Met behulp van Synchrotron Radiation Microtomografie Multi-scale Driedimensionale Microelectronic pakketten Onderzoek
Summary
Voor deze studie synchrotronstraling micro-tomografie, een niet-destructieve driedimensionale beeldvormende techniek wordt gebruikt om een volledige micro-elektronische verpakking met een doorsnede van 16 x 16 mm onderzocht. Vanwege de hoge flux en de helderheid van het synchrotron van het monster werd in beeld gebracht in slechts 3 minuten met een 8,7 micrometer ruimtelijke resolutie.
Abstract
Synchrotronstraling micro-tomografie (SRμT) een niet-destructieve driedimensionale (3D) beeldvormende techniek die hoge flux biedt voor snelle data acquisitie malen met hoge ruimtelijke resolutie. In de elektronica-industrie is er serieuze belangstelling voor het uitvoeren van het falen analyse van 3D micro-elektronische pakketten, velen die meerdere niveaus van high-density interconnecties bevatten. Vaak in tomografie is er een wisselwerking tussen beeldresolutie en het volume van het monster kan worden afgebeeld. Deze omgekeerde relatie beperkt de bruikbaarheid van conventionele computertomografie (CT) systemen omdat een micro pakket meestal grote in dwarsdoorsnede 100-3,600 2 mm, maar heeft belangrijke functies op de micronschaal. De micro-tomografie bundellijn bij de Advanced Light Source (ALS), in Berkeley, Californië USA, heeft een opstelling die flexibel en kunnen worden aangepast aan de eigenschappen van een monster, dat wil zeggen, dichtheid, dikte, enz., Met een maximum toestaanstaat dwarsdoorsnede van 36 x 36 mm. Deze instelling heeft ook de mogelijkheid om hetzij monochromatische in het energiegebied ~ 7-43 keV of werken met een maximale flux in wit licht-modus met behulp van een polychromatische bundel. hier gepresenteerde zijn details van de experimentele maatregelen genomen om het een hele 16 x 16 mm-systeem binnen een pakket, om 3D-beelden van het systeem met een ruimtelijke resolutie van 8,7 micrometer allemaal binnen een cyclustijd van minder dan 3 minuten te verkrijgen. Ook getoond zijn de resultaten van pakketten gescand in verschillende oriëntaties en een deelbaar pakket voor hogere resolutie beeldvorming. Daarentegen zou een conventioneel CT-systeem uren duren om data op te nemen met potentieel slechtere resolutie. Inderdaad, de verhouding van beeldveld te doorlooptijd is veel hoger bij gebruik van synchrotronstraling tomografie opstart. De onderstaande beschrijving van de experimentele opstelling kan worden toegepast en aangepast voor gebruik met vele andere multi-materialen.
Introduction
Op het gebied micro-elektronica, zoals in vele andere gebieden, niet-destructieve evaluatie op microscopische schaal is nodig bij het karakteriseren van monsters. Specifiek voor de micro-elektronica industrie is er belangstelling probing 3D micro pakketten met meerdere niveaus en multi-materialen, en het identificeren fouten in pakketten tijdens thermische, elektrische en mechanische belasting van componenten. Over de hele wereld synchrotronstraling faciliteiten tomografie en diffractie beamlines die worden gebruikt voor niet-analyse van micro-elektronische pakketten hebben aangewezen. Voorbeelden hiervan zijn afbeelden holtevorming veroorzaakt door elektromigratie 1-3, evalueren mechanismen voor tin whisker groei 4,5, in situ observaties van onderkoeling en anisotrope thermische expansie van tin en intermetallische verbindingen (IMC) 6,7, in situ observatie van stolling en IMC vorming 8-10, anisotrope mechanisch gedrag enherkristallisatie van tin en loodvrije soldeer 10, holten in flip chip hobbels, en in situ waarnemingen van Ag-nanoink sinteren 11. Al deze studies zijn verder gevorderd het begrip en de ontwikkeling van componenten in de micro-elektronische industrie. Veel van deze studies zijn gericht op kleine gebieden in de verpakking. Meer informatie kan worden afgeleid uit testen en karakteriseren de volledige grootte pakket met behulp van hoge resolutie SRμT om hun verdere ontwikkeling.
De elektronische pakketten die nu worden geproduceerd bevatten meerdere lagen van interconnects. Deze pakketten en apparaten worden steeds meer en meer complex, dat vraagt om een 3D-oplossing voor niet-destructieve evaluatie met betrekking tot niet-analyse, kwaliteitscontrole, betrouwbaarheid risicobeoordeling, en ontwikkeling. Bepaalde afwijkingen vereisen een techniek die functies kunnen detecteren kleiner dan 5 urn in grootte, waarbij lege ruimten en scheurvorming in koper omvatten substrate via's, het identificeren van non-contact open en nonwet soldeer pads in multilevel verpakking 12, het opsporen en kwantificeren van holtes in ball grid arrays (BGA's) en C4 soldeerverbindingen. Tijdens het substraat assemblageproces dit soort gebreken moeten worden geïdentificeerd en uitvoerig gecontroleerd om ongewenste storingen te voorkomen.
Huidige CT systemen met laboratorium gebaseerde bronnen, ook bekend als tafelblad, kunnen oplopen tot ~ 1 micrometer ruimtelijke resolutie te verschaffen en wordt gebruikt om de fouten in multilevel verpakkingen met veelbelovende resultaten isoleren. Echter, tafelblad CT-systemen hebben een aantal beperkingen in vergelijking met SRμT setups 13,14. Tafelblad systemen zijn beperkt tot het afbeelden van een bepaalde dichtheid reeks materialen omdat ze meestal slechts één of twee röntgenbron spectra bevatten. Ook through-put-tijd (TPT) blijft lang voor conventionele tabletop CT-systemen die een aantal uren van data-acquisitie tijd per 1-2 mm 2 regio van belang, waarvan can beperking van het nut ervan; bijvoorbeeld, het analyseren van storingen in Through Silicon Vias (TSV), BGAs of C4 gewrichten vereisen vaak het verwerven van meerdere Field of Views (FOV) of regio's van belang met een hoge resolutie in het monster, wat resulteert in totaal TPT van 8-12 uur, dat is een show stopper voor conventionele tabletop CT-systemen bij meerdere monsters moeten worden geanalyseerd. Synchrotronstraling biedt veel hogere flux en helderheid dan conventionele röntgen bronnen, waardoor veel snellere data acquisitie keer voor een bepaald gebied van belang. Hoewel SRμT heeft zorgen voor meer flexibiliteit met betrekking tot de soorten materialen die kunnen worden afgebeeld en monstervolume, het heeft wel beperkingen, die specifiek zijn voor de synchrotron bron en configuratie gebruikt, in het bijzonder maximaal aanvaardbare dikte en steekproefomvang zijn. Voor de SRμT setup op ALS de maximale dwarsdoorsnedegebied welke afgebeeld is <36 x 36 mm en de dikte is beperkt door het energiebereik flux beschikbare materiaal en is sPECIFIEKE.
Dit onderzoek wordt gebruikt om aan te tonen hoe SRμT kan worden gebruikt om een volledig beeld meerlagig systeem pakket (SIP) met hoge resolutie en lage TPT (3-20 min) voor gebruik bij het inspecteren 3D halfgeleidermateriaal. Meer details over het vergelijken van tafelblad CT om Synchrotron Source CT is te vinden in de referenties 13,14.
Experimental Overzicht & Beamline 8.3.2 Beschrijving:
Er zijn synchrotron faciliteiten beschikbaar voor tomografie experimenten over de hele wereld; de meeste van deze faciliteiten overleggen van een voorstel waar de experimentator beschrijft experiment, evenals de wetenschappelijke impact. De hier beschreven experimenten werden al uitgevoerd op de ALS in het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) bij bundellijn 8.3.2. Voor deze bundellijn zijn er twee energie-modus opties: 1) monochromatische in het energiegebied ~ 7-43 keV of 2) polychroom "wit" licht waar het volledige available energie spectrum wordt gebruikt bij het scannen van een hoge dichtheid materialen. Tijdens een kenmerkende scan bundellijn 8.3.2 een monster op een roterende podium gemonteerd met x-stralen dringen het monster, dan is de verzwakte röntgenstralen worden omgezet in zichtbaar licht door een scintillator, vergroot met een lens en vervolgens geprojecteerd op een CCD voor opname. Dit wordt gedaan terwijl het monster roteert van 0 tot 180 ° produceren van een stapel van beelden die gereconstrueerd is een 3D weergave van het monster met micrometerresolutie verkrijgen. De verkregen tomografische dataset grootte varieert van 3-20 Gb ~ afhankelijk van de scanparameters. Figuur 1 toont een schema van het hok waar het monster wordt afgetast.
Het volgende protocol beschrijft de hier gepresenteerde experimentele opstelling, data acquisitie en bewerkingsstappen nodig zijn voor het afbeelden van een hele micro pakket, maar de stappen kunnen worden aangepast om de afbeelding verschillende monsters. De wijzigingen zijn afhankelijk van de steekproefomvang,dichtheid, geometrieën, en de kenmerken van belang. tabellen 1 en 2 worden de resolutie en steekproefgrootte combinaties verkrijgbaar bij bundellijn 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Voor de micro-elektronische verpakking hier onderzocht werd het monster afgebeeld met een polychromatische ( "witte") balk, die is gekozen vanwege de dikte en de hoge dichtheid van de componenten van het monster. Het monster werd aangebracht in de horizontale richting op een klem monteren deze oriëntatie termijn voor het gehele monster in de hoogte van de bundel, die parallel met een hoogte van ongeveer 4 mm en breedte van ~ 40 mm past dus alleen nog moet één scannen naar het gehele monster te vangen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Alle in de sectie protocol beschreven stappen zijn cruciaal voor het verkrijgen van een hoge-resolutie foto's van multi-scale en multi-materiaal monsters. Een van de meest kritische stappen is het monster de montage en de focussering van optica, die van vitaal belang verkrijgen kwaliteitsbeelden die kunnen worden gebruikt voor kwantificatie. In het bijzonder, zou zelfs de kleinste beweging van het monster artefacten veroorzaken in de gereconstrueerde afbeelding en onscherp zou verslechtering veroorzaken in de resolu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De LLNL deel van dit werk werd uitgevoerd onder auspiciën van het Amerikaanse ministerie van Energie door Lawrence Livermore National Laboratory onder contract DE-AC52-07NA27344. De Intel Corporation auteurs willen graag bedanken Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, en Carlos Orduno van Intel Corporation voor een deel van de verzameling van gegevens en behulpzaam discussies. De Advanced Light Source wordt ondersteund door de directeur, Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences, het Amerikaanse ministerie van Energie onder contract No. 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).
