集成電路(IC)封裝的截面顯微組織檢驗(yàn)方法

1、集成電路 (IC)封裝的截面顯微組織檢驗(yàn)方法引言電子學(xué)是工程學(xué)的一個(gè)重要分支, 它是一門關(guān)于為了有用的目的而對電子進(jìn)行控制的學(xué)科。運(yùn)用物理學(xué)的知識得知, 電子的流動可以在真空、氣體、或液體中進(jìn)行，也可以在固體中受限制地流動（半導(dǎo)體）、接近不受限制地流動（導(dǎo)體）、或完全不受限制地流動（超導(dǎo)體）。 當(dāng)今, 電子產(chǎn)品正變得越來越復(fù)雜，工程技術(shù)人員總是力圖將許多部件放在一個(gè)小小的“黑匣子”中。制造商總是想把大部分資金用在改善其生產(chǎn)設(shè)施，而只愿意留下很少一部分資金用于質(zhì)量控制。最壞的情況是，大多數(shù)公司寧愿把他們的質(zhì)量控制資金用于基本設(shè)備投資，例如購買新型掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡，或是厄歇譜儀，只剩

2、下很少一部分錢用來購買試樣制備設(shè)備和消耗器材。一個(gè)眾所周知的現(xiàn)象就是人們對試樣制備的重要性一直不夠重視。 另一方面, 毫無疑問，最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性取決于每個(gè)部件的性能。然而，這也總是電子工業(yè)的一個(gè)令人頭痛的問題。對電子產(chǎn)品的截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)是一種眾所周知并通常廣為接受的檢驗(yàn)方法。然而，大多數(shù)電子產(chǎn)品的金相技術(shù)人員可能面臨的一個(gè)問題就是他們需要進(jìn)行磨光和拋光的材料比預(yù)期的復(fù)雜和困難。他們也許從來沒有學(xué)習(xí)過如何去處理多層基體材料，而他們在大學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)只學(xué)過如何恰當(dāng)?shù)刂苽渚鶆虻牟牧?，例如鋼、銅合金或鋁合金。此外，他們還須面對設(shè)備很差的金相實(shí)驗(yàn)室，消耗器材的品種也很有限，并且使用所謂的“傳統(tǒng)或常規(guī)方

3、法”來制備先進(jìn)的電子產(chǎn)品試樣。一般情況下，常規(guī)試樣制備方法是從240#碳化硅砂紙開始，先進(jìn)行磨成平面工序，接著使用600#、 1200#砂紙，然后用0.3 µm 氧化鋁進(jìn)行粗拋光，以及0.05 µm 氧化鋁在長絨毛織物上進(jìn)行最終拋光，這樣可獲得光亮的表面。制備方法還可能因地而異，甚至還取決于實(shí)驗(yàn)室有哪些現(xiàn)成的消耗器材。當(dāng)今，這種制備方法已經(jīng)不適于用來制備先進(jìn)材料。此外，他們也沒有想到他們的試樣是否好到足以和先進(jìn)的顯微鏡或掃描電子顯微鏡相匹配。在本文中，我們試圖給出各種集成電路（ IC）封裝、引線連接，以及其它部件的試樣制備方法。比較好的試樣制備方法我們的出發(fā)點(diǎn)是避免產(chǎn)生更多

4、的損傷。 截面顯微組織檢驗(yàn)對于電子工業(yè)的質(zhì)量控制和失效分析是一個(gè)有用的手段。 但是在試樣制備過程中，有時(shí)不可避免地會對試樣施加應(yīng)力、振動，或使之受熱。當(dāng)我們使試樣增加某些額外的損傷時(shí)，要區(qū)分它是原始缺陷還是試樣制備過程中帶來的將是困難的。切割在切割樣品以前，我們應(yīng)當(dāng)明確地知道， 哪個(gè)目標(biāo)區(qū)域是我們所要檢驗(yàn)的，以及切割方向或取向。電子封裝包括銅引線支架、復(fù)合成型材料、硅線夾、金導(dǎo)線、釬料。 有些材料相當(dāng)脆，使用高速切割機(jī)可能會帶來更大的損傷。因此，使用 Buehler 公司的 ISOMETTM 型低速切割機(jī)可以使切割損傷減至最小。除了切割機(jī)外，切割片的選用也非常重要。一般情況下，低濃度金剛石切割

5、片(用 LC 表示)適于切割硬而脆的材料，例如陶瓷、 電子封裝、半導(dǎo)體等，這是由于為了達(dá)到合理的切割速率，需要單顆金剛石磨料承受高負(fù)載。圖 1 示出不同金剛石切割片中金剛石磨料的相對尺寸。圖 2 示出硅晶片切割表面的明視場顯微組織照片。由圖 2c 可以看出，使用 5LC 金剛石切割片可以獲得最佳切割效果，但是在有些情況下，使用較細(xì)的磨料可能會使切割時(shí)間顯著增長。為了切割 IC 封裝， 10LC 系列切割片在合理的切割時(shí)間內(nèi)能給出滿意的結(jié)果（請參看 Scott Holt 撰寫的文章，刊登于 Buehler 公司的技術(shù)評論（ Tech-Note），第 3 卷，第 1 期）。鑲嵌在電子產(chǎn)品試樣制備中

6、，鑲嵌材料的選用也是一個(gè)重要的課題。毫無疑問，熱鑲嵌方法不適于電子產(chǎn)品試樣。如果試樣中含有某些脆性材料，例如硅線夾或陶瓷電容等，當(dāng)受到壓力和熱時(shí)就會開裂；另外，當(dāng)試樣受到重壓力時(shí)產(chǎn)生分層現(xiàn)象也并非不常見。另一方面，當(dāng)我們選用冷鑲嵌材料時(shí)，以下幾點(diǎn)準(zhǔn)則對我們會有幫助：（ 1） 低峰值溫度-為了避免引起熱損傷。通常情況下，由于大多數(shù)電子產(chǎn)品試樣對于受熱相當(dāng)敏感，因此我們不推薦使用峰值溫度超過 90°C 的鑲嵌材料。另一方面，當(dāng)我們將樹脂與固化劑混合時(shí)，放熱反應(yīng)就開始了。熱就會通過“連鎖反應(yīng)”連續(xù)產(chǎn)生。即使混合比例正確，如果二者的混合量太多，過熱也會產(chǎn)生，它的粘度也會顯著增加，鑲嵌物將轉(zhuǎn)為

7、黃色并產(chǎn)生大量氣泡。因此，鑲嵌樹脂混合物的體積不應(yīng)超過150 毫升。（ 2） 低收縮（或劈裂） -冷鑲嵌材料固化時(shí)會產(chǎn)生收縮。這時(shí)在鑲嵌材料與試樣之間會產(chǎn)生縫隙，在試樣進(jìn)行磨光時(shí)，一些磨料（例如砂紙上的碳化硅顆粒）就可能會嵌入此縫隙中，在下一道工序中，這些磨料顆粒又會被拖出而在試樣表面上產(chǎn)生一條深劃痕；另一種情況，如果鑲嵌材料與 IC 封裝成型材料之間的粘合是如此地好，以至于 IC 封裝的成型材料會被拉出而在成型材料與硅晶片之間產(chǎn)生縫隙。這一情況有點(diǎn)看起來似乎有點(diǎn)不尋常，但是對于“薄”的 IC 封裝(例如 BGA 或TSOP)，還是有可能產(chǎn)生的。如果這種情況的確發(fā)生，我們就無法斷定它是原有的缺

8、陷還是試樣制備缺陷 (參看圖 3)（ 3） 低粘度-它有助于填充細(xì)孔、孔隙、或凹進(jìn)區(qū)域。（ 4） 透明-操作者可以透過鑲嵌樹脂看到試樣目標(biāo)區(qū)域的準(zhǔn)確位置。但是對于一些染色的或半透明鑲嵌材料, 操作者必須估計(jì)應(yīng)該磨到多深。 對于關(guān)鍵試樣, 例如用于失效分析的獨(dú)一無二試樣, 如果操作者磨光時(shí)超過目標(biāo)點(diǎn), 他們就會遇到很大的麻煩。（ 5） 低磨耗因子-這一術(shù)語相當(dāng)不常見, 它的單位是每分鐘去除的(鑲嵌)材料, 用微米/分鐘表示, 它在一定程度上與硬度有關(guān)。 數(shù)值高意味著磨光或拋光時(shí)能去除更多的材料, 反之亦然。眾所周知, 電子產(chǎn)品試樣中既含有硬材料, 也含有軟材料。在硬材料中有像陶瓷填料那樣硬的材料

9、，在軟材料中有像釬料球那樣軟的材料。如果使用具有高磨耗因子的鑲嵌材料，經(jīng)過拋光后，在軟材料外邊緣周圍將會出現(xiàn)過度的浮凸，這些區(qū)域在顯微鏡下將難于清晰聚焦。 以下推薦三種用于電子產(chǎn)品試樣的冷鑲嵌材料：磨光和拋光這是試樣制備過程中最困難的部分。切割后在截面上可以看到一些劃痕。但是磨光和拋光不僅是為了去除切割劃痕，同時(shí)還要去除隱藏的損傷和變形。變形機(jī)制一般說來，切割后產(chǎn)生的損傷有兩種：(1) 塑性變形 - 產(chǎn)生于延性材料，例如銅、鋁、錫銻合金。情況類似于硬度試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的壓痕，所不同的是，硬度壓痕是點(diǎn)狀缺陷，而劃痕是線狀缺陷。壓痕附近區(qū)域也受到變形和應(yīng)力的作用。這一隱藏的缺陷區(qū)不能代表材料的真實(shí)組織，

10、因此應(yīng)當(dāng)通過磨光和拋光將其去除 (參看圖 4a)(2) 脆性破壞 - 產(chǎn)生于脆性材料，例如陶瓷、硅晶片等。其表面形成一些凹坑和裂紋。對于陶瓷封裝，出現(xiàn)凹坑是一種良好的征兆，表示我們可以進(jìn)行到下一道工序。如果凹坑的尺寸變得越來越小，表明我們正在去除損傷層。由于陶瓷封裝是用燒結(jié)方法生產(chǎn)的， 孔隙和孔洞就是原始組織的一部分。如果孔隙或凹坑的尺寸在重復(fù)同一工序數(shù)次后仍舊不變，這就意味著損傷層已經(jīng)去除，我們就可以進(jìn)行下一道工序了 (參看圖 4b)有趣的分類方法PGA (柵格陣列接腳), C-DIP (雙列直插式陶瓷封裝), LCC (無引線芯片架),TSOP (薄小外型封裝), QFP (四方扁平封裝)

11、, BGA (球柵陣列接腳) 諸如此類為數(shù)眾多的縮寫術(shù)語和封裝類型往往會使外行人感到迷惑。但是對于電子產(chǎn)品試樣制備方法來說，我們只有兩種類型：薄封裝和厚封裝。薄封裝意味著在集成電路（ IC）中使用的成型材料不太多，通常其體積分?jǐn)?shù)小于 30%。如果成型材料的體積分?jǐn)?shù)超過 30%，這種 IC 封裝就稱為厚封裝。 銅引線支架、硅晶片、晶片連接材料、釬料等的磨光并不太困難。但是成型材料總是會給我們帶來困難，這種材料中 包含環(huán)氧樹脂基體、氧化鋁或氧化硅填料，這些填料是硬而脆的。試樣磨光時(shí)，成型材料將在幾分鐘內(nèi)把碳化硅砂紙磨耗掉。破碎的磨料不再具有尖銳的棱角，失去了去除材料的能力；更有甚者，過度的磨光還會

12、使環(huán)氧樹脂基體松弛，造成填料顆粒脫落并在試樣與 SiC 砂紙之間滾動，造成一些“點(diǎn)狀”劃痕。更壞的情況是，破碎的磨料顆粒具有負(fù)迎角，遇到延性材料時(shí)很快就會變鈍，不能起切割的作用，反而會與試樣表面產(chǎn)生“磨蹭”，使試樣表面變得光亮。不內(nèi)行的人看起來，可能會誤認(rèn)為試樣表面的磨光有了進(jìn)展。實(shí)際上，總的殘余損傷、變形、和應(yīng)力反而增加了，我們將要看到的組織不再是正確的。由于大多數(shù)人對于成型材料的質(zhì)量并不感興趣，但是它的確會對質(zhì)量檢驗(yàn)過程帶來麻煩。在討論集成電路封裝的磨光和拋光以前。首先應(yīng)當(dāng)明確以下兩點(diǎn)：（ 1） 不要期望能夠?qū)⑺械膭澓廴コ诟叨炔痪鶆虻姆庋b材料中，當(dāng)硬材料中的劃痕去除后，軟材料中又會形成

13、少量劃痕，去除這些劃痕是非常困難的。即使絕大部分區(qū)域都制備得相當(dāng)完美，在金引線上還會有少量細(xì)劃痕，可以在高放大倍數(shù)的顯微鏡下看到。（ 2） 不要期望能得到一個(gè)完美的平坦表面封裝材料的硬度范圍非常寬廣，可以從 50HV 直到數(shù)百 HV。軟材料去除得較快，但是硬材料的去除速率卻相當(dāng)慢，因此不可避免地會產(chǎn)生一定的浮凸。厚封裝的制備方法半自動磨光/拋光機(jī)可用來制備 IC 封裝試樣，磨光和拋光參數(shù)可以輸入到機(jī)器中。使用上述方法開始時(shí)，可以用 600# SiC 砂紙將試樣磨到接近目標(biāo)區(qū)。盡管我們曾經(jīng)提到過， SiC 砂紙對于去除成型材料并不那么有效，但是如果我們在切割試樣時(shí)，距離目標(biāo)區(qū)能夠準(zhǔn)確到 2 mm

14、，所需去除的材料就不太多了，一般情況下，一張 600# SiC 砂紙足以完成此項(xiàng)任務(wù)。對于厚封裝，經(jīng)過 600#砂紙工序后，由于成型材料的體積分?jǐn)?shù)較高，如果使用 800/1200 號的 SiC 砂紙繼續(xù)磨光，成型材料中的氧化硅或氧化鋁填料就會迅速將砂紙磨耗掉。這時(shí)就可以使用一種叫做 Texmet 的多孔性磨光織物，它具有比較硬的表面并含有許多小孔，與之配合使用的是 15µm 金剛石懸浮液，可以非常有效地去除硅晶片上的“碎裂損傷”并足以有效地磨去成型材料中的陶瓷填料。目前尚不清楚這種磨光織物工作的詳細(xì)機(jī)制，但是從它的結(jié)構(gòu)，我們可以設(shè)想金剛石磨料的顆?？梢詮囊粋€(gè)孔隙滾向另一個(gè)孔隙，當(dāng)它從

15、織物表面滾過時(shí)，會對試樣產(chǎn)生直接的切割作用（參看圖 5）。這可能就是劃痕的形貌從“碎裂損傷”轉(zhuǎn)為“線性劃痕”的原因。經(jīng)過了 15µm 工序，可以使用 Texmet 2500 型織物, 與之配合的是 9µm 金剛石懸浮液，這種織物與 Texmet 1500 型織物類似，具有優(yōu)異的保持夾雜物的能力，但是前者更硬一些，因此可以避免過早產(chǎn)生浮凸。最終拋光階段可以使用 Mastertex 型織物，這是一種短絨毛織物。長絨毛織物容易產(chǎn)生嚴(yán)重的浮凸，試樣與織物表面的摩擦力也較高，因此夾雜脫落的機(jī)率也較高，盡管使用它可以獲得比較光亮的表面。至于拋光懸浮液，二氧化硅要比氧化鋁粉末（懸浮液）的

16、效果好。 當(dāng)大多數(shù)人聲稱，氧化鋁是最好的最終拋光介質(zhì)，他們似乎忘記了，我們所使用的磨料應(yīng)當(dāng)比試樣本身硬。成型材料中的填料、硅晶片的硬度高于氧化鋁顆粒的硬度，操作者必須花費(fèi)更長的時(shí)間來去除前一道工序的劃痕， 但是與此同時(shí)卻造成了嚴(yán)重的浮凸?！昂瘛狈庋b的導(dǎo)線連接薄封裝的制備方法與厚 IC 封裝試樣的制備方法相比較，只有很少的變化。在 600# SiC 砂紙后，使用 800#和 1200#號 SiC 砂紙，這是由于薄封裝試樣中的成型材料對磨光效率的影響不太大，因此可以使用粒度較細(xì)的 SiC 砂紙，以獲得良好的平整性并且可以將前一道工序的絕大部分劃痕去除。磨光/拋光機(jī)大多數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的金相技術(shù)人員聲稱，他

17、們用雙手可以比半自動機(jī)器制備出質(zhì)量更好的試樣。這是一個(gè)可以爭論十天的議題，即用哪一種方法制備試樣更好。然而，沒有多少金相技術(shù)人員可以告訴你，用手可以對試樣施加多少牛頓的力，也許他們會說，大約有 13 牛頓。如果你用大拇指按一下彈簧秤，你就會發(fā)現(xiàn) 13 牛頓的力并不如你所想象的那樣輕。 不同的金相技術(shù)人員對試樣施加的壓力不盡相同，即使是同一位金相技術(shù)人員，對于相同試樣的同一道工序，他（或她）對試樣施加的壓力每天也不會相同。因此，半自動機(jī)器的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是每一道工序的壓力都可以精確地進(jìn)行調(diào)整。另一方面，不同的試樣需要磨去多深并不相同，因此電子產(chǎn)品試樣應(yīng)當(dāng)采用單獨(dú)加載方式，這種加載方式具有靈活性

18、，可以從試樣夾持器中取出其中任意一塊試樣而不會影響其它試樣。所有的工程師和金相技術(shù)人員都知道，當(dāng)電動機(jī)工作時(shí)，它不僅在轉(zhuǎn)動，還會產(chǎn)生振動。 我們用電動機(jī)來驅(qū)動磨光/拋光機(jī)的轉(zhuǎn)盤。 當(dāng)我們在制備試樣時(shí)，除了有轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動動作外，振動還會使試樣受到一個(gè)隨機(jī)向上的力，這時(shí)試樣中的夾雜產(chǎn)生脫落的機(jī)會就會大得多。 因此，比較重的機(jī)器可以提高其穩(wěn)定性并有助于降低振動的振幅。此外，電動機(jī)與轉(zhuǎn)盤之間可以采用皮帶輪或齒輪箱連接。多數(shù)人認(rèn)為，皮帶輪是一種老式設(shè)計(jì)，齒輪箱則更先進(jìn)。但是他們忘記了，來自電動機(jī)的振動可以通過齒輪箱傳遞到轉(zhuǎn)盤，特別是當(dāng)齒輪受到磨損、喪失其精度時(shí)。因此，盡管皮帶輪看起來不那么先進(jìn)，它的使用性

19、能卻優(yōu)于齒輪箱。自動拋光頭的設(shè)計(jì)也會影響試樣制備結(jié)果。對它的要求和對拋光機(jī)機(jī)座的要求相似，即良好的穩(wěn)定性并沒有抖動。使用強(qiáng)度高的鋼支架來制造拋光頭可以獲得良好的穩(wěn)定性，氣動制動器可以用來將拋光頭與基座鎖定以避免產(chǎn)生抖動。它看起來應(yīng)當(dāng)是什么樣子？當(dāng)我們將試樣制備完畢后， 我們對自己提出的問題首先是， 這是真實(shí)組織嗎？多數(shù)人認(rèn)為，金屬間化合物層應(yīng)當(dāng)具有完美的外形、非常平行、沒有空洞、沒有間隙。金屬間化合物層的任何缺失和不連續(xù)都是由于試樣制備技術(shù)不好造成的，或者是由于半自動機(jī)器功率太大，使得一部分金屬間化合物脫落，因此機(jī)器并不能取代有經(jīng)驗(yàn)金相技術(shù)人員的工作，技藝要比機(jī)器更為重要。如果人們看一下圖 7

20、a 和圖 7b, 他(她)可能會得出結(jié)論，即金屬間化合物層呈不連續(xù)狀。 但是如果我們使用與薄封裝試樣的類似方法來制備另一塊 BGA 試樣，如圖 8a 至 8d 所示，你將會發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為這是試樣制備不好造成的結(jié)論下得過早。從圖 8a 導(dǎo)線連接的外邊緣可以看出,此處輪廓看不到金屬間化合物層。圖 8b中，另一試樣的導(dǎo)線連接更向內(nèi)部分，可以看到一層厚度非常均勻的金屬間化合物層，其形狀相當(dāng)完整。到了圖 8c，如果再往深磨下去，金屬間化合物層就不再象圖 8b 所示的那樣完整， 有些區(qū)域呈不連續(xù)狀， 厚度也不那么均勻。 有人可能會認(rèn)為金屬間化合物產(chǎn)生了塑性流變并脫落，使其厚度不均勻。然而，根據(jù)從一點(diǎn)得出結(jié)論認(rèn)為試樣制備不好也不公平。我們是用相同的方法在同一臺設(shè)備上制備從圖 8a 至圖 8c 所示的試樣，如果的確發(fā)生了塑性流變，那么圖 8b 中的試樣也應(yīng)當(dāng)會發(fā)生，其厚度就不會象我們所看到的那樣均勻。此外，象圖 7a 和圖 7b 所示的導(dǎo)線連接分別是圖 6e 左側(cè)和右側(cè)的導(dǎo)線連接。這兩個(gè)導(dǎo)線連接彼此相鄰，并且使用相同的導(dǎo)線連接設(shè)備來制作這個(gè) IC，如果發(fā)生了塑性流變和脫落，至少金屬間化合物層的形狀應(yīng)當(dāng)是相似的。然而，二者的形狀卻很不相同。從這一事