封装微型化使内部结构密度更高,尺寸更小,如微通孔和倒装芯片互连,需要在极高的放大倍率下,具有亚微米级的分辨率.微型化和高度集成的器件,给无损检测带来了新的挑战.对于X-ray技术,这些挑战包括更小的特征,以致很难在二维（2D）平面中被检测.此外,许多结构可能重叠并在2D x-ray影像里相互遮挡,造成混淆.因此,这个行业需要两个主要的发展方向：三维高分辨率检测以及在实时的x-ray成像里提高信噪比.

传统的2D x-ray 检测在对微型化器件进行成像时,经常受到遮挡的重叠结构影响.这些集成器件或系统需要无损检测,正如计算机断层扫描技术（CT）提供的逐层或三维（3D）可视化效果.然而,直到最近,许多实验室的CT系统继续使用微米焦点大小和最大管电压约100千伏的X射线管.由于电子器件包含非常精细的结构和强大的吸收材料,如金或铜,导致令人失望的图像清晰度和很重的图像伪影.

高分辨率x-ray检测和计算机X射线断层扫描技术

系统由用于在亚微米分辨率下电子封装分析的紧凑型实验室X-ray显微镜和CT装置组成,进行二维（2D）纳米焦点成像.包括一个180千伏高压,并且焦点大小只有不到1微米的纳米焦点X射线管.为了提高X-ray成像的信噪比,使用了一种新型恒温的,最高帧频为30fps的数字X-ray探测器阵列,部分与有金刚石膜钨靶相结合,以支持更高强度的X射线.此外,该系统配备了4百万像素的影像增强摄像机系统.这种双重探测器组合一方面使CT具有高分辨率,并且在很短曝光时间里得到低噪的实时成像,另一方面通过成像系统得到极高放大倍率的二维分析图像链（images chain）.该系统提供了一个小于1μm（800nm）的3D最大立体像素尺寸（voxel-size）和高达200nm的二维细节检测能力.

三维（3D）纳米CT扫描由最近发布的紧凑型实验室CT系统（compact laboratory CT system）实现,该系统用于小样本在微米立体像素尺寸的分析.该系统采用一个焦点小于1微米的180 kV/15 W高功率纳米焦点管,和一个有效面积为307x240毫米（3072x2400像素,像素大小为100μm）的730万像素平板探测器以及一个2位虚拟探测器（最大为4500mm有效探测器宽度）,提供可达0.3微米的立体像素尺寸.安装在花岗岩底座上的处理系统,将振动、热膨胀和漂移造成的影响减至最小.在长期测量中轻微的漂移会被监测到,并由CT重建软件补偿,该软件采用了几何校准、检测校准、噪声抑制,减少射束硬化和“CT感兴趣区” (ROICT）等算法.

一个容积断层扫描系统需要一系列的二维X-ray成像,同时逐步旋转样本360°,每步旋转增量小于0.5°(见图1),这些投影包含样本内吸收物位置和密度的特征信息,数据积累之后用于测定体积数据的数值重建.

x-ray系统中的几何分辨率V,由像素大小P除以几何放大率M=FDD/FDO得到,即：V=P/M.当像素大小P=100µm,FDD=600mm,立体像素尺寸小于1μm,可以轻易实现 M>100.分辨率的最终限制是X 射线管的焦点大小F,它会额外地导致探测器图像锐度缺乏（见图2,绿线）.因此,对于亚微米计算机断层扫描或x-ray检测,必须要求X射线管焦点小于1μm.

在计算机断层扫描技术中,样本的尺寸给分辨率带来了更多的几何限制.为了获得理想的图像质量,样品应当在整个旋转过程中与锥束保持一致.这就是说,整个样本的直径应不断地在探测器上成像,从而限制放大倍率.然而,由于改善了重建算法（ROI-CT）,并可接受在最终的3D数据中一些噪音类干扰,放大倍率和分辨率可能会进一步增加.对于一个像印刷电路板组装这样非常宽的对象,甚至可减小旋转角度,但会牺牲电子束方向上的体积分辨率.

微通孔的检测结果

牭谝淮渭觳獾难肥且桓鯭FN —— 一个嵌入式芯片封装（见图3）,由德国柏林的 Fraunhofer IZM 制造.图4显示了在高几何放大倍率下的细节图像.数字探测器系统极好的对比度分辨率可以从背景中显示基底上的玻璃纤维看出.通孔是沿它们的铜质焊盘移动的,中心显得较亮,表明是空洞.

图5和图6是高放大倍率图像增强器成像系统所获得的图像.虽然成像噪音比图4多,对比物也比图4少,但放大倍率显著提高.中央空洞可以很容易确定,而且可以看出过孔没有碰到焊盘.

硅通孔的断层扫描

犜谟糜?D集成电子封装的硅通孔（TSVs）断层扫描之前,已经有了用于比较和定位的高分辨率2D x-ray成像（图9）.在高放大倍率的斜视图中,通孔和一些铜填充的内部空洞显示得清清楚楚,但一些通孔被焊料凸点遮住了.前面所述的断层扫描系统扫描了图9所示的相邻区域,立体像素尺寸在1.25μm,放大倍率为40.其结果如图10～图12所示.在断层切片中,其中一个如图11所示,空洞可能恰好集中在一起.还可以测量空洞和通孔直径.在图12中,通孔和凸点的三维形状由一个虚拟部分检测,不仅能看到和检测到空洞,还可以自动探测,以便统计评估其大小和体积.

结论

x-ray检测对于铜填充微通孔和类似的互连,如TSV,的无损质量控制和缺陷分析是有益的.新型平板探测器提供了具有优异信噪比的成像,而在相同的时间内,高分辨率图像增强器系统能达到的影像质量则差很多.然而,图像增强器还是实现了非常高的放大倍率和分辨率.因此,暂时还是推荐两种探测器相结合的方式,来实现最大的功能性,以及由于改进了的平板探测器带来的低噪音使成像质量有所提高.

对于CT,相比以前的探测器系统,由于低噪和不增加扫描时间的GE DXR探测器成像,断层切片质量可得到显著提高.高分辨率计算机断层扫描技术使3D可视化效果和亚微米级的逐层分析可以检测复杂的3D集成电子器件和封装.这种无损的3D微量分析新工具将与2D纳米焦点x-ray检测相结合,部分取代破坏性的方法,节省成本及每个样本的检测时间.一个典型的应用是TSVs的投影直径为20至30μm,如同对3D集成器件中倒装芯片焊点的检测一样.体积数据的数字处理实现了在三维封装结构内的尺寸测量.

致谢：

非常感谢德国柏林的Fraunhofer IZM公司,他们准备了QFN-A嵌入式芯片封装.同时感谢香港应用科学和技术研究所(ASTRI),他们提供了TSV样品.

关于作者：

Holger Roth的邮箱是holger.roth@ge.com；Tobias Neubrand的邮箱是 tobias.neubrand@ge.com.