利用同步辐射微断层调查的多尺度三维微电子封装
Summary
在这项研究中同步加速器辐射微断层摄影术中，非破坏性的三维成像技术中，用于研究整个微电子封装为16×16毫米的截面积。由于同步的高通量和亮度样品成像，在短短3分钟，8.7微米的空间分辨率。
Abstract
同步辐射的微断层摄影术（SRμT）是一个非破坏性的三维（3D）成像技术，提供了高通量为高空间分辨率的快速数据采集时间。在电子行业中有三维微电子封装，其中许多含有高密度互连的多个层面进行故障分析的浓厚兴趣。常在断层有图像分辨率和可成像的样品的体积之间的折衷。这种反比关系限制常规计算机断层扫描（CT）系统的实用性，因为微电子封装的横截面面积100-3,600毫米2常大，但对微米尺度的重要功能。在先进光源（ALS），在加州伯克利USA，微断层扫描光束线有一个设置是适应性强，可以根据样本的属性， 也就是说，密度，厚度等 ，最大允许的36×36毫米能够截面。这样的设置也有成为全能量范围〜7-43千电子伏无论是单色或使用多色束白光模式下最大磁通操作选项。这里呈现的是一个包中采取的图像的整个16×16 mm系统的实验步骤的细节，以便获得系统的3D图像具有8.7微米的所有的空间分辨率小于3分钟的扫描时间范围内。还示出了从不同的方向和一个切片包更高分辨率成像扫描包的结果。对比度的常规CT系统将需要数小时具有潜在的较差的分辨率来记录数据。事实上，使用同步加速器辐射断层设置时场的视图可以通过时间的比例要高得多。下面的实验装置的说明可以实施并适于使用与许多其它多材料。
Introduction
在微电子领域中，如在许多其它领域，表征样品时在微米尺度的非破坏性评价是必要的。专门用于微电子工业中有探测三维微电子封装，含有多层次，多材料，并且在热学，电学，和机械应力的组件的标识中的包的故障的兴趣。在世界各地同步辐射设施已指定了用于微电子封装的失效分析断层扫描和衍射光束线。其中一些例子是成像造成电1-3空洞形成，在评估锡须生长4,5 机制， 在过冷和锡的各向异性的热膨胀和金属间化合物（法团校董会）6,7的实地观测， 在原位观测凝固并形成IMC 8-10，各向异性的机械行为，锡的再结晶和无铅焊料10，空隙在倒装芯片凸点，并在银nanoink烧结11的实地观测。所有这些研究都进一步推进了微电子工业的理解和组件的开发。然而，许多这些研究都集中在包内的小区域。更多信息，可从测试和使用高分辨率SRμT为了进一步发展自己的特性全尺寸封装中收集。
所生产的电子产品的现在包含互连的多层。这些包和设备正变得越来越多的复合体用于非破坏性评价关于故障分析，质量控制，可靠性风险评估，和发展的三维溶液呼叫。某些缺陷需要，可以检测出特征小于5μm的大小，其中包括空隙和裂缝铜ス内部形成技术bstrate通路，识别非接触式开放和nonwet焊盘在多层包装12中 ，定位和定量在球栅阵列（BGA）和C4焊点空隙。在衬底组件过程中，这些类型的缺陷必须确定并广泛地监测，以避免不必要的故障。
使用基于实验室的来源，也称为桌面目前CT系统中，能够提供高达〜1微米空间分辨率，和被用来隔离在与有希望的结果的多级封装的故障。然而，相对于SRμT设置13,14时桌面CT系统有一定的局限性。桌面系统仅限于成像的材料，因为它们通常仅包含一个或两个x射线源光谱一定的密度范围内。此外通量时间（TPT）保持长期为需要几个小时的数据采集时间每兴趣1-2毫米2区域，该区域CA传统的桌面CT系统n个极限其实用性;例如，穿硅通孔（TSV），BGA的或C4接头通常需要在样品中采集感兴趣视图（FOV）或区域的多个场的分辨率高，导致在分析失败的8-12小时总TPT，这是一个显示塞何时多个样品必须分析传统的桌面CT系统。同步加速器辐射提供高得多的通量和亮度比传统的x射线源，从而导致更快的数据采集时间为感兴趣的给定区域。虽然SRμT确实允许用于相对于类型的可以成像和样品体积的材料更大的灵活性，但它确实有局限性，这是特定于同步加速器源和使用的设定，具体而言最大可接受厚度和样品大小。为ALS的SRμT设置可以被成像的最大截面积为<36×36毫米，厚度是由能量范围和磁通可用限制，并且是材料Specific。
本研究用于演示SRμT可以如何被用于图像中的封装（SIP）的带有使用高分辨率和低TPT（3-20分钟）的整个多级系统中检查三维半导体封装。在比较桌面CT对同步加速器源CT的更多细节可以在参考文献13,14找到。
实验概述和光束线8.3.2描述：
有可为世界各地的断层实验同步加速器设施;大多数这些设施需要提交所在的实验者描述了实验，以及其科学影响力的提议。这里描述的实验都在ALS劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的光束线8.3.2执行。对于此束线有两种能量模式选择：1）在能量范围〜7-43千电子伏或2）多色“白”光，其中整个availa单色扫描高密度材料时，竹叶提取能量谱被使用。期间在束线8.3.2一个典型的扫描一个样本被安装在一旋转台，其中x射线穿透样品，然后将衰减的X射线通过闪烁器转换成可见光，由透镜放大，然后投射到CCD记录。这是当样品从0到180°产生的图像的堆叠是重建以获得具有微米分辨率的样品的3D视图旋转完成。所得断层数据集大小从〜3-20千兆根据扫描参数的范围内。 图1示出了样品被扫描的笼的示意图。
这里提出了以下方案描述了实验装置，数据采集，和用于成像的整个微电子封装所需的处理步骤，但该步骤可被修改，以图像的各种样品。修改取决于样品的大小，密度，几何形状，和特征的兴趣。 表1和2本可在束线8.3.2分辨率和样本大小的组合（ALS，LBNL，伯克利，CA）中。对于这里研究的微电子封装的样品用的多色（“白”）的光束，这是由于厚度和样品的组分的高密度选成像。将样品安装在水平方向上的卡盘架，该取向允许整个样本以适应光束，这是具有〜4个毫米，〜40毫米宽的高度并行的高度内，因此只需要一个扫描捕获整个样本。
Protocol
Representative Results
Discussion
所有的在协议部分中描述的步骤是获得多尺度和多材料样品的高分辨率图像的关键。其中最重要的步骤是将样品放置和光学，这对获得可用于定量质量的图像的重要的聚焦。具体地，即使样品的轻微运动将导致伪像的重建图像中和散焦将导致分辨率的恶化。以避免图像质量问题它重建一个测试图像，从而可以同时进行，而下一个样品扫描是重要的。这将有助于识别可能在扫描设置期间发生的任何?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
能源合同下的DE-AC52-07NA27344美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的主持下进行这一工作的一部分LLNL。英特尔公司笔者想从英特尔公司感谢刘毗临，两壶，威廉·哈蒙德和卡洛斯Orduno一些数据收集和有益的讨论。先进光源是由合同号DE-AC02-05CH11231主任，科学办公室，基础能源科学办公室，美国能源署的支持。
Materials
| Beamline 8.3.2 | Advanced Light Source, Berkeley, CA, USA | http://microct.lbl.gov/ |
Referenzen
- 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).
