Çok ölçekli Üç boyutlu Mikroelektronik paketleri Soruşturma Sinkrotron Radyasyon Microtomography kullanma
Summary
Bu çalışma, senkrotron radyasyonu mikro tomografi, yıkıcı olmayan, üç boyutlu görüntüleme tekniği için, 16 X 16 mm'lik bir enine kesit alanına sahip bütün bir mikroelektronik paketi araştırmak için kullanılır. Sinkrotron yüksek akı ve parlaklık örnek bir 8.7 mikron mekansal çözünürlükte sadece 3 dakika içinde görüntülendi.
Abstract
Sinkrotron ışınımı mikro tomografi (SRμT) yüksek uzaysal çözünürlüğü ile hızlı veri toplama süreleri için yüksek akı sunan bir tahribatsız üç boyutlu (3D) görüntüleme tekniğidir. elektronik sektöründe yüksek yoğunluklu bağlantıları birden düzeylerini içeren 3D mikroelektronik paketleri, birçok başarısızlık analizi yapan ciddi bir ilgi vardır. Genellikle tomografi görüntü çözünürlüğü ve görüntülü olabilir bir numunenin hacmi arasında bir trade-off var. Bu ters ilişki mikroelektronik paket kesit alanı 100-3,600 mm 2 genellikle büyük olduğu konvansiyonel bilgisayarlı tomografi (BT) sistemleri kullanışlılığı sınırlar, ancak mikron ölçeğinde önemli özelliklere sahiptir. Berkeley, CA, ABD, Gelişmiş Işık Kaynağı (ALS), mikro-tomografi beamline maksimum izin ile, uyarlanabilir ve vb bir numunenin özellikleri, yani, yoğunluk, kalınlık, uygun olabilir bir yapısı vardır36 x 36 mm mümkün kesiti. Bu kurulum aynı zamanda enerji aralığında ~ 7-43 keV ya monokromatik olma ya da çok renkli ışın kullanılarak beyaz ışık modunda maksimum akı ile çalışan seçeneği vardır. Bir paket içinde görüntü bütün bir 16 x 16 mm sistemini alınan deneysel adımlar ayrıntıları az 3 dakikalık bir tarama süre içinde 8,7 mikron tüm mekansal çözünürlüğe sahip sistemin 3D görüntüler elde etmek için, burada sundu. Ayrıca farklı yönlerde ve daha yüksek çözünürlük görüntüleme için bir kesiti paket içinde taranmış paketlerden sonuçlandır. Buna karşılık geleneksel BT sistemi, potansiyel kötü çözünürlükte veri kaydetmek için saat sürecekti. sinkrotron ışınımı tomografi kurulumu kullanarak Nitekim, bu alanda-view verimlilik zaman oranı çok daha yüksektir. deney düzeneği aşağıdaki açıklama uygulamaya ve diğer çoklu maddeleri ile kullanım için adapte edilebilir.
Introduction
örnekleri karakterize ederken mikroelektronik alanında, diğer birçok alanda olduğu gibi, mikrometre ölçeğinde tahribatsız değerlendirilmesi gereklidir. Özellikle mikroelektronik endüstrisi için, 3D mikroelektronik paketleri sondalama çoklu seviyeleri ve çoklu malzemeler içeren ve termal elektrik ve mekanik bileşenler vurgulayarak sırasında ambalajlarda hataları belirleme ilgi var. Dünya Sinkrotronu etrafında radyasyon tesisleri mikroelektronik paketlerin başarısızlık analizi için kullanılan tomografi ve kırınım ışın demetleri belirlemiş. Bu duruma örnek olarak in situ gözlem, aşırı soğutma ve kalay anizotropik termal genleşme ve intermetalik bileşiklerin (IMCs) 6,7 in situ görüşlerinde, kalay kıl büyümesi, 4,5 mekanizmaları değerlendirilmesi electromigration 1-3 kaynaklanan boşluk oluşumu görüntüleme edilir katılaşma ve IMC oluşumu 8-10, anizotropik mekanik davranış vekalay yeniden kristalleşme ve kurşun ücretsiz lehimler 10, flip çip darbelere boşluklar ve Ag-nanoink sinterleme 11 in situ gözlemlerinde. Bütün bu çalışmalar daha da mikroelektronik endüstrisinde anlayış ve bileşenlerinin geliştirilmesi gelişmiş var. Ancak bu çalışmaların birçoğu paketinin içinde küçük bölgeler üzerine odaklanmıştır. Daha fazla bilgi test ve onların gelişimini ilerletmek için yüksek çözünürlüklü SRμT kullanarak tam boy paketi karakterize panoda olabilir.
Elektronik paketler artık üretilen bağlantılarının çoklu katmanlar içeriyor olması. Bu paketler ve cihazlar arıza analizi, kalite kontrolü, güvenilirlik risk değerlendirmesi ve kalkınma ile ilgili tahribatsız değerlendirme için bir 3D çözümü için çağıran daha karmaşık büyüyor. Bazı kusurları bakır su içinde şekillendirme boşlukları ve çatlakları dahil boyutu 5 um, daha az özelliklere tespit edebilen bir teknik gerektirirbulma ve top ızgara diziler (BGAs) ve C4 lehim eklem boşlukları miktarının, düzeyli ambalaj 12 temassız açık ve nonwet lehim yastıkları belirlenmesi bstrate yollar,,. Yüzey montaj işlemi sırasında kusurları bu tür tespit ve istenmeyen arızaları önlemek için yoğun olarak izlenmelidir.
Ayrıca masa olarak da bilinen laboratuar tabanlı kaynakları kullanarak şu anda BT sistemleri, ~ 1 mikron mekansal çözünürlükte gibi yüksek sağlayamıyoruz ve umut verici sonuçlar düzeyli ambalajlarda hataları izole etmek için kullanılmaktadır. SRμT kurulumları 13,14 oranla Ancak, masa BT sistemleri bazı sınırlamaları vardır. Masa sistemleri için genellikle sadece bir ya da iki X-ışını kaynağı spektrumları içerdiğinden malzeme belirli bir yoğunluk aralığı görüntüleme ile sınırlıdır. Ayrıca aracılığıyla-put-time (TPT) ilgi 1-2 mm 2 bölge, ca başına veri toplama süresi birkaç saat gerektiren geleneksel masa BT sistemleri için uzun kalırn yararlılığını sınırlamak; Örneğin, 8-12 saat Silikon Vias (TSV), genellikle numune içinde yüksek çözünürlükte ilgi İzlenim (FoV) ya da bölgelerin birden Alan edinme gerektiren BGAs veya C4 eklemlerde, sonuçlanan sayesinde başarısızlıkları analiz toplam TPT, hangi birden numuneler analiz edilmesi gereken geleneksel masaüstü BT sistemleri için bir gösteri tıpa. Senkrotron radyasyonu ilgi konusu bir bölge için çok daha hızlı bir veri toplama zamanlarda elde edilen geleneksel X-ışını kaynakları daha yüksek akı ve parlaklık sağlar. SRμT görüntülü ve örnek hacmi edilebilir malzeme türlerine göre daha fazla esneklik için izin vermez rağmen, sinkrotron kaynağı ve kullanılan kurulum, özellikle maksimum kabul edilebilir kalınlık ve örneklem büyüklüğü için özel sınırlamalar, var. ALS de SRμT kurulum için görüntülenmiş maksimum enine kesit alanı <36 x 36 mm ve kalınlığı uygun bir enerji aralığı ve akı ile sınırlıdır ve malzeme specific.
Bu çalışma SRμT 3D yarı iletken paketleri teftiş görüntüye kullanım için yüksek çözünürlük ve düşük TPT (3-20 dk) ile paket (SIP) bütün bir multi-level sistemi kullanılabilir nasıl göstermek için kullanılır. Sinkrotron Kaynak CT adlı için masa, CT en karşılaştırarak daha fazla ayrıntı referanslar 13,14 bulunabilir.
Deneysel Genel Bakış ve beamline Açıklama 8.3.2:
dünyada tomografi deneyler için hazır sinkrotron tesisleri bulunmaktadır; Bu tesislerin çoğu Deneyciler deney, yanı sıra bilimsel etkisini tanımlayan bir teklifin sunulmasını gerektirir. Burada tarif edilen deneyler her beamline 8.3.2 Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (LBNL) ALS gerçekleştirildi. Bu beamline için iki enerji modu seçeneği vardır: enerji aralığı ~ 7-43 keV veya 2) çok renkli "beyaz" ışık tüm availa olarak monokrom 1)yüksek yoğunluklu malzeme tararken ble enerji spektrumu kullanılır. X-ışınları örnek nüfuz nerede beamline 8.3.2 tipik bir tarama sırasında bir örnek bir dönme sahnede monte edilir, daha sonra zayıflatılmış X-ışınları, bir sintilatör aracılığıyla görünür ışık dönüştürülmüş bir lens tarafından büyütülmüş ve daha sonra yansıtılıyor kayıt için CCD. Örnek mikrometre çözünürlüğe sahip numunenin 3D görünüm elde etmek için yeniden bir görüntü yığınını üreten 0 ° ile 180 den dönerken bu yapılır. Elde edilen tomografik veri kümesi boyutu tarama parametrelerine bağlı ~ 3-20 Gb arasında değişir. 1 örnek taranır baraka bir şemasını göstermektedir.
Burada sunulan Aşağıdaki protokol bütün mikroelektronik paketi görüntüleme için gerekli deney düzeneği, veri toplama ve işleme adımları açıklar, ancak adımlar görüntüye örneklerin çeşitli modifiye edilebilir. modifikasyonlar örneklem büyüklüğü bağlıdır,yoğunluk, geometri ve özellikleri faiz. Tablo 1 ve 2, bu beamline 8.3.2 mevcut çözünürlük ve örneklem büyüklüğü kombinasyonları (ALS, LBNL, Berkeley, CA). Burada incelenen mikroelektronik paket için örnek kalınlığı ve numunenin bileşenlerinin yüksek yoğunluklu nedeniyle seçildi bir çok renkli ( "beyaz") ışını kullanılarak görüntülendi. Örnek, mount aynanın yatay doğrultuda, bu nedenle tek gerektiren ~ 4 mm ve • 40 mm genişliğinde bir yüksekliğe sahip paralel olan kiriş, yüksekliğine uyacak şekilde, tüm numune için izin verilen bu yönelimi, monte edildi tüm örnek yakalamak için tarayın.
Protocol
Representative Results
Discussion
protokol bölümünde açıklanan tüm adımları çok ölçekli ve çok malzeme örneklerinin yüksek çözünürlüklü görüntüler elde etmek önemlidir. En kritik adımlardan biri numune montaj ve ölçümü için kullanılabilecek kalitede görüntüler elde etmek hayati önem taşıyan optik odaklama olduğunu. Özellikle, örnek bile hafif hareketi yeniden görüntüde eserler neden ve çözünürlükte bozulmaya neden olur defocusing olur. görüntü kalitesine sahip sorunları önlemek için bir sonraki numun…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışmanın LLNL bölümü Sözleşme DE-AC52-07NA27344 altında Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı tarafından ABD Enerji Bakanlığı'nın himayesinde gerçekleştirildi. Intel Corporation, yazarları, veri toplama ve yararlı tartışmalar bazı Intel Corporation Pilin Liu Liang Hu, William Hammond, Carlos Orduno teşekkür etmek istiyorum. Gelişmiş Işık Kaynağı Sözleşme No. DE-AC02-05CH11231 altında ABD Enerji Dairesi Müdürü, Fen Dairesi, Temel Enerji Bilimler Dairesi tarafından da desteklenmektedir.
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).
