El uso de la radiación del sincrotrón Microtomografía encargado de investigar multi-escala Paquetes microelectrónicos tridimensionales
Summary
Para este estudio radiación sincrotrón micro-tomografía, una técnica de imágenes no destructivo de tres dimensiones, se emplea para investigar un paquete microelectrónico entero con un área de sección transversal de 16 x 16 mm. Debido al alto flujo y el brillo del sincrotrón la muestra fue fotografiada en sólo 3 minutos con una resolución espacial de 8,7 micras.
Abstract
La radiación sincrotrón micro-tomografía (SRμT) es una técnica no destructiva en tres dimensiones (3D) de imágenes que ofrece un alto flujo de tiempos de adquisición de datos rápida con alta resolución espacial. En la industria electrónica existe un serio interés en la realización de análisis de fallos en los paquetes microelectrónicos 3D, muchos de los cuales contienen múltiples niveles de interconexiones de alta densidad. A menudo, en la tomografía hay un compromiso entre la resolución de la imagen y el volumen de una muestra que se pueden obtener imágenes. Esta relación inversa limita la utilidad de los sistemas convencionales de tomografía computarizada (TC) desde un paquete microelectrónica es a menudo grandes en el área de la sección transversal 100-3,600 mm 2, pero tiene características importantes de la escala del micrón. La línea de luz micro-tomografía en la Advanced Light Source (ALS), en Berkeley, CA, EE.UU., tiene una configuración que es adaptable y se puede adaptar a las propiedades de una muestra, es decir, la densidad, espesor, etc., con un máximo permitanSección transversal capaz de 36 x 36 mm. Esta configuración también tiene la opción de ser o monocromática en el rango de energía ~ 7-43 keV y la operación con flujo máximo en el modo de luz blanca utilizando un haz policromático. Aquí se presentan los detalles de las etapas experimentales adoptadas para imagen completa de un sistema de 16 x 16 mm dentro de un paquete, con el fin de obtener imágenes 3D del sistema con una resolución espacial de 8,7 micras todo dentro de un tiempo de ciclo de menos de 3 min. También se muestran los resultados de los paquetes analizados en diferentes orientaciones y un paquete seccionado para una mayor resolución de imagen. En contraste, un sistema de TC convencional llevaría horas para registrar los datos con la resolución potencialmente más pobre. De hecho, la relación de campo de vista a tiempo de producción es mucho mayor cuando se utiliza la configuración de sincrotrón tomografía radiación. La siguiente descripción de la configuración experimental puede ser implementado y adaptado para su uso con muchos otros múltiples materiales.
Introduction
En el campo de la microelectrónica, como en muchos otros campos, la evaluación no destructiva en la escala del micrómetro es necesario cuando la caracterización de las muestras. Específicamente para la industria de la microelectrónica hay interés en el sondeo paquetes de microelectrónica en 3D, que contiene múltiples niveles y múltiples materiales, y la identificación de fallos en paquetes durante térmica, eléctrica, mecánica y haciendo hincapié en los componentes. En todo el mundo sincrotrón instalaciones de radiación han designado líneas de luz y de tomografía de difracción que se utilizan para el análisis de fallos de paquetes microelectrónicos. Algunos ejemplos de esto son imágenes de la formación vacío causado por electromigración 1-3, evaluando los mecanismos para el crecimiento de la barba 4,5 estaño, las observaciones in situ de subenfriamiento y la expansión térmica anisotrópica de estaño y compuestos intermetálicos (IMC) 6,7, la observación in situ de la solidificación y la formación de IMC 8-10, comportamiento mecánico anisótropo yLa recristalización del estaño y plomo soldaduras sin huecos 10, en golpes flip chip, y en observaciones in situ de sinterización Ag-11 NanoInk. Todos estos estudios han avanzado más la comprensión y el desarrollo de los componentes en la industria microelectrónica. Sin embargo, muchos de estos estudios se han centrado en las pequeñas regiones dentro del paquete. Más información puede ser obtenida de las pruebas y caracterizar el paquete de tamaño completo el uso de alta resolución SRμT con el fin de promover su desarrollo.
Los paquetes electrónicos están produciendo ahora contienen múltiples capas de interconexiones. Estos paquetes y dispositivos son cada vez más y más complejo que exige una solución 3D para la evaluación no destructiva con respecto al análisis de fallos, control de calidad, evaluación de riesgos fiabilidad, y el desarrollo. Algunos defectos requieren una técnica que puede detectar características de menos de 5 micras de tamaño, que incluyen huecos y grietas que forman el interior de cobre suVias bstrate, la identificación sin contacto plataformas de soldadura abierto y nonwet en envases de múltiples niveles 12, localizar y cuantificar los huecos en las matrices de rejilla de bolas (BGA) y las juntas de soldadura C4. Durante el proceso de montaje sustrato deben ser identificados estos tipos de defectos y monitoreados ampliamente para evitar fallos no deseados.
sistemas actualmente CT utilizando fuentes basadas en laboratorio, también conocidos como tablero de la mesa, son capaces de proporcionar tan alta como 1 m de resolución espacial ~, y se utilizan para aislar fallos en paquetes de varios niveles con resultados prometedores. Sin embargo, los sistemas de sobremesa CT tienen algunas limitaciones en comparación con configuraciones SRμT 13,14. sistemas de mesa se limitan a solamente imágenes de un cierto rango de densidad de los materiales, ya que por lo general sólo contienen espectros de fuente de rayos X una o dos. También a través de los tiempos-puesto (TPT) permanece mucho tiempo para sistemas de sobremesa CT convencionales que requieren varias horas de tiempo de adquisición de datos por 1-2 mm2 región de interés, que can limitar su utilidad; por ejemplo, el análisis de fallos en Vias a través del silicio (TSV), BGA o articulaciones C4 menudo requieren la adquisición de múltiples campos de visión (FOV) o regiones de interés en alta resolución dentro de la muestra, lo que resulta en TPT total de 8-12 horas, la cual es un tapón de la demostración de los sistemas de TC de mesa convencionales cuando se tienen múltiples muestras para ser analizadas. La radiación sincrotrón ofrece mucho más alto flujo y el brillo de las fuentes convencionales de rayos X, lo que resulta en tiempos de adquisición de datos mucho más rápidas para una región determinada de interés. Aunque SRμT sí permite más flexibilidad con respecto a los tipos de materiales que se pueden obtener imágenes y volumen de la muestra, tiene sus limitaciones, que son específicos a la fuente de sincrotrón y la configuración utilizada, el espesor específicamente máximo aceptable y tamaño de la muestra. Para la configuración SRμT en la ALS del área de la sección transversal que se pueden obtener imágenes es <36 x 36 mm y el espesor está limitado por el rango de energía y el flujo disponible y es s materialesESPECÍFICOS.
Este estudio se usa para demostrar cómo SRμT puede ser utilizado para la imagen de un sistema de varios niveles en todo el paquete (SIP) para su uso con alta resolución y baja TPT (3-20 min) en la inspección de paquetes de semiconductores 3D. Más detalles sobre la comparación de mesa de TC de Sincrotrón Fuente de CT se pueden encontrar en las referencias 13,14.
Descripción general y experimental Beamline 8.3.2 Descripción:
Hay instalaciones de sincrotrón disponibles para experimentos de tomografía de todo el mundo; la mayoría de estas instalaciones requieren la presentación de una propuesta donde el experimentador describe el experimento, así como su impacto científico. Los experimentos descritos aquí fueron realizados en la ELA en el Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en la línea de luz 8.3.2. Por esta línea de luz hay dos opciones de modo de energía: 1) monocromática en el rango de energía ~ 7-43 keV o 2) policromática luz "blanca", donde todo el availaespectro de energía ble se utiliza al escanear materiales de alta densidad. Durante un análisis típico en línea de luz 8.3.2 una muestra se monta en una etapa de rotación donde los rayos X penetran la muestra, a continuación, los rayos X atenuadas se convierten en luz visible a través de un centelleador, magnificados por una lente, y luego proyectan en una CCD para la grabación. Esto se realiza mientras gira la muestra de 0 a 180 ° producir una pila de imágenes que es reconstruida para obtener una vista en 3D de la muestra con resolución micrométrica. El tamaño conjunto de datos de tomografía resultante varía de 3 a 20 ~ Gb dependiendo de los parámetros de exploración. La figura 1 muestra un esquema de la cabina donde se escanea la muestra.
El siguiente protocolo se presenta aquí se describe la configuración experimental, adquisición de datos y pasos de procesamiento requerido para obtener imágenes de todo un paquete de microelectrónica, pero los pasos se puede modificar a la imagen de una variedad de muestras. Las modificaciones dependen del tamaño de la muestra,densidad, geometrías y características de interés. Las tablas 1 y 2 presentan las combinaciones de resolución y el tamaño de muestra disponibles en la línea de luz 8.3.2 (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Para el paquete microelectrónico investigado aquí la muestra fue fotografiada utilizando un haz policromático ( "blanco"), que fue seleccionada debido al espesor y alta densidad de los componentes de la muestra. La muestra se montó en la orientación horizontal sobre un mandril de montaje, esta orientación permitido para toda la muestra para ajustarse dentro de la altura de la viga, que es paralela con una altura de ~ 4 mm y la anchura de ~ 40 mm, por lo tanto, sólo requieren un escanear para captar toda la muestra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Todos los pasos descritos en la sección de protocolo son fundamentales para la obtención de imágenes de alta resolución de muestras multi-escala y de múltiples materiales. Uno de los pasos más importantes es el montaje de la muestra y el enfoque de la óptica, que son vitales para la obtención de imágenes de calidad que pueden ser utilizados para la cuantificación. En concreto, incluso un ligero movimiento de la muestra podría causar artefactos en la imagen reconstruida y desenfoque causaría un deterioro en l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La porción LLNL de este trabajo se llevó a cabo bajo los auspicios del Departamento de Energía de Estados Unidos por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore bajo el contrato DE-AC52-07NA27344. Los autores Intel Corporation desean agradecer Pilin Liu, Liang Hu, William Hammond, y Carlos Orduno de Intel Corporation por parte de la recolección de datos y útiles debates. La fuente de luz avanzada es apoyado por el Director de la Oficina de Ciencia, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía, del Departamento de Energía de Estados Unidos bajo el Contrato 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).
