שימוש Synchrotron קרינה Microtomography לחקור חבילות מיקרו-אלקטרוניים תלת ממדי רב היקף
Summary
לקבלה-טומוגרפיה מיקרו קרינת synchrotron במחקר זה, טכניקת הדמיה תלת ממדים שאינם הרסנית, מועסק לחקור חבילת המיקרואלקטרוניקה כולו עם שטח חתך של 16 x 16 מ"מ. בשל השטף והבהירות הגבוהים של סינכרוטרון המדגם היה צלם רק 3 דקות עם ברזולוציית 8.7 מיקרומטר מרחבית.
Abstract
קרינת Synchrotron-טומוגרפיה מיקרו (SRμT) הוא טכניקת הדמיה שאינה הרסנית תלת ממדי (3D), אשר מציעה שטף גבוה לזמני רכישת נתונים מהירים עם רזולוציה מרחבית גבוהה. בענף האלקטרוניקה יש עניין רציני בביצוע ניתוח הכישלון על חבילות מיקרו-אלקטרוניים 3D, רבים אשר מכילים מספר רמות של הקשרים בצפיפות גבוהה. לעתים קרובות בטומוגרפיה קיימת תחלופה בין רזולוציית התמונה ואת היקף מדגם כי ניתן הדמיה. יחס הפוך זה מגביל את השימושיות של טומוגרפיה ממוחשבת קונבנציונליות מערכות (CT) מאז חבילת המיקרואלקטרוניקה גדולה לעתים קרובות באזור חתך 100-3,600 מ"מ 2, אבל יש תכונות חשובות על מיקרון הסולם. Beamline מיקרו-טומוגרפיה על מקור האור המתקדם (ALS), בברקלי, קליפורניה ארה"ב, יש התקנה אשר ניתנת להתאמה והוא יכול להיות מותאם על נכסי מדגם, כלומר, צפיפות, עובי, וכו ', עם מקסימום לאפשרחתך מסוגל של 36 x 36 מ"מ. התקנה זו יש גם את האפשרות של להיות או מונוכרומטי בטווח האנרגיה ~ 7-43 keV או הפעלה עם שטף מרבי במצב אור הלבן באמצעות קרן צבעונית. פרטים מתפרסמים כאן מהצעדים הניסיונות נלקחו כדי לקלוט תמונה של מערכת 16 מ"מ 16 x כולו בתוך חבילה, כדי להשיג תמונות 3D של המערכת עם רזולוציה מרחבית של 8.7 מיקרומטר והכל בתוך זמן סריקה של פחות מ -3 דקות. מוצגים גם הן תוצאות מחבילות שנסרקו נטיות שונות וחבילת מחולק הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר. בניגוד מערכת CT קונבנציונלית תידרש שעות כדי להקליט נתונים עם רזולוציה עניה בפוטנציה. ואכן, היחס בין השדה של נוף לעת תפוקה גבוה בהרבה אם באמצעות הגדרת טומוגרפיה קרינה synchrotron. התיאור שלהלן של הגדרת הניסוי ניתן ליישם ומותאם לשימוש עם הרבה חומרים אחרים רבים.
Introduction
בתחום המיקרואלקטרוניקה, כמו בתחומים רבים אחרים, הערכה בלתי הרסנית בקנה מידת מיקרומטר נחוצה כאשר מאפיינת דגימות. במיוחד עבור תעשיית המיקרואלקטרוניקה יש עניין חיטוט חבילות המיקרואלקטרוניקה 3D, המכילים רמות רבות-חומרים רבים, וזיהוי כשלי חבילות במהלך תרמית, חשמל, מכאני והדגישה של רכיבים. מסביב סינכרוטרון בעולם מתקני קרינה ייעדו beamlines טומוגרפיה עקיפה המשמשים ניתוח הכישלון של חבילות מיקרו-אלקטרוניים. דוגמאות לכך הן הדמית היווצרות חלל נגרמת על ידי חשמלי 1-3, הערכת מנגנוני 4,5 צמיחת פח זיף, בתצפיות באתרו של undercooling התפשטות תרמית איזוטרופי פח ותרכובות intermetallic (IMCs) 6,7, בהתבוננות באתרו של התמצקות IMC היווצרות 8-10, התנהגות מכנית אניסוטרופי וrecrystallization של בדיל ועופרת הלחמות חינם 10, חללים בליטות שבב להעיף, ובשנת תצפיות באתרו של sintering Ag-NanoInk 11. כל המחקרים הללו קידמו עוד יותר את ההבנה ופיתוח של רכיבים בענף מיקרו-אלקטרוניים. עם זאת, רבים מהמחקרים האלה התמקדו אזורים קטנים בתוך החבילה. מידע נוסף ניתן שלוקטו בדיקות ואפיון החבילה בגודל מלא באמצעות SRμT ברזולוציה גבוהה על מנת לקדם את התפתחותם.
החבילות האלקטרוניות שתופקנה עכשיו מכילות מספר שכבות של חיבורים. חבילות אלה והתקנים גדלים יותר ויותר מורכב הקוראת פתרון 3D להערכה שאינה הרסנית לגבי ניתוח כישלון, בקרת איכות, הערכת סיכונים אמינים, ופיתוח. פגמים מסוימים דורשים טכניקה שיכולה לזהות תכונות פחות מ -5 מיקרומטר בגודל, הכוללים חללים וסדקים להרכיב בתוך נחושת suVIAS bstrate, זיהוי רפידות הלחמה ללא מגע פתוח nonwet באריזה מדורגת 12, איתור וכימות חללים במערכים לרשת כדור (BGAs) והמפרקים הלחמה C4. במהלך תהליך הרכבת מצע סוגים אלה של ליקויים חייבים להיות מזוהים פיקוח נרחב על מנת למנוע כשלים רצויים.
כיום מערכות CT באמצעות מקורות מבוססי מעבדה, הידוע גם בשם שולחן, מסוגלות לספק גבוה ככל ~ 1 מיקרומטר ברזולוציה מרחבית, ו נמצאות בשימוש על מנת לבודד כשלי חבילות מדורגות עם תוצאות מבטיחות. עם זאת, מערכות השולחן CT יש מספר מגבלות בהשוואה setups SRμT 13,14. מערכות שולחן מוגבלות הדמיה רק טווח צפיפות מסוים של חומרים שכן הם בדרך כלל מכילים רק ספקטרום מקור אחד או שניים רנטגן. כמו כן דרך-לשים פעמי (TPT) נותר ארוכה למערכות קונבנציונליות שולחן CT הדורש כמה שעות של זמן רכישת נתונים לכל 1-2 מ"מ 2 אזור של אינטרס, אשר can להגביל את השימושיות שלה; למשל, כשלים בניתוח דרך פיאז הסיליקון (TSV), BGAs או המפרקים C4 לעתים קרובות דורשים רכישת שדה מרובה של צפיות (FoV) או אזורים של עניין ברזולוציה גבוהה בתוך המדגם, וכתוצאה מכך TPT הכולל של 8-12 שעות, שהוא פקק להראות למערכות CT שולחן קונבנציונליות כאשר דגימות מרובות צריכות להיות מנותחות. קרינת Synchrotron מספקת הרבה יותר גבוה שטף ובהיר יותר מאשר מקורות רנטגן קונבנציונליים, וכתוצאה מכך הרבה פעמי רכישת נתונים מהירות יותר עבור אזור נתון של עניין. למרות SRμT אין לאפשר גמישות רבה יותר לעניין סוגים של חומרים שניתן צילמו נפח דגימה, אך יש לה מגבלות, שהן ספציפיות למקור סינכרוטרונית ההתקנה בשימוש, עובי מרבי מקובל וגודל מדגם ספציפי. עבור התקנת SRμT בבית ALS באזור החתך המקסימאלי שניתן צלם הוא <36 x 36 מ"מ העובי מוגבל על ידי מגוון אנרגית השטף הזמין והוא s חומרpecific.
מחקר זה משמש כדי להדגים כיצד SRμT יכול להיות מנוצל כדי לקלוט תמונה של מערכת מרובת רמות כולו בחבילה (SIP) עם רזולוציה גבוהה TPT נמוך (3-20 דקות) לשימוש בודק חבילות מוליכים למחצה 3D. עוד פרטים על השוואת השולחן CT של עד של מקור Synchrotron CT ניתן למצוא אזכור 13,14.
ניסיוני סקירה & beamline 8.3.2 תיאור:
ישנם מתקנים סינכרוטרון זמין עבור ניסויים טומוגרפיה ברחבי העולם; רוב המתקנים האלה מחייבים הגשת הצעה שבה בניסויים מתארים את הניסוי, כמו גם ההשפעה המדעית שלה. הניסויים שתוארו כאן כל בוצעו על ALS ב המעבדה הלאומית לורנס ברקלי (LBNL) ב beamline 8.3.2. עבור beamline זה קיימות שתי אפשרויות במצב האנרגיה: 1) מונוכרומטי בטווח אנרגיה ~ 7-43 keV או 2) צבעוני "לבן" אור שבו availa כולוספקטרום האנרגיה ble משמש בעת סריקת חומרים צפיפות גבוהה. במהלך סריקה טיפוסית בבית beamline 8.3.2 מדגם רכוב על במת סיבוב שבו רנטגן לחדור המדגם, אז צילומי רנטגן המוחלשים מומרי אור הנראה באמצעות scintillator, מוגדלים על ידי עדשה, ולאחר מכן מוקרן על CCD להקלטה. זאת, תוך מדגם חגת 0 ל 180 מעלות הפקת ערימה של תמונות כי הוא משוחזר שייתן להם תמונת 3D של המדגם עם רזולוצית מיקרומטר. גודל בסיס הנתונים טומוגרפית וכתוצאה מכך נע בין ~ 3-20 ג'יגה בהתאם לפרמטרים הסריקה. איור 1 מציג סכמה של לול שבו מדגם נסרק.
הפרוטוקול הבא המוצג כאן מתאר את הגדרת הניסוי, איסוף נתונים, וצעדי עיבוד נדרש הדמית חבילת מייקרו-אלקטרונית כולו, אך השלבים יכולים להיות שונה כדי תמונה במגוון דוגמאות. השינויים תלוי בגודל המדגם,צפיפות, גיאומטריות, ותכונות של עניין. לוחות 1 ו -2 מציג את שילובי גודל הרזולוציה מדגמים הזמינים ב beamline 8.3.2 (ALS, LBNL, ברקלי, קליפורניה). עבור חבילת מייקרו-האלקטרונית נחקרה כאן המדגם היה צלם באמצעות קרן צבעונית ( "לבנה"), אשר נבחרה בשל עובי הצפיפות גבוהה של הרכיבים של המדגם. המדגם היה רכוב בכיוון אופקי על צ'אק הר, נטייה זו היא שאפשרה את המדגם כדי להתאים את הגובה של הקורה, אשר מקביל עם גובה של כ -4 מ"מ ורוחב של ~ 40 מ"מ, ולכן רק הדורשים אחד לסרוק כדי ללכוד את המדגם כולו.
Protocol
Representative Results
Discussion
כל השלבים מתוארים בסעיף הפרוטוקול הם קריטיים קבלת תמונות ברזולוציה גבוהה של דגימות רב היקף ורב-חומר. אחד השלבים הקריטיים ביותר הוא מדגם הרכבה ואת המיקוד של אופטיקה, שחיוניות לקבלת תמונות באיכות שניתן להשתמש בהם עבור כימות. באופן ספציפי, אפילו תנועה קלה של המדגם היית?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חלק LLNL על עבודה זו בוצע תחת חסותו של משרד האנרגיה האמריקאי על ידי המעבדה הלאומית לורנס ליברמור תחת חוזה DE-AC52-07NA27344. המחברים אינטל רוצים להודות Pilin ליו, ליאנג הו, ויליאם המונד, וקרלוס Orduno מאינטל תאגיד חלק איסוף הנתונים והדיונים מועילים. מקור האור מתקדם נתמך על ידי המנהל, משרד המדע, משרד האנרגיה של יסוד מדעי, של משרד האנרגיה האמריקני תחת חוזה מס '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).
