失效分析常用儀器

1、失效分析常用工具介紹透射電鏡（TEM） TEM一般被使用來分析樣品形貌（morhology），金相結構（crystallographic structure）和樣品成分分析。TEM比SEM系統(tǒng)能提供更高的空間分辨率，能達到納米級的分辨率，通常使用能量為60-350keV的電子束。 與TEM需要激發(fā)二次電子或者從樣品表面發(fā)射的電子束不同，TEM收集那些穿透樣品的電子。與SEM一樣，TEM使用一個電子槍來產生一次電子束，通過透鏡和光圈聚焦之后變?yōu)楦毿〉碾娮邮?然后用這種電子束轟擊樣品，有一部分電子能穿透樣品表面，并被位于樣品之下的探測器收集起來形成影像。 對于晶體材料，樣品會引起入射電子束的衍

2、射，會產生局部diffraction intensity variations，并能夠在影像上非常清晰的顯現(xiàn)出來。對于無定形材料，電子在穿透這些物理和化學性質都不同的材料時，所發(fā)生的電子散射情況是不相同的，這就能形成一定的對比在影像觀察到。 對于TEM分析來說最為關鍵的一步就是制樣。樣品制作的好壞直接關系到TEM能否有效的進行觀察和分析，因此，在制樣方面多加努力對于分析者來說也是相當必要的工作。 掃描聲學顯微鏡 集成電路封裝的可靠性在許多方面要取決于它們的機械完整性.由于不良鍵合、孔隙、微裂痕或層間剝離而造成的結構缺陷可能不會給電性能特性帶來明顯的影響,但卻可能造成早期失效.C模式掃描聲學顯微

3、鏡(CSAM)是進行IC封裝非破壞性失效分析的極佳工具,可為關鍵的封裝缺陷提供一個快速、全面的成象.并能確定這些缺陷在封裝內的三維方位.這一CSAM系統(tǒng)已經在美國馬里蘭州大學用于氣密性(陶瓷)及非氣密性(塑料)IC封裝的可靠性試驗。它在塑料封裝常見的生產缺陷如:封裝龜裂、葉片移位、外來雜質、多孔性、鈍化層龜裂、層間剝離、切斷和斷裂等方面表現(xiàn)出 俄歇電子（Auger Analysis ） 是一種針對樣品表面進行分析的失效分析技術。Auger Electron Spectroscopy 和Scanning Auger Microanalysis（微量分析） 是兩種Auger Analysis 技術

4、。這兩種技術一般用來確定樣品表面某些點的元素成分，一般采取離子濺射的方法（ion sputtering），測量元素濃度與樣品深度的函數關系。Auger depth可以被用來確定沾污物以及其在樣品中的所在未知。它還可以用來分析氧化層的成分（composition of oxide layers），檢測AuAl鍵合強度以及其他諸如此類的。 與EDX或EDX的工作原理基本類似。先發(fā)射一次電子來轟擊樣品表面，被撞擊出來的電子處于一個比較低的能量等級（low energy levels）。而這些能級較低的空能帶就會迅速被那些能量較高的電子占據。而這個電子躍遷過程就會產生能量的輻射，也會導致Auger e

5、lectrons（俄歇電子）的發(fā)射。所發(fā)射的俄歇電子的能量恰好與所輻射出的能量相一致。一般俄歇電子的能量為50-2400ev之間。 在Auger Analysis 中所使用的探測系統(tǒng)一般要測量每一個發(fā)射出的俄歇電子。然后系統(tǒng)根據電子所帶的能量不同和數量做出一個函數。函數曲線中的峰一般就代表相應的元素。 FTIR Spectroscopy（Fourier Transform Infrared） FTIR顯微觀察技術是一種可以提供化學鍵合以及材料的分子結構的相關信息的失效分析技術，不論對象是有機物還是無機物。通常被用來確定樣品表面的未知材料，一般是用作對EDX分析的補充。 這套系統(tǒng)的工作原理是基于

6、不同物質中的鍵或鍵組（bonds and groups of bonds）都有自身固定的特征頻率（characteristic frequency）。不同的分子，當暴露在紅外線照射之下時，會吸收某一固定頻率（即能量）的紅外線，而這個固定頻率是由分子的本身特性決定。樣品發(fā)射和反射的不同頻率的紅外線會被轉換成為許多能量峰（peaks）的組合。最后根據由FTIR得到的能譜圖（spectral pattern）進行分析來進行確定是那種物質。與SEM和EDX分析不同的是FTIR顯微鏡不需要真空泵，因為氧氣和氮氣都不吸收紅外線。FTIR分析可以針對極少量的材料進行，樣品可以是固態(tài)、液態(tài)或者氣態(tài)。當FTIR

7、頻譜與庫里的所有資料都不匹配時，可以分別對頻譜中的peak進行分析來確定樣品的部分信息。 無損檢測技術-SAM 將scanning acoustic microscope(SAM)用于IC的封裝掃描檢測，可以在不損傷封裝的情況發(fā)現(xiàn)封裝的內部缺陷。由于在很多時候不能打開封裝來檢查，即使打開很可能原來的缺陷已經被破壞。利用超聲波的透射、反射特性可以很好解決這個問題。超聲波在不同介質中的傳播速率不同，在兩種界面的交界處會發(fā)生反射現(xiàn)象。反射的程度用反射率來衡量，用R來表示。每種材料還有自己的固有特性，波阻抗，用Z來表示。波阻抗由材料的密度和超聲波在該材料中的傳播速度決定，他們間的關系：ZpV。當超聲波

8、通過兩種介質的交界面時，其反射率R由這兩種介質的波阻抗決定，R( )一( 一Z +Z )×100。當波從波阻抗小的介質向波阻抗大的介質傳播時，即Z2>z ，這時反射率R>0。當波從波阻抗大的介質向波阻抗小的介質傳播時，即Z2<Z ，R0。當封裝中出現(xiàn)空洞、分層、封裝破裂和芯片裂隙時，超聲波不能正常通過，因為裂隙和空洞的介質是空氣，波阻抗為000。所以此時超聲波一定是從波阻抗大的介質向小的介質傳播，R一100 。這樣就可以很輕易的區(qū)分正常部分與缺陷部分，達到了無損檢測的目的。 X射線能譜儀 主要由半導體探測器及多道分析器或微處理機組成（圖3），用以將在電子束作用下產生

9、的待測元素的標識 X射線按能量展譜(圖4)。X射線光子由硅滲鋰 Si(Li)探測器接收后給出電脈沖信號。由于X射線光子能量不同,產生脈沖的高度也不同，經放大整形后送入多道脈沖高度分析器，在這里，按脈沖高度也就是按能量大小分別入不同的記數道，然后在X-Y記錄儀或顯像管上把脈沖數-脈沖高度（即能量）的曲線顯示出來。圖4就是一個含釩、鎂的硅酸鐵礦物的 X射線能譜圖，縱坐標是脈沖數,橫坐標的道數表示脈沖高度或X射線光子的能量。X射線能譜儀的分辨率及分析的精度不如根據波長經晶體分析的波譜儀,但是它沒有運動部件,適于裝配到電子顯微鏡中，而且探測器可以直接插到試樣附近，接受X射線的效率很高，適于很弱的X射線

10、的檢測。此外，它可以在一、二分鐘內將所有元素的 X射線譜同時記錄或顯示出來。X射線能譜儀配到掃描電子顯微鏡上,可以分析表面凸凹不平的斷口上的第二相的成分；配到透射電子顯微鏡上可以分析薄膜試樣里幾十埃范圍內的化學成分,如相界、晶界或微小的第二相粒子。因此X射線能譜儀目前已在電子顯微學中得到廣泛應用。X 射線能譜分析的一個較大弱點是目前尚不能分析原子序數為11(Na)以下的輕元素，因為這些元素的標識X射線波長較長,容易為半導體探測器上的鈹窗所吸收。目前正在試制無鈹窗及薄鈹窗的探測器，目的是檢測碳、氮、氧等輕元素。 電子顯微鏡(掃描電鏡、透射電鏡、SEM、TEM)相關參數 ·樣品減薄技術復

11、型技術只能對樣品表面性貌進行復制，不能揭示晶體內部組織結構信息，受復型材料本身尺寸的限制，電鏡的高分辨率本領不能得到充分發(fā)揮，萃取復型雖然能對萃取物相作結構分析，但對基體組織仍是表面性貌的復制。在這種情況下，樣品減薄技術具有許多特點，特別是金屬薄膜樣品：可以最有效地發(fā)揮電鏡的高分辨率本領；能夠觀察金屬及其合金的內部結構和晶體缺陷，并能對同一微區(qū)進行衍襯成像及電子衍射研究，把性貌信息于結構信息聯(lián)系起來；能夠進行動態(tài)觀察，研究在變溫情況下相變的生核長大過程，以及位錯等晶體缺陷在引力下的運動與交互作用。 表面復型技術謂復型技術就是把金相樣品表面經浸蝕后產生的顯微組織浮雕復制到一種很薄的膜上，然后把復

12、制膜（叫做“復型”）放到透射電鏡中去觀察分析，這樣才使透射電鏡應用于顯示金屬材料的顯微組織有了實際的可能。 用于制備復型的材料必須滿足以下特點： 本身必須是“無結構”的（或“非晶體”的），也就是說，為了不干擾對復制表面形貌的觀察，要求復型材料即使在高倍（如十萬倍）成像時，也不顯示其本身的任何結構細節(jié)。 必須對電子束足夠透明（物質原子序數低）； 必須具有足夠的強度和剛度，在復制過程中不致破裂或畸變； 必須具有良好的導電性，耐電子束轟擊； 最好是分子尺寸較小的物質-分辨率較高。 電子顯微鏡(掃描電鏡、透射電鏡)相關參數(二) ·俄歇電子如果原子內層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量不是以X

13、射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮樱@種二次電子叫做俄歇電子。因每一種原子都由自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范圍內。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個原子層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號適用與表層化學成分分析。 ·特征X射線特征X射線試原子的內層電子受到激發(fā)以后在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。 X射線一般在試樣的500nm-5m m深處發(fā)出。 ·二次電子二次電子是指背入射電子轟擊出來的核外電子。由于原子核和外層價電子間的結合能很小，當原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應的結合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層處，那些能量大于材料逸出功的自由電