبل مدير مكتب العلوم ومكتب للعلوم الأساسية للطاقة، من وزارة الطاقة في الولايات المتحدة بموجب العقد رقم DE-AC02-05CH11231.
Materials
| Beamline 8.3.2 | Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA | http://microct.lbl.gov/ |
References
- 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).
