|
利用新型样品自动制备系统进行失效分析
Katja Reiter，Fraunhofer
Institute for Silicon Technology
Hans Bundgaard，Struers
A/S
电子和微电子封装是一个复杂的多种材料合成过程,无论从化学成分、晶向结构还是微观结构来说，这些材料都存在着巨大的差异。检测这些器件的技术重点在于材料的界面、晶格边界、相界以及异均相沉析。因此，微结构成像和分析成了评估封装质量的一个先决条件。从金相学的角度来看,
进一步的检测标准包括内含物、污染物、气泡、裂纹、孔洞、乃至轮廓等方面的评估，后者的一个例子是软铅料连接处浸润角度。
为了得到最佳的样品表面,时至今日样品基本上都由手工制备,因此只有非常有经验的技术员才能够操作一些很难的作业,例如智能芯片模块内部的绑线研磨；另一个选择是采用半自动化样品制备。问题是，这两种方法都有可能由于研磨过度而造成样品所需检测面信息遭受无法挽回的损失,
这一点在针对复杂的电学模块内部结构进行显微观测中尤其重要。
基于检测对象、重复能力以及样品表面质量的要求,我们研发了一种全自动化仪器，用于特定材料的切除和样品所需检测面的制备（www.struers.com）。这个仪器用在电学失效的金相学分析中，具有5um的精度。Fraunhofer
ISiT研究所利用此全自动样品制备工具取得了很好的效果,并开发出相应的样品制备方法流程。
全自动样品制备
样品材料的切除和制备的自动化过程,
需要新的仪器可以预先进行样品的校准和测量；对于已经焊于板上或者已从板上卸下的样品横截面检测，样品可以直接研磨并打磨至可见或者不可见的目标检测层；激光测量系统应该确保±5um的精度；切除速率可以在样品制备过程中自动计算得到。
我们的自动样品制备仪器校准和测量既可以通过显微镜对可见样品进行视频显示(图1)，也可以对不可见的检测层采用X射线观测(图2)。
图1
印刷电路板上的可见检测目标——微通孔
图2 不可见检测目标——X光图片显示出CSP结构中的
一排焊球
新仪器可以自动计算已切除材料的总量，自动开始制备样品，并且在距离最终检测层175um处停止平面研磨步骤，然后换用更高精度的测量系统继续抛光接近检测层，其中用户可以选择多个暂停点，如图3所示的50um和10um处。
图3
电子和激光测量系统比较
新仪器的自动材料切除控制由两个独立的测量系统完成。初步研磨过程由一个电学测量系统控制，它可以连续测量距离检测层的剩余厚度。距离检测层175um时，仪器就自动换用激光测量系统，这个系统用的是相对测量技术。为了达到测量的可靠性，样品在转到激光测量工作台前，会经过两个内部清洗工作台进行清洗步骤。使用激光测量系统，仪器的精度可以达到±5um。
样品制备方法
在制备开始之前，必须先用一种特殊的胶水将样品固定于一个横截面夹具——即样品支轴(sample
chair，一种用于样品支撑和固定的装置)。然后把样品支轴夹入一个样品固定器，并通过x射线进行实时校准和测量(图5)。
测量得到的数据传输入样品制备系统，同时样品固定器置入研磨机的样品旋转台。开始研磨前会先测量样品的高度，每一个步骤的研磨时间也会通过计算得到。表1记录了整个过程的各种参数以及制作6个20um金线样本的研磨方法。
抛光过程可以根据预先设定的时间点中途暂停，对样品进行定时激光测量。激光测量步骤还对样品进行精确的观测和校准，以确保精准地抛光到所需检测层。整个样品自动制备过程可以确保很高的精准度，如图4～图7所示，20um长度绑线的横截面完全暴露出来了(图5)，同时显示出楔形结合点处的一个裂纹(图7)。
图4
利用x射线和特制工作台进行检测层实时校准和测量
图5 长达20um的金线横截面全部可见
图6 金线的楔形结合点
图7 楔形结合点处裂纹的SEM图片
对制备仪器的评估
样品表面质量取决于以下几个方面，即研磨/抛光介质、研磨时间和压力、以及样品上板固定材料。
选择合适的研磨压力和研磨绒布以及悬浮液是非常重要的。这里推荐使用含金刚石的悬浮液，它与研磨绒布非常匹配。研磨时间的设定取决于由研磨或抛光介质引起的样品变形深度。
例如，步骤2中(即采用碳化硅研磨纸打磨)，推荐预设切除厚度是250um，表2记录了优化的样品制备各种参数。
如何选择合适的上板固定材料也非常关键。对于细丝结构，例如印制电路板中的微孔结构或者极细的绑线，环氧树脂填料的粘胶就可以更好地防止裂纹和气泡的产生，其样品制备的结果与仪器制造商提供的规格就可以保持一致，并可以真正达到所要求的±5um的精度。当然，要达到这样精确的结果首先必须正确无误地操作仪器。
引起测量偏差的几个因素包括，清洗步骤完成后由于样品或者参考平面沾湿引起激光测量偏差，或者是初始测量时由于操作不当引起的测量偏差。
样品制备示例
金相学样品制备系统的样品通常来自对电子产品评估(产品质量与可靠性)的需求。以下图片及其简要说明，介绍了电子器件封装中几个典型的微结构与材料失效分析的检查方法。
表1
绑线样品制备的各个步骤参数
表2
优化的样品制备参数
a. CSP底部填胶(Underfilling
CSP)
底部填胶在倒装芯片与主板连接的封装中最为常见。然而，不断追求小型化和高性能的各种手持产品(例如手机和PDAs)、自动化电子产品以及军事方面的应用，使得超细间距球栅阵列封装(BGA)和芯片级封装(CSP)的应用不断增长。在这些应用中，机械压力能够导致产品的早期失效。
图8-10是底部填胶堆叠芯片封装经过不同负载(-400C到1250C的热震循环，潮湿环境和超声测试)后，焊球连接点性能的评估。这种底部填胶的结构需要不可见目标检测层的样品制备过程。
图8
底部填胶CSP的光学图片
图9
SnAgCu0.5-CSP焊球的截面图— 图10
热震循环后铜焊从PCB上脱离并且
—热震循环后铜线发生了损坏(1000x)
焊球产生裂纹（1500x）
b.
无铅产品的需求
欧盟关于危险物质限制使用条例(RoHS)规定，从2006年7月1日开始，所有欧盟成员国必须在市场上推出无铅、无汞、无镉、无六价铬、无多溴化联(二)苯及苯基团的电子器件。无铅合金(例如SnAgCu-SAC)的使用带来了很多新的失效模型与挑战。表2中所示的样品制备方法就是针对无铅合金材料研发的，我们将在下文的实例中证明它的强大功能。
c.浸析(Leaching)
在焊接中，“熔解”(Dissolution)是金属间化合物初步形成的必要条件,也是固体材料熔（溶）入液体材料时所发生的金相变化。在焊锡制程(包括波峰焊、回流焊、手焊、返修焊等操作)中，金属基板以及它们的金属涂层（coating）容易发生浸析现象。
以前表层金属(例如银、金和钯)和基板(铜和镍)表面涉及到熔（溶）解。熔（溶）解的速率取决于表层金属和焊料的成分、表面清洁程度以及焊接的速率，并且与温度成指数变化。
图11-12中的样品是一根极细的7芯编织线在2600C高温三次浸入熔化的无铅焊料后的结果。图17是浸入前的状态，图18显示了铜芯在SnAgCu0.5焊料中发生了剧烈的熔（溶）解，7个铜芯只剩下了一个，其余6个已经全部熔（溶）解了。
图11
浸入前7芯编织线的状态（1000,微截面）
图12 SnAgCu0.5焊料——强烈的熔（溶）解（1000x）
d. 须状物的生长
锡须是生长于镀锡表面的细丝状结构(直径<1um)。这种生长会导致电路短路或者产品其它部件的性能损伤。利用精确性经过测试的样品制备方法，一根细丝的微截面都可以被展示出来。
锡须会有各种不同形状、长度以及尺寸。这里的图片展示了两种不同形状的须状物结构，图13是针状结构，图14是果冻杯状结构。须状物的生长是内部压力释放的结果，这些压力产生于镀膜工艺或者镀锡表面扭曲、变形或者类似的机械过程。
图13
电镀纯锡表面不同形状的须状物SE图片
图14 果冻杯状锡须得SEM图片（5000x）
e. 脆性断裂
化学镀镍/浸金(ENIG)表面工艺是替代含铅印刷电路板表面工艺的一种可行方法(通常是热空气焊锡均涂hot
air solder leveling HASL)。然而，ENIG表面工艺会产生脆性断裂问题，从而引起焊接处过早失效以及封装后焊点剪切力不足。
由于在大部分的正常焊点中只有极少的焊点不够牢固,这就使测试、寻找以及消除这个现象就非常困难。这种脆性断裂失效模型只有在表面处理最后一道工序是化学镀镍/浸金(ENIG)时才会出现。这是由于化学镀金工艺产生的一种腐蚀机理，金沉积时会选择性地侵入富含磷的镍层晶界，从而在化学镀镍层引起泥裂。
图15是一个相对较厚的金属间化合物相，这在SnNi金属间化合物相中是不正常的。厚金属间化合物相(2-3um)增加了发生脆性断裂的风险。另外一个因素就是磷元素在镍金属间化合物相的界面的聚集。
图15
厚层SnNi金属间相的出现是即将出现脆性断裂的前兆
结论
样品检测层的制备不仅需要精确而且必须具有很强的复制性，在多个样品中达到相同的标准。采用手工作业时，只有非常有经验有技巧的技术员才能够制备出这样高质量的样品，并且费时费力。而且样品很容易由于研磨过度而造成所需检测层的毁坏，从而无法进行进一步的研究。自动样品制备系统可以在短时间内制备出要求非常苛刻的样品，不仅保证了高精准度而且其复制能力也非常强。
本文摘自SEMI半导体产业网
|
