微电子的金相制备
由于其尺寸和复杂性，制备用于金相分析的微电子元件可能具有挑战性。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，电子设备的开发和生产突飞猛进。以前，电子设备又大又笨重，大多数电子元件单独地连接在大型印刷电路板上。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(如电阻和电容器)结合在一块被称为晶圆的半导电材料(通常是硅)中，形成一个完整的电子电路。这些微电子芯片被安装在PCB上，然后插入电子单元。
微电子元件的金相学
大多数微电子元件都是批量生产的，因此质量控制通常仅限于热循环测试，以检测有缺陷的部件。然而，金相学在以下方面发挥重要作用:- 基于芯片的组件的开发、设计和失效分析:研究组件的截面以识别潜在的微孔、裂纹、空隙、焊料球、导电层或连接
- 现场检查:这些是在不同的生产阶段进行的
图1:线形集成电路的细节，导线、电阻、通孔和电容器位于中心
图2:带集成电路导联的硅片横截面
图3:安装在PCB上的组件
典型检查包括:
- 缺陷的大小和分布:如空隙、夹杂物和裂纹
- 材料及其界面的粘接和粘合
- 包装中不同部位的尺寸和形状:层厚、导线、焊料半月板
- 陶瓷的气孔和裂纹
- 平整度和边缘保留(在高倍镜下检查材料之间非常薄的层)
由于其尺寸和复杂性，微电子元件在制备金相分析时极具挑战性。因此，需要特殊的制备技术和设备，以确保在受控材料去除过程中达到正确的精度水平。
图4:微电子元件中的材料组成示例
图5:多层电容器(1)焊接在电路板(2)的铜金属化上;疲劳裂纹(3)通过焊料连续扩展
图6 a、b:高倍下含铜陶瓷平整度差异:a)碳化硅箔/纸初始细磨;B)初始细磨与钻石上MD-Largo细磨盘
微电子样品类型
从材料学的角度来看，微电子学可以分为三种类型的样品。
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，硅片的材料分析在电子元件的开发和质量控制中都是重要的。
通过控制材料去除，圆柱形硅锭的薄片在材料上制备用于分析，通常使用红外(IR)显微镜和傅里叶变换红外(FTIR)光谱。在精确的材料抛光后，硅片的平行或横截面以其未封装的形式进行检查。集成电路中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
单个晶圆封装在紧凑的集成电路或组件中，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。检查的目的是看裂纹，空隙，焊料球，导电和隔离层，连接等。
金相检查通常集中在包装内部的一个特定区域。因此，受控的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。
PCB材料的样品制备是为了帮助定位基板材料中的缺陷。根据领先的行业标准，必须从材料上检查pcb镀通孔的质量。为此目的，生产和准备了测试券，以便可以使用显微镜检查镀通孔的中心。此外，通常在截面上研究连接、涂层相干性和厚度。
微电子样品制备的挑战
在进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。微观维度需要专门的设备和配件，适合处理小样品。切割和磨削等步骤需要比正常情况下更高的精度，因为尺寸通常在µm范围内。
复杂材料组成在微电子学中很常见，其中软金属、陶瓷和复合材料通常紧密排列。这使得制备方法和参数的选择妥协，精心选择以满足特定的要求。
控制物料的去除和准确的准备当小目标是检查的主题时，是需要的。金相样品检查通常包括检查互连芯片封装内的特定区域。这可能很耗时，因为它通常涉及一个手动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，直到目标出现并准备抛光)。
在研究或故障分析中，在研磨和观察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较高的机械精度、光学测量单元和机械停止而越来越多地使用。
在制备微电子样品时常见的困难包括:
- 切削:硅片、玻璃或陶瓷的切削和开裂
- 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缓解;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:老化陶瓷多层电容器的截面，焊锡连接处有疲劳裂纹
图9:镀通孔连接焊料中的大空洞(50 x)
图10:镀通孔焊锡连接处的空洞和裂纹(200 x)
图11:焊球截面，DIC
微电子器件的制备: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易损性，可能需要在切割之前进行安装，以便将零件或组件固定在一起，从而避免机械损坏。切割时，确保切口距离观察区域足够远，以避免机械损伤。一旦样品被分割，小心地磨掉剩余的材料。这种方法将限制在陶瓷中引入裂纹的风险，在玻璃中引入芯片，或导致分层或焊点。
当切割微电子器件时，您可以根据正在研究的微电子样品的类型选择精密切断机的范围:
- 用于切割塑料:我们建议使用电镀金刚石砂轮(E1D20)或树脂粘合钻石轮(B0D20）
- 如果组件比较大:我们推荐aSecotom带有电镀金刚石轮(直径20毫米，或15毫米为更细的切割)
- 对于单个、小型或易碎部件的分段:我们建议采用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
安装微电子样品
微电子元件不适合热压缩安装，由于其复合和脆弱的性质。因此，它们总是冷装的。但是，应该避免使用一些丙烯酸冷安装树脂，因为它们的固化温度高，会影响焊料和聚合物，并且收缩率高，会导致硅片开裂。安装方法因所使用的分析方法而异: 了解更多
微电子器件的制备:研磨和抛光
根据微电子元件的尺寸和所需样品的数量，研磨抛光方法有手动、半自动和全自动三种。
避免平面磨削与课程磨料，因为这可能破坏脆性材料和变形软金属。
图12:粗磨SiC箔/纸导致玻璃二极管裂纹和断裂损伤
推荐的平行和横截面磨削和抛光3步工艺
步骤1
为了获得极好的平整度，在刚性圆盘上用金刚石细磨(MD-Largo)，而不是继续纠结碳化硅箔/纸．
步骤2
为了保持磨后的平整度，在丝绸上使用钻石抛光。如果有磨料颗粒嵌入在软金属上，继续进行钻石抛光，直到这些颗粒被清除。
步骤3
最后用胶体二氧化硅进行抛光(OP-U NonDry)，但要保持简短，以免松一口气。
图13:不同硬度的材料抛光效果不同
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，Tripod是使用研磨和观察控制材料去除方法时的有用工具。对于这种方法，将颗粒尺寸从30 μ m到0.05 μ m的研磨膜安装在玻璃板上，并手动研磨和抛光试样。微电子样品的半自动靶材制备
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夹，例如AccuStop或AccuStop-T．一旦几个样品已经被研磨到目标前约50微米，将它们从AccuStop将它们单独放置在半自动机器中进行精细研磨和抛光。
表1:微电子元件的制备方法，安装，30毫米直径。
微电子样品全自动靶材制备
我们建议使用自动机器，如TargetSystem用于全自动控制材料去除过程。整个准备过程，包括切割，需要45-60分钟。
TargetSystem在制备前对样品进行校准和测量，然后自动研磨和抛光，使用视频检测可见目标，使用x射线检测隐藏目标。它可用于安装和未安装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:含隐藏目标的样品x射线
图17:有可见目标的样本，用视频显示
图18:带有样本指示距离的支架，自动测量和计算
表2:用于微电子元件目标制备的制备方法
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根据您的去除率、平整度、浮雕度、边缘保留度和涂抹要求来决定。为了帮助您选择最好的方法，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。- 请查看e-Metalog
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微电子样品蚀刻
微电子元件包含不同的材料，每种材料反射光不同。这通常提供了足够的对比度，使蚀刻变得不必要。但是，如果需要蚀刻，我们建议最后用抛光硅胶，因为它对焊料和铜有轻微的攻击。最后的抛光步骤，使用OP-S NonDry与少量过氧化氢(3%)混悬液。检查你的样品后30秒，以避免过度腐蚀。如果你需要在这一点上继续，那就慢慢来。我们对微电子领域铜及铜合金刻蚀剂的推荐:
25毫升水
25ml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:用于鉴别陶瓷裂纹
- 差动干涉对比度和偏振光:增加特定材料结构的对比度或颜色
总结
集成电路、硅片和pcb是现代电子设备的关键组成部分，金相学在这些电子元件的设计、开发和故障分析中起着重要作用。然而，ic、硅片和pcb在制备金相分析时可能具有挑战性。集成电路很小，具有复杂的几何形状，通常包括许多不同的材料，如金属、玻璃或陶瓷。这使得受控的材料去除非常耗时，并且需要耐心和技能来研磨和抛光组件内部的特定目标。
有专门的工具(AccuStop)，简化手动和半自动控制的材料去除过程。对于全自动目标准备，Struers目标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松动，我们建议在坚硬的圆盘上用金刚石研磨，在坚硬的布料上用金刚石抛光。
在微电子元件中通常不需要蚀刻。但是，如果需要蚀刻，我们建议使用胶体二氧化硅进行最后的抛光，因为它对焊料和铜有轻微的攻击。
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所有图片均由美国应用工程师Kelsey Torboli提供
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