微电子的金相制备
由于微电子元件的尺寸和复杂性，制备用于金相分析的微电子元件具有挑战性。本指南概述了确保在微电子样品中有效和准确的受控材料去除所需的特殊技术和设备，并具有可重复的结果。
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微电子学的主要特点
在过去的25年里，电子设备的发展和生产取得了迅速的进展。以前，电子设备又大又笨重，大多数电子元件单独布线在大型印刷电路板(pcb)上。集成电路的发展使微电子元件的小型化成为可能。集成电路比有线版本更小、更可靠、制造成本更低、性能更好。集成电路将有源元件(如晶体管和二极管)与无源元件(如电阻和电容)结合在一起，在一块被称为晶圆的半导电材料(通常是硅)上创建一个完整的电子电路。这些微电子芯片安装在PCB上，插入电子元件。
微电子元件的金相学
大多数微电子元件都是批量生产的，因此质量控制通常局限于热循环测试，以检测缺陷部件。然而，金相学在以下方面发挥着重要作用:- 芯片类元器件的开发、设计和失效分析:研究组件的横截面，以识别潜在的微孔、裂缝、空洞、焊锡球、导电层或连接
- 现场检查:这些是在生产的不同阶段进行的
图1:导线、电阻、通孔和电容在中心的线性集成电路的细节
图2:带有集成电路导电引线的硅片截面
图3:安装在PCB上的组件
典型的检查包括:
- 缺陷的大小和分布:如空洞、夹杂和裂缝
- 材料及其界面的粘接和粘合爱游戏信誉
- 包装中不同零件的尺寸和形状:层厚、导线、焊锡半月板
- 陶瓷的气孔和裂纹
- 平整度和边缘保持(在高倍镜下检查材料之间非常薄的层)爱游戏信誉
由于微电子元件的尺寸和复杂性，制备用于金相分析的微电子元件极具挑战性。因此，在受控材料去除过程中，需要特殊的制备技术和设备来确保正确的精度水平。
图4:微电子元件中的材料组成示例
图5:多层电容(1)焊接到电路板(2)的铜金属化上;疲劳裂纹(3)在焊料中不断传播
图6 a和b:陶瓷与铜在高倍镜下显示不同的平面度:a)初始用碳化硅箔/纸细磨;B)对金刚石进行初始细磨MD-Largo细研磨盘
微电子样本类型
从材料学的角度来看，微电子可以分为三类样品。
硅晶片
半导体硅片的性能与其材料的微观结构和化学成分密切相关。因此，硅片的材料学分析在电子元器件的开发和质量控制中都具有重要意义。
通过受控的材料去除，圆柱形硅锭薄片进行材料学制备，用于分析，通常使用红外(IR)显微镜和傅里叶变换红外(FTIR)光谱。经过精确的材料学抛光后，对硅晶圆的平行或横截面进行非封装形式的检查。集成电路的细节是在光学显微镜或电子显微镜下研究的，这取决于分析的规模和类型。
集成电路(ic)及其组件
每个晶圆封装在紧凑的ic或组件中，使用不同的互连和涂层技术。这些微小和高度复杂的微电子元件的材料截面用于开发、设计、生产抽查和故障分析。检查的目的是查看裂纹、空洞、焊锡球、导电和隔离层、连接等。
金相检查通常集中在包装内部的特定区域。因此，可控材料去除被用来识别和揭示这个目标。离散元件，如电容器，电阻等，也要进行材料学检查，以分析几何和微观结构的缺陷。
印刷电路板(pcb)
pcb由环氧树脂/玻璃纤维或陶瓷基板、镀铜金属层和镀孔(也称为“通孔”)组成。
进行PCB材料的样品制备，以帮助定位基板材料中的缺陷爱游戏信誉。根据领先的行业标准，pcb镀通板的质量必须进行材料学检查。为此目的，生产和准备了一个测试优惠券，以便镀通孔的中心可以使用显微镜检查。此外，通常在横截面上研究连接、涂层相干性和厚度。
微电子样品制备的挑战
在执行受控材料去除和微电子样品的目标制备时，有三个主要挑战。微型维度需要适合处理小样品的专用设备和附件。切割和磨削等步骤需要比正常更高的精度，由于尺寸，这通常在微米范围内。
复合材料成分在微电子学中很常见，在微电子学中，软金属、陶瓷和复合材料通常紧密地包裹在一起。这使得制备方法和参数的选择是一种妥协，仔细选择以满足特定的要求。
控制材料的去除和准确的制备当小的目标是考试的主题时，就需要。金相样品检查通常包括检查一组相互连接的芯片内部的特定区域。这可能是耗时的，因为它通常涉及人工控制的材料去除过程，称为“研磨和观察”(即反复研磨，然后检查，直到目标出现，准备抛光)。
在研究或失效分析中，在研磨和查找过程中错过目标可能意味着失去一个独特的和/或昂贵的样本。因此，自动化或优化的解决方案由于其机械精度高，光学测量单元和机械停止越来越多地被使用。
制备微电子样品过程中常见的困难包括:
- 切割:硅片、玻璃或陶瓷的剥落和开裂
- 安装:机械变形和热损伤
- 研磨:玻璃纤维或陶瓷等脆性成分的断裂
- 抛光:软金属层的涂抹;因不同材料硬度不同而产生的浮雕;爱游戏信誉焊料中残留的碳化硅和金刚石颗粒
图7:二极管裂纹的检测
图8:焊接处有疲劳裂纹的老化陶瓷多层电容器的贯通截面
图9:镀通孔连接焊料处的大空洞(50 x)
图10:镀通孔焊锡连接处的空洞和裂纹(200 x)
图11:DIC焊锡球截面
微电子的制备:切割和安装
切割微电子样品
根据微电子元件或组件的尺寸和脆弱性，在切割之前安装可能是必要的，以便将部件或组件固定在一起，从而避免机械损伤。切割时，要确保切口距离观察区域足够远，以避免机械损伤。一旦样品被切片，仔细研磨掉剩余的材料。这种方法将限制引入陶瓷裂纹，玻璃碎片，或导致层分层或焊点的风险。
切割微电子时，可以根据所研究的微电子样品的类型，在精密切断机的范围内进行选择:
- 切割塑料:我们建议使用电镀金刚石砂轮(E1D20)或树脂结合钻石轮(B0D20）
- 如果组件较大:我们建议aSecotom电镀钻石轮(直径20毫米，或15毫米为更精细的切割)
- 对于单个的，小的或易碎的部件:我们推荐Accutom虽然可以使用较小的截止轮
- 对于装有微电子元件的移动电话或电路板:我们建议使用中型机器，例如Secotom
越来越多的微电子样品
微电子元件由于其复合材料和易碎性，不适合热压缩安装。因此，他们总是冷骑。然而，一些丙烯酸冷安装树脂应该避免，因为它们发展高固化温度，这可能影响焊料和聚合物，并有高收缩率，这可能导致硅晶圆开裂。安装方法因所用分析方法不同而不同: 了解更多
微电子制备:研磨和抛光
根据微电子元件的尺寸和所需样品数量的不同，研磨抛光方法有手动、半自动和全自动三种。
避免用硬质磨料进行平面磨削，因为这样会损坏脆性材料并使软金属变形。爱游戏信誉
图12:粗磨SiC箔/纸引起的玻璃二极管裂纹和断裂损伤
平行和横截面的研磨和抛光推荐3步工艺
步骤1
要获得良好的平整度，可在硬质圆盘上用金刚石细磨(MD-Largo)，而不是继续磨磨蹭蹭碳化硅箔/纸．
步骤2
为了保持研磨后的平整度，在丝绸上使用钻石抛光剂。如果有磨料颗粒嵌入软金属，继续钻石抛光，直到这些去除。
步骤3
最后用胶体二氧化硅(OP-U NonDry)，但要尽量简短，以免松一口气。
图13:因材料硬度不同而产生的抛光效果爱游戏信誉
图14:焊料中的金刚石颗粒
微电子样品的手工制备
对于手工制备非封装硅片和封装，当使用研磨和观察控制材料去除方法时，Tripod是一个有用的工具。该方法将粒度为30 μ m ~ 0.05 μ m的研磨膜安装在玻璃板上，手工研磨抛光。微电子样品半自动靶材制备
对于半自动控制的材料去除，使用碳化硅箔/纸。我们建议对安装和未安装的微电子元件使用特殊的样品支架，如AccuStop或AccuStop-T．一旦几个样品已经研磨到大约50 μ m之前的目标，从AccuStop将它们单独放置在半自动研磨机中进行精磨抛光。
表1:微电子元件的制备方法，安装，30毫米直径。
全自动微电子样品靶制备
我们建议使用自动机器，如TargetSystem用于完全自动化的控制材料去除过程。整个准备过程，包括切割，需要45-60分钟。
TargetSystem在准备之前对样品进行校准和测量，然后自动研磨和抛光，使用视频对可见目标和x射线对隐藏目标。它可用于安装和卸载样品的横截面和平行截面的可控材料去除，精度为±5 μm。
图15:用于定位和测量可见目标的Target-Z视频
图16:带有隐藏目标的样品x射线
图17:有可见目标的样品，用视频显示
图18:支架与样品指示距离，自动测量和计算
表2:微电子元件靶制备的制备方法
在我们的e-Metalog中获得经过验证的方法
研磨和抛光表面和悬浮液的选择应由您的去除速度、平面度、浮雕度、边缘保留和涂抹要求决定。为了帮助您选择最佳的方法，我们的e-Metalog包含了大约25种经过验证的电子元件方法，涵盖了广泛的材料组合和制备要求。爱游戏信誉
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微电子样品的蚀刻
微电子元件含有不同的材料，每种材料反射光不同。爱游戏信誉这通常提供了足够的对比度，使蚀刻变得不必要。然而，如果需要蚀刻，我们建议最后抛光用硅胶因为它对焊料和铜有轻微的腐蚀作用。对于最后的抛光步骤，使用OP-S NonDry悬浮与少量过氧化氢(3%)。30秒后检查样品，避免过度腐蚀。如果你需要在此基础上继续，那就循序渐进。我们对微电子工业用铜和铜合金蚀刻剂的推荐:
25毫升水
25毫升氢氧化铵
0.5-10 ml过氧化氢(3%)
为了进一步增强结构的对比度，我们推荐以下照明技术:
- 暗场:用于鉴别陶瓷的裂纹
- 差干涉对比和偏振光:增加特定材料结构的对比或颜色
总结
集成电路、硅片和pcb是现代电子器件的关键组成部分，金相学在这些电子元件的设计、开发和失效分析中起着重要作用。然而，集成电路、硅片和多氯联苯在准备金相分析时具有挑战性。集成电路很小，几何形状复杂，通常包含许多不同的材料，如金属、玻璃或陶瓷。爱游戏信誉这使得受控的材料去除非常耗时，并且需要耐心和技巧来打磨和抛光组件内部的特定目标。
有专门的工具(AccuStop)可以简化手动和半自动控制的材料移除过程。对于全自动目标准备，Struers靶系统提供快速和精确的研磨和抛光。为了避免软硬层和材料之间的浮雕，我们建议在硬质圆盘上用金刚石研磨，在硬质布料上用金刚石抛光。爱游戏信誉
在微电子元件中，蚀刻通常是不必要的。然而，如果需要蚀刻，我们建议最后用胶体二氧化硅抛光，因为它对焊料和铜有轻微的侵蚀。
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所有图片由Kelsey Torboli提供，应用工程师，美国
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