利用同步辐射显微断层成像技术研究多尺度三维微电子封装

本实验旨在利用同步辐射显微断层成像技术——一种非破坏性的三维成像方法，以研究一种复杂的多层次样品。此处成像的样品为一个完整的微电子封装体，其横截面积约为17毫米×17毫米。然而，我们希望分辨的结构特征在尺度上从微米级到毫米级不等。

该技术的主要优势在于，它能够以微米尺度对微电子封装进行无损检测，并且数据采集速度快。位于加利福尼亚州伯克利市先进光源（Advanced Light Source）的马克断层扫描光束线配备了一套可根据样品特性（如体积和密度）定制的装置，从而优化分辨率和图像质量。然而，样品尺寸受限，最大允许视场为36毫米×36毫米。

该方法有助于解答半导体领域的关键问题。例如，可在工艺开发中的可靠性测试中用于分析电子封装并识别失效原因，同时提供实验灵活性，或利用X射线源快速检测复杂的新一代微电子封装中的缺陷。将样品安装在专为适配光束线旋转台设计的样品 holder 上，以完成扫描前的样品准备。

对于没有定制夹具的样品，使用黏土或石蜡将样品固定在支柱或钻夹头上。在将样品装入隔间内旋转台之前，可先使用一个离线的模拟旋转台对样品进行对准。通常通过目视检查旋转中心即可满足对准需求。

将固定在样品台上的样品安装到腔室内。样品在腔室内安装完毕后，通过两个相互垂直的中心调节电机，可将样品相对于旋转中心进行定位。根据样品尺寸及感兴趣特征的大小，选择扫描所需的放大倍数。

由于此处扫描的样本在最长方向上为22.6毫米，因此请选择1X镜头与PCO point 4,000相机。该组合可提供最大的样本视场。所得像素尺寸为8.7微米。

使用光束线控制计算机设置X射线能量，或切换至多色光束。为获得最佳质量的图像，应根据实现约30%透射率的目标来选择能量，该透射率可在数据采集计算机上测量。通常情况下，透射率随能量的增加而升高。

对于微电子封装，由于封装的厚度和材料特性，应选择白光模式。使用白光模式时，沿X射线束方向依次添加两到四片金属铝和铜滤光片，以滤除低能X射线。对于本样品，使用两张总厚度约为1.2毫米的铜片。

接下来，验证载物台的旋转中心是否与相机中心对齐。为检查样品是否对齐，使用光束线控制计算机上的软件将样品旋转180度，并通过计算机观察放射图像，目视评估样品位置的变化。在同一台计算机上控制对齐调整。

设置扫描时的样品到探测器距离。相机位于可水平移动的平移台上，用于调节样品到探测器的距离。当距离增加时，面衬度的贡献也随之增加。

输入所需的角度范围以及在该范围内采集的图像数量。选择的角度越多，扫描时间越长，数据集也越大。在本研究中，数据采集期间使用 1,025 个角度，覆盖 180 度。

按照文本方案中所述选择扫描模式以及明场和暗场图像的数量后，需确认样品已平移足够距离，使其不出现在明场图像中，以避免重建图像中出现严重伪影。此处采集15张暗场图像和15张明场图像。确定是否需要拼接后，在数据采集计算机上执行扫描运行。

扫描将根据输入的设置自动运行。图中显示的是采用8.7微米分辨率、耗时三分钟扫描获得的完整封装内现场可编程门阵列系统的三维重建图像。对封装局部区域的放大视图展示了现场可编程门阵列基板的一个角落以及与电路板的互连结构。

三种不同互连层级的三维体渲染图像展示了整个封装系统的结构，分辨率达到8.7微米。此处显示的是对带有第一级互连和中层互连焊点连接的CPU芯片封装进行垂直扫描后重建的三维图像。放大后的二维重建切片区域显示了一个中层互连焊球，其中心存在较大的孔洞，以及在人为热应力测试过程中产生的裂纹。

本视频展示了以水平方向成像的微电子封装体的断层扫描图像。该16×16平方毫米封装体的三维体渲染图像从不同视角呈现其结构。此处，视频通过平移展示封装体内部不同横截面的视图，以揭示其内部结构信息。

断层扫描技术能够容纳大尺寸样品并实现更快的通量时间，这一点尤其相较于台式CT系统而言，对半导体行业至关重要。该技术可对裂纹、孔隙、分层、缺陷等进行无损量化分析。此方法对于微电子行业中的焊点互连结构研究具有重要价值。

然而，该方法也可应用于多种材料体系，如金属合金、复合材料、生物材料、有机物以及增材制造部件。尽管同步辐射显微断层成像技术可适用于广泛的材料和体积范围，但受限于先进光源同步辐射设施（ALS）所提供的能量范围，其应用仍存在局限性。具体而言，由于需要保证足够的X射线穿透样品，高密度材料的样品尺寸必须非常薄。

实验设置过程中最关键的步骤之一是光学元件的稳定安装和聚焦。这些步骤对于获得可用于数据定量分析的高质量图像至关重要。特别是，样品的轻微移动会在重建图像中产生伪影，而聚焦不良则会导致分辨率下降。

为避免图像质量相关问题，可在扫描下一个样品的同时重建测试图像。在进行此类实验时，应根据样品特性调整实验装置，并与线站科学家沟通以优化实验流程。同步辐射显微断层成像的高分辨率能力可为失效分析和组装工艺开发提供重要信息。

将同步辐射三维X射线CT应用于微电子封装，为提升三维微电子封装的均一性与可靠性开辟了广泛的可能性，包括可靠性测试以及对复杂封装中失效情况的检测。同时，该技术也为下一代实验室尺度三维X射线CT的发展提供了方向。