С использованием синхротронного излучения микротомография Расследования многомасштабном Трехмерные Микроэлектронные пакеты
Summary
Для этого исследования синхротронного излучения микро-томографии, неразрушающий трехмерной метод визуализации, используется для исследования весь микроэлектронной пакет с площадью поперечного сечения 16 х 16 мм. Из-за большого потока синхротронное и яркости образца было получено всего 3 мин с пространственным разрешением 8,7 мкм.
Abstract
Синхротронное излучение микро-томография (SRμT) является неразрушающим трехмерная техника (3D) визуализации, которая предлагает высокий поток для быстрого времени сбора данных с высоким пространственным разрешением. В электронной промышленности существует серьезный интерес при проведении анализа отказов на 3D-пакетов, многие микроэлектронные, которые содержат несколько уровней межсоединений высокой плотности. Часто в томографии существует компромисс между разрешением изображения и объема образца, который может быть изображаемого. Эта обратная связь ограничивает полезность традиционной компьютерной томографии (КТ) системы так как микроэлектронные пакет часто большой в площади поперечного 100-3,600 мм 2 сечения, но имеет важные особенности по шкале микрона. Микро-томография пучкового на дополнительный источник света (ALS), в Беркли, Калифорния , США, имеет установку , которая является гибкой и может быть адаптирована к свойствам образца, то есть, плотности, толщины и т.д., с максимумом позволяютв состоянии сечение 36 х 36 мм. Эта установка также имеет возможность быть либо монохромные в диапазоне энергий ~ 7-43 кэВ или работают с максимальным потоком в режиме белого света с использованием полихроматического луча. На графике представлены детали эксперимента шагах по изображению целую систему 16 х 16 мм, в упаковке, с тем чтобы получить 3D изображения системы с пространственным разрешением 8,7 мкм все в пределах времени сканирования менее чем на 3 мин. Также показаны результаты пакетов сканированных в различных ориентациях и секционного пакета для более высокого разрешения изображений. В отличие от обычной системы КТ может занять несколько часов, чтобы записать данные с потенциально худшим разрешением. Действительно, отношение поля зрения из- к пропускной способности времени намного выше, при использовании установки синхротронного излучения томографа. Ниже приведено описание экспериментальной установки могут быть реализованы и адаптированы для использования со многими другими мульти-материалов.
Introduction
В области микроэлектроники, как и во многих других областях, неразрушающий оценка в масштабе микрометра необходимо при характеристике образцов. Специально для микроэлектронной промышленности есть интерес к зондировании 3D пакеты микроэлектроника, содержащие мульти-уровней и мульти-материалов, а также выявления сбоев в пакетах во время тепловых, электрических и механических компонентов подчеркивание. По всему миру синхротронное излучение объектов обозначили томографию и дифракционные beamlines, которые используются для анализа отказов микроэлектронных пакетов. Некоторые примеры этого визуализации образование пустот , вызванных электромиграции 1-3, оценки механизмов роста 4,5 олова усов, в точке наблюдений переохлаждением и анизотропной теплового расширения олова и интерметаллидов (IMCS) 6,7, наблюдения на месте их залегания в затвердевание и IMC образование 8-10, анизотропная механическое поведение ирекристаллизации олова и свинца припои 10, пустоты в флип – чип ударов, а также на места наблюдений Ag-nanoink спекания 11 в. Все эти исследования еще более продвинули понимание и развитие компонентов в микроэлектронной промышленности. Тем не менее, многие из этих исследований были сосредоточены на малых областях в пакете. Более подробную информацию можно почерпнуть из тестирования и характеризации пакет полный размер с использованием высокого разрешения SRμT с целью дальнейшего их развития.
Электронные пакеты производятся в настоящее время содержат несколько слоев межсоединений. Эти пакеты и устройства становятся все более и более сложными, которая требует 3D-решения для неразрушающего контроля в отношении анализа отказов, контроля качества, оценки рисков надежности и развития. Некоторые дефекты требуют техники, которая может обнаружить признаки менее 5 мкм, которые включают в себя пустоты и трещины, образующие внутри меди суbstrate ВЬЯС, идентифицирующие бесконтактные открытым и nonwet ламели в многоуровневом упаковке 12, обнаружения и количественной оценки пустот в шаровой сетки массивов (BGAs) и C4 паяных соединений. В процессе сборки подложки эти типы дефектов, должны быть идентифицированы и мониторинг широко, чтобы избежать нежелательных сбоев.
В настоящее время КТ систем с использованием лабораторных на основе источников, также известный как столешницу, способны обеспечить достигать ~ пространственным разрешением 1 мкм, и используются для изоляции сбоев в многоуровневые пакеты с многообещающими результатами. Тем не менее, настольный КТ системы имеют некоторые ограничения по сравнению с установками SRμT 13,14. Системы штабные ограничиваются только визуализации определенный диапазон плотности материалов, так как они, как правило, содержат только исходные спектры одного или двух рентгеновских лучей. Также через-Пут-времени (ТРТ) остается много времени для обычных систем КТ столешница , когда требуется несколько часов времени сбора данных на 1-2 мм 2 области , представляющей интерес, который сап ограничивают его полезность; например, анализируя неудачи через Silicon Vias (TSV), BGAs или С4 суставов часто требуют, приобретающих Разноплановость просмотров (FOV) или регионах, представляющих интерес с высоким разрешением в образце, в результате чего в общей сложности TPT 8-12 часов, что показать пробкой для обычных систем КТ столешницей, когда несколько образцов должны быть проанализированы. Синхротронное излучение обеспечивает гораздо более высокий поток и яркость, чем обычные источники рентгеновского излучения, в результате чего значительно более быстрое время сбора данных для данной области, представляющей интерес. Хотя SRμT действительно позволяет более гибко по отношению к типам материалов, которые могут быть изображаемых и объему образца, у него есть ограничения, которые являются специфическими для источника синхротронного и установки, используемой, в частности, максимально допустимой толщины и размера выборки. Для установки SRμT в АЛС максимальная площадь поперечного сечения, которые могут быть отображены в <36 х 36 мм, а толщина ограничена диапазоном энергии и потока доступным и материал specific.
Это исследование используется для демонстрации того, как SRμT могут быть использованы для изображения всей системы многоуровневого в пакете (SIP) с высоким разрешением и низким ТРТ (3-20 мин) для использования в 3D проверки полупроводниковых пакетов. Более подробная информация о сравнении столешница трансформаторов тока для источника синхротронного трансформаторов тока можно найти в ссылках 13,14.
Экспериментальный Обзор и пучкового 8.3.2 Описание:
Есть синхротронного объектов, доступных для томографических экспериментов по всему миру; большинство из этих объектов требует представления предложения, где экспериментатор описывает эксперимент, а также его научное влияние. Эксперименты, описанные здесь, были выполнены на СЛА в Национальной лаборатории Лоренса Беркли (LBNL) на пучкового 8.3.2. Для этого пучкового есть два варианта режима энергосбережения: 1) монохромные в диапазоне энергий ~ 7-43 кэВ или 2) полихроматическая "белого" света, где весь availaBLE энергетический спектр используется при сканировании материалов с высокой плотностью. Во время обычной проверки на пучкового 8.3.2 образец монтируют на стадии вращения, где рентгеновские лучи проникают через образец, а затем ослабленные рентгеновские лучи преобразуются в видимый свет с помощью сцинтиллятора, увеличенный линзой, а затем проецируется на CCD для записи. Это делается в то время как образец вращается от 0 до 180 ° производя стопку изображений , которые реконструируется , чтобы получить 3D вид образца с разрешением микрометра. Полученный в результате томографической размер набора данных находится в диапазоне от ~ 3-20 Гб в зависимости от параметров сканирования. На рисунке 1 показана схема клетку , где сканируют образец.
Следующий протокол, представленный здесь описывает экспериментальную установку, сбор данных и этапы обработки, которое требуется для получения изображения весь микроэлектронной пакет, но шаги могут быть модифицированы для отображения ряда образцов. Изменения зависят от размера выборки,плотность, геометрические формы, а также особенности интерес. В таблицах 1 и 2 представлены комбинации размера и разрешения образца можно получить в пучкового 8.3.2 (ALS, LBNL, Беркли, Калифорния). Для микроэлектронной пакета исследуемого здесь образец визуализируют с помощью полихроматического ( "белые") луч, который был выбран из-за толщины и высокой плотности компонентов образца. Образец был установлен в горизонтальной ориентации на патроне гору, эту ориентацию, разрешенный для всей выборки, чтобы соответствовать в пределах высоты балки, которая параллельно с высотой ~ 4 мм и шириной ~ 40 мм, поэтому требующих только один сканирования, чтобы захватить весь образец.
Protocol
Representative Results
Discussion
Все шаги, описанные в разделе протокола имеют решающее значение для получения изображений с высоким разрешением многомасштабных и мульти-материальных образцов. Одним из наиболее важных шагов является образцом монтажа и фокусировкой оптики, которые жизненно необходимы для получения …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Часть ЛЛНЛ этой работы была проведена под эгидой Министерства энергетики США по Ливерморской национальной лаборатории по контракту DE-AC52-07NA27344. Авторы корпорации Intel хотели бы поблагодарить пилинов Лю, Лян Ху, Уильям Хэммонд, и Карлос Orduno от корпорации Intel для некоторых из сбора данных и полезные обсуждения. Advanced Источник света поддерживается Директором Управления науки, Управление основной энергии наук, Департамента энергетики США по контракту № 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).
- Yan 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).
