微電子元器件的金相制備

1、微電子元器件的金相制備近25年來，電子設(shè)備開發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)持續(xù)，快速地發(fā)展。以往的電子設(shè)備和電子消費品大多數(shù)龐大笨重，內(nèi)部部件均采用大型印刷電路板單獨連線。如今，電子設(shè)備微型化的驅(qū)動力。計算機、移動電話和攝像機的外形不斷縮小，功能不斷增多。微電子元器件的不斷發(fā)展為電子元件的微型化奠定了基礎(chǔ)，而微電子元器件的核心部件就是集成電路（IC）。IC的誕生使（電阻、電容、晶體管等）單體電子元件作為電子電路中積木式部件的需求量大幅降低。與有線電路相比，IC的優(yōu)勢在于尺寸和重量大幅減小，可靠性增強、成本降低、電路性能進一步提高。集成電路是將整套電子電路中的晶體管、二極管等有源元件與電阻、電容等無源元件組合（集

2、成）在一小塊半導體材料（通常為硅）上而制成的裝置（圖1和圖2）。這種裝置被稱為芯片。芯片融合了晶體管、電容器和其他類型電子元件的各種功能，將所有電子元件互連后完成一個復雜電路所執(zhí)行的任務(wù)?；ミB芯片的設(shè)計與制造就稱為封裝（見下文）。這些芯片化元件被貼裝在印刷電路板上，印刷電路板插裝在電子設(shè)備中（圖3）。這些元件均為批量生產(chǎn)，因此其質(zhì)量控制通常僅限于通過熱循環(huán)試驗來檢測有故障的部件，但是，芯片化元件的開發(fā)、設(shè)計和失效分析中卻要求觀察元件金相斷面中的微孔、裂縫和空洞及焊球、導電層、接點等。另外，金相分析還作為不同工序的產(chǎn)品的現(xiàn)場檢測方法。由于這些元件體積很小，為了保證金相試樣制備與觀察的精度，要求采

3、用專用制備技術(shù)和工具。金相制備過程中面臨的難題制備微電子元器件用于金相檢測時，需面臨的主要難題就是小試樣的幾何特性。集成電路體積小、結(jié)構(gòu)復雜、為制備工作帶來最嚴峻的挑戰(zhàn)。制備過程中需考慮到其三維屬性，要想獲得具有代表性的試樣，必須花費時間、耐心以及保證精度。以下所述為微電子元器件制備過程中一些常見的難題：切割：晶片、玻璃和陶瓷的切碎與斷裂鑲樣：機械變形與熱損傷研磨：玻璃纖維或陶瓷等脆性組件的斷裂（圖4）拋光：軟金屬層的拖尾。元器件材料硬度差異導致浮凸（圖5）。碳化硅和金剛砂微粒遺留在焊料中（圖6）。解決方案：采用專用工具和自動設(shè)備對目標進行快速切割、研磨和拋光。采用冷鑲法。在剛性磨盤上用金剛砂

4、和硬拋光布進行精磨和拋光。微電子元器件的生產(chǎn)過程和應(yīng)用芯片化元器件的生產(chǎn)工藝非常復雜，從新型元器件的設(shè)計到最終產(chǎn)品的生產(chǎn)，需要多個專業(yè)生產(chǎn)廠家交叉參與。以下對芯片化元器件的基本生產(chǎn)工序作簡要描述：設(shè)計當電子設(shè)備制造商決定生產(chǎn)新產(chǎn)品時，需要使用各種微電子元器件來實現(xiàn)設(shè)備的各種功能與特性。芯片設(shè)計是新型元器件的生產(chǎn)內(nèi)容之一，其中還涉及封裝的設(shè)計選型。對于元器件的設(shè)計，制造商既可內(nèi)部負責解決，也可向?qū)I(yè)設(shè)計所或芯片生產(chǎn)廠家外購。原型制作為檢驗新型元器件是否具備所需性能，通常會生產(chǎn)大量原型并對其進行測試。在這一階段，金相分析扮演著一個重要的角色，有大量橫斷面必須采用金相分析法進行處理與評估。金相檢測既

5、可由設(shè)備制造商進行，也可交給芯片制造商或封裝公司完成。芯片生產(chǎn)芯片生產(chǎn)將根據(jù)芯片設(shè)計由芯片制造商完成。芯片母材為一塊從單晶體（常為硅晶體）上切割下來的晶片。封裝芯片必須經(jīng)過電子元器件的互連和組裝才能工作。這些互連的設(shè)計與制造過程就稱為封裝。制造過程結(jié)束后，引線、焊球、導電層的連接點全部用塑料或陶瓷覆蓋。晶片被切割成單片并采用不同的方法進行封裝（圖7）。互連技術(shù)主要有兩種：引線鍵合和球柵陣列（BGA）。緊密性要求較高時，可采用倒裝芯片技術(shù)、直接將芯片與PCB互連。測試在這一制造階段，批量生產(chǎn)質(zhì)量將通過熱循環(huán)測試加以控制。這是尋找故障元器件的最后一項測試。應(yīng)用微電子元器件可廣泛應(yīng)用于通信產(chǎn)品、數(shù)據(jù)

6、處理產(chǎn)品和消費品等多個領(lǐng)域。一輛汽車可能就包含多達150個電子計算機裝置。但是，微電子元器件的應(yīng)用正日益擴展到非傳統(tǒng)領(lǐng)域。新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)映霾桓F，如超級市場貨品自動掃描設(shè)備，每件產(chǎn)品上均使用了超薄柔性芯片。微電子元器件的金相制備中面臨的難題觀察給定試樣的某一特定區(qū)域是進行金相檢測的主要要求之一。用手工方式“邊磨邊看”，直到目標出現(xiàn)，然后拋光，這種技術(shù)是非常費時的。在失效分析中，丟失目標常常意味著唯一試樣和貴重試樣的丟失。在微電子元器件中，特性迥異的各類材料被封裝在一起：玻璃、陶瓷、金屬和聚合物（圖8）。這些材料的各種組合要求制備方法需滿足：能夠呈現(xiàn)這些材料的個體特征，但不產(chǎn)生金屬和聚合物的拖尾或

7、玻璃或陶瓷的損傷等任何人為缺陷。這一點特別重要，因為微電子元器件檢驗中涉及各類評估，評估期間制樣產(chǎn)生的人為缺陷可能導致錯誤的評估結(jié)果。評估需要對下列若干項目進行檢查：孔洞、夾雜物和裂縫等缺陷的尺寸和分布（圖9）。材料與其連接面的粘合和鍵合程度。封裝中不同部件的尺寸和外形：層厚、引線和焊點的彎液面。陶瓷孔隙率和裂縫。平整度和邊角保護特別重要，因為各種材料間的間隔層極薄，必須高倍放大進行檢測（圖10a和b）。推薦方案微電子元器件的大部分金相檢測均在橫斷面上進行，在此提到的各種制樣步驟也是針對橫斷面進行的。但是，某些特殊項目的檢驗也需要在縱剖面上進行，在此提到的大多數(shù)推薦方案對縱剖面的檢測也同樣有效

8、。如上所述，微電子元器件橫斷面檢查的主要目的之一是呈現(xiàn)元器件中的某一特定目標區(qū)域的狀態(tài)。在切割和研磨過程中切削材料時應(yīng)十分謹慎，。切割和研磨有若干種技術(shù)可供選擇，下文將介紹幾種手動、半自動和自動的方法。自動化程度越高、發(fā)現(xiàn)檢測目標的成功率也就越高。切割：根據(jù)需研究的試樣類型，可選擇不同的精密切割機完成切割。例如，移動電話或貼裝有元器件的電路板可以在中型切割機上輕松切割出橫斷面，就像Secotom-1/10那樣，操作員可以通過切割砂輪進行手動切割。建議使用電鍍金剛砂輪切割塑料（433CA）或使用樹脂粘結(jié)金剛砂輪（352CA或452CA）。分割單體、小型或易碎元器件且精度要求較高時，推薦使用Acc

9、utom-5/50。根據(jù)元器件或組件的尺寸或易碎程度，切割前必須將部件或元器件鑲固，避免造成機械損傷。在任何情況下，切口均應(yīng)與實際觀察區(qū)域保持足夠遠的距離，避免直接損失觀察區(qū)域。橫斷面切割完成后，應(yīng)小心地將剩余材料磨掉。初始工序越謹慎，陶瓷、芯片和玻璃發(fā)生裂縫或材料層或焊點發(fā)生剝離的可能性就越小。鑲樣：由于微電子元器件有組合性和易碎性的特點，不適于采用熱壓鑲樣法，因此必須采用冷鑲樣法。不推薦使用固化溫度較高的冷鑲樣樹脂，因為固化產(chǎn)生的熱量會影響焊料和聚合物，快干樹脂的高收縮性會導致硅晶體開裂。采用的分析方法不同，鑲樣方法也不同。光學顯微鏡觀察采用常規(guī)的鑲樣，使用透明的環(huán)氧樹脂（EpoFix、S

10、peciFix-20）。如果需要填充孔洞，建議采用真空浸漬法。在光學顯微鏡中使用寬帶藍色濾光片和窄帶橙色濾光片觀察時，將熒光染料（EpoDye）與環(huán)氧樹脂混合在一起，可以產(chǎn)生很好的空洞和裂縫襯度。對于很小的導孔，建議采用低粘度透明樹脂，便于順利流入孔洞中（ViaFix）。采用司特爾公司的Target-System時，元器件可直接鑲嵌在用于目標制備的專用試樣座上。研磨與拋光根據(jù)元器件大小和制備試樣的數(shù)量，可選擇手動、半自動或全自動研磨與拋光方法制備縱剖面和橫斷面。用粗磨料進行平面研磨可能損傷脆性材料并導致軟金屬發(fā)生嚴重變形（見圖4），因此，作為規(guī)定，請勿使用這種研磨方法。為了獲得良好的平整度，建

11、議用金剛砂在剛性磨盤（MD-Large）上精磨，代替碳化硅砂紙研磨法。隨后在絲織物上進行金剛砂拋光可起到很好的平整度保持作用。如果軟金屬內(nèi)含磨粒，則應(yīng)延長金剛砂拋光時間，直到這些微粒被徹底去除為止。用膠態(tài)氧化硅（OP-U）進行終拋光的時間應(yīng)短，以免產(chǎn)生浮凸現(xiàn)象。手動和半自動的目標制備在非封裝晶片和晶片組件的手動制備中，Tripod是一種配合手動“邊磨邊看”方法的有效工具。如采用這種方法，粒徑在30微米到0.05微米的研磨膜被固定在玻璃板上，試樣研磨和拋光以手動方式完成。用碳化硅砂紙以手動和半自動方式進行受控材料磨削和目標制備時，Accustop和Accustop-T可作為已鑲和未鑲嵌電子元器件

12、的專用試樣座。Accustop-T的傾斜功能可將多個目標同時研磨，如一排焊球，使這些目標一次性研磨至同一平面。用Accustop將幾個試樣手動或半自動研磨至距離目標約50微米的位置時，將試樣從Accustop中取下并移至半自動設(shè)備上作為單體試樣進行精磨和拋光。表1所示為單體試樣在TegraPol/TegraForce進行半自動精磨和拋光的制備方法。自動目標制備進行自動控制材料去除和制備時，司特爾的TargetSystem能夠在制備前進行試樣對準和測量。已鑲和未鑲試樣的橫斷面和縱剖面經(jīng)過研磨拋光后，能夠?qū)⒖梢姾臀达@現(xiàn)的目標一起呈現(xiàn)出來。激光測量系統(tǒng)保證準確度為±5微米，在制備過程中自動

13、復算磨削程度。帶有可見目標的試樣采用視頻設(shè)備進行對準和測量（圖11和圖13），帶有未顯現(xiàn)目標的試樣采用X-光設(shè)備進行對準和測量（圖12）。然后，TargetSystem可預先計算磨削量并在距離最終目標平面約35微米時自動停止平面研磨作業(yè)。試樣通過精磨后被研磨至距離目標約15微米的距離，然后通過兩道拋光工序?qū)堄嗖牧先コ⑦_到試樣測定目標平面（圖14）。整個制備過程，包括切割在內(nèi)，大約需要45到60分鐘。表2所示為微電子元器件自動目標制備的數(shù)據(jù)。蝕刻元器件中各種材料的反射光的差異通?？商峁┳銐虻囊r度，因此不再需要進行蝕刻。用膠態(tài)氧化硅進行終拋光后，對焊點和銅再進行輕度浸蝕。用OP-S懸浮液，而不

14、是用侵蝕性較弱的OP-U懸浮液進行終拋光時尤為如此。在OP-S懸浮液中添加少量過氧化氫（3%），即可將侵蝕程度提高到足以呈現(xiàn)試樣結(jié)構(gòu)的程度。如果OP-S拋光時間超過30秒，會立即發(fā)生過蝕刻。建議在30秒后檢查試樣，然后根據(jù)需要逐步延長拋光時間。銅和銅合金用蝕刻劑：25毫升水 25毫升氫氧化銨 0.5-10毫升過氧化氫（3%）微電子元器件中的典型微觀結(jié)構(gòu)示例采用不同的照明技術(shù)，也能增大結(jié)構(gòu)襯度。暗視場有助于發(fā)現(xiàn)陶瓷中的裂縫；微分相襯和偏振光也可提高特定材料結(jié)構(gòu)的襯度或色度，有助于更好地進行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)語集成電路技術(shù)的發(fā)展，為電子設(shè)備微型化奠定了基礎(chǔ)，降低了單體電子元器件作為電子電路積木式部件的需求量。金相分析在芯片化元器件的設(shè)計、開發(fā)和失效分析中扮演著至關(guān)重