微电子金相制备
由于其尺寸和复杂性，制备微电子元器件样品进行金相分析可能很有挑战性。 本指南概述了在微电子样品中确保有效且准确的受控材料磨削并获得可重复结果所需的特殊技术和设备。
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微电子产品的主要特点
在过去 25 年间，电子设备的开发和生产得到了快速发展。 此前，电子设备又大又笨重，大多数电子元器件都单独连接在大型印制电路板 (PCB) 上。集成电路 (IC) 的发展使微电子元件的小型化成为可能。 与接线版本相比，集成电路更小、更可靠、制造成本更低、性能更好。 集成电路将有源元件（如三极管和二极管）与无源元件（如电阻和电容）结合在一起，在一片称为晶圆的半导体材料（通常是硅）上形成完整的电子电路。 这些微电子芯片安装在 PCB 上，与电子元件相连。
微电子元器件的金相
大多数微电子元器件都是批量生产，因此质量控制通常限于热循环测试，以检测故障零件。 但金相在以下方面起着重要的作用：- 芯片元器件的开发、设计和失效分析： 研究元器件的横截面，确定潜在的微孔、裂纹、空洞、焊球、导电层或连接
- 抽样检查： 这些检查在不同的生产阶段进行
图 1： 中心处具备导电引线、电阻、通孔和电容的线性集成电路的细节
图 2： 具有 IC 导电引线的硅晶圆的横截面
图 3： PCB 上安装的元器件
典型的检查包括：
- 空洞、夹杂和裂缝等缺陷的大小和分布
- 材料及其交界面的结合与附着
- 封装中不同零件的尺寸和形状：层厚、接线、弯月形焊点
- 陶瓷中的孔隙率和裂缝
- 平整度和边缘保护（在高倍放大镜下检查材料之间很薄的层）
由于其尺寸和复杂性，制备微电子元器件样品进行金相分析可能极具挑战性。 因此，需要特殊的制备技术和设备，以确保进行受控的材料磨削过程中达到正确的精度水平。
图 4： 微电子元器件材料成分的示例
图 5： 焊接到铜金属化电路板 (2) 上的多层电容 (1)；穿过焊料连续扩散的疲劳裂缝 (3)
图 6 a 和 b： 在高放大倍率下，含铜的陶瓷显示出平整度差异：a) 使用碳化硅箔/砂纸进行初始精磨；b) 使用金刚石在 MD-Largo 精磨盘上进行初始精磨
微电子样品类型
从材相角度来看，微电子元器件可以分成三种类型的样品：
硅晶圆
半导体硅晶圆的性能与其微观结构和化学成分方面的材料性质密切相关。 因此，硅晶圆的材相分析在电子元器件的开发和质量控制两个方面都很重要。
通过受控的材料磨削，制备圆柱形硅锭的薄切片进行材相分析，通常使用红外 (IR) 显微镜和傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱分析。 经过准确的材相抛光后，检查非封装形式硅晶圆的平行截面或横截面。 依据分析的尺度和类型，对光或者在电子显微镜中研究该集成电路的细节。
集成电路 (IC) 和部件
单个晶圆采用不同的互连和涂层技术封装在紧凑的集成电路或部件中。 这些微小、高度复杂的微电子元器件的材相截面将用于开发、设计、生产点检和失效分析。 检查的目标是查看裂缝、空洞、焊球、导电和绝缘层、接头等。
金相检查通常集中在封装产品的特定区域。 因此，受控的材料磨削用于确定和揭示这一目标。 电容、电阻等离散元器件也需要进行材相检查，以分析其几何和微观结构缺陷。
印刷电路板 (PCB)
PCB 包括环氧树脂/纤维玻璃或陶瓷基片、电镀铜金属层以及电镀孔（也称为“通孔”）。
进行 PCB 材料的样品制备有助于定位基板材料的缺陷。 根据领先的工业标准，必须对 PCB 电镀孔的质量进行材相检查。 为此，生产试样并进行制备，以便使用显微镜检查电镀孔的中心,。 此外，通常在横截面检查连接、涂层连贯性和厚度。
微电子样品制备的挑战
在进行受控的材料磨削和微电子样品目标制备时，有三个主要的挑战。微型尺寸需要适用于处理小样品的专用设备和配件。 由于尺寸通常在 µm 范围，切割和研磨等步骤需要比正常情况下更高的准确性。
复杂的材料成分在微电子器件中比较常见，其中软金属、陶瓷和复合材料通常需紧密压实。 这就需要对制备方法和参数进行权衡，并谨慎选择，以满足特定要求。
对小目标进行检验时，需要进行受控的材料磨削和准确的制备。 金相样品检查通常包括在封装的相互连接的芯片内对特定的区域进行检查。 这可能会很耗时，因为它通常涉及受控的材料磨削手动过程，这个过程称为“研磨-检查”（即反复研磨，然后检查，直到目标出现可以进行抛光）。
在研究或失效分析中，在研磨-检查过程中错过目标可能意味着失去独特和/或成本高昂的样品。 因此，自动化或优化的解决方案由于其高机械精度、光学测量单元和机械挡块，使用得越来越多。
在制备微电子样品过程中常见的困难包括：
- 切割： 硅晶圆、玻璃或陶瓷出现破裂和裂缝
- 镶样： 机械变形和热损坏
- 研磨： 玻璃纤维或陶瓷等脆性成分断裂
- 抛光： 软金属层拖尾；由于材料硬度不同而导致起伏；焊料中残留的碳化硅和金刚石颗粒
图 7： 检测二极管中的裂缝
图 8： 老化陶瓷多层电容的截面，焊接处出现疲劳裂缝
图 9： 电镀通孔焊接处的大空洞 (50 x)
图 10： 电镀通孔焊接处的空洞和裂缝 (200 x)
图 11： 焊球的横截面，DIC
微电子样品的制备： 切割与镶嵌
切割微电子样品
为将零件或元件保持在一起以避免机械损坏，可能需要在切割前进行镶样，具体取决于微电子元器件或组件的尺寸或脆性。切割时，应确保将切割位置放在距离观测区域足够远的地方，以避免机械损伤。 样品切好后，仔细磨去多余的材料。 这种方法可以限制在陶瓷中造成裂纹、在玻璃中出现碎片或在层或焊点处出现层离的风险。
切割微电子元器件时，您可以根据要研究的微电子样品的类型，在精密切割机中进行选择：
- 切割塑料： 我们推荐采用电镀金刚石切割轮 (E1D20) 或树脂粘合金刚石切割轮 (B0D20)
- 如果器件比较大： 我们推荐采用 Secotom 和电镀金刚石切割轮（直径 20 mm，或直径 15 mm 进行更精细的切割）
- 切割单个小器件或脆性器件： 我们推荐采用 Accutom，但也可以使用较小的切割轮
- 手机或安装有微电子元器件的电路板： 我们推荐采用中型机器，如 Secotom
镶嵌微电子样品
微电子元器件由于其复合性和易碎性，不适合进行热压缩镶嵌。 因此，它们总是进行冷镶嵌。 但是，应避免使用某些丙烯酸冷镶嵌树脂，因为它们的固化温度高，会影响焊料和聚合物，而且收缩率高，会导致硅晶圆出现裂缝。镶嵌方法取决于所用的分析方法： 了解更多
微电子样品的制备： 研磨与抛光
根据微电子元器件的大小以及所需的样品数量，有三种研磨和抛光方法：手动、半自动和全自动。
应避免用粗磨料进行平面研磨，因为这可能损坏脆性材料导致软金属变形。
图 12： 粗磨碳化硅箔/砂纸导致玻璃二极管中出现裂缝和断裂
推荐用于研磨和抛光平行截面和横截面的三步法
第 1 步
为获得出色的平整度，使用金刚石在刚性研磨盘 (MD-Largo) 上精磨，而不是在碳化硅箔/砂纸上研磨。
第 2 步
为保持研磨后的平整度，使用金刚石在绸布上抛光。 如果有磨料颗粒嵌入软金属中，继续用金刚石抛光，直至这些颗粒被清除。
第 3 步
使用硅胶 (OP-U NonDry) 进行最终抛光，但应尽量快速，以免出现起伏。
图 13： 由于材料硬度不同而导致抛光过程中出现起伏
图 14： 焊料中的金刚石颗粒
微电子样品的手动制备
对于非封装硅晶圆和封装品的手动制备，使用边磨边检查的受控材料磨削方法时，Tripod 工具非常有用。 采用此方法，颗粒大小为 30 µm 至 0.05 µm 的磨料膜镶嵌在玻璃板上，对试样进行手动研磨和抛光。微电子样品的半自动目标制备
对于半自动受控材料磨削，使用碳化硅箔/砂纸。 对于镶嵌和未镶嵌的微电子器件，我们推荐采用专用样品夹具座，如 AccuStop 或 AccuStop-T。当多个试样研磨至目标之前约 50 µm 后，从 AccuStop 夹具座取下试样并放到半自动机器中进行精磨和抛光。
表 1： 微电子元器件的制样方法，镶嵌，直径 30 mm
微电子样品的全自动目标制备
我们推荐采用自动化机器，如 TargetSystem 执行全自动受控材料磨削过程。 整个制备过程（包括切割）耗时 45-60 分钟。
TargetSystem 在制备前对样品进行对准和测量，然后进行自动研磨和抛光，可视目标使用视频，隐藏目标使用 X 射线。 它可以用于镶嵌和未镶嵌样品的横截面和平行截面的受控材料磨削，具有 ±5μm 的准确度。
图 15： 用于定位和测量可见目标的 Target-Z 视频
图 16： 具有隐藏目标的样品的 X 射线
图 17： 视频显示具有可见目标的样品
图 18： 装有样品的夹具座指示自动测量和计算的距离
表 2： 微电子元器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
您选择的研磨和抛光表面及悬浮液应取决于您的磨削率、平整度、起伏、边缘保护以及涂片的要求。 为帮助您选择最佳的方法，我们的 e-Metalog 包含了大约 25 种经过验证的电子器件方法，涵盖了各种材料组合和制备要求。- 了解 e-Metalog
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微电子样品的蚀刻
微电子元器件包含不同的材料，每种材料反射的光也不同。 这通常可以提供足够的对比度，使蚀刻不必要。 但是，如果需要进行蚀刻，我们推荐用硅胶进行最终的抛光，因为它对焊料和铜的侵蚀很轻微。 对于最终的抛光步骤，使用 OP-S NonDry 悬浮液和少量的过氧化氢 (3%)。 30 秒后检查样品，避免过度蚀刻。 如果此后需要继续处理，请逐渐这样进行。我们为微电子元器件中的铜和铜合金推荐的蚀刻剂：
25 ml 水
25 ml 氢氧化铵
0.5-10 ml 过氧化氢 (3%)
为进一步增强结构对比度，我们推荐采用以下照明方法：
- 暗场：用于确定陶瓷的裂缝
- 微分干涉对比和偏振光：用于提高对比度或增强特定材料结构的颜色
总结
集成电路、硅晶圆和印刷电路板是现代电子设备的重要组成部分，而金相在这些电子元器件的设计、开发和失效分析中起着重要的作用。但是，制备集成电路、硅晶圆和印刷电路板样品进行金相分析可能很有挑战性。 集成电路非常小，具有复杂的几何形状，通常包含许多不同的材料，如金属、玻璃或陶瓷。 这使得进行受控的材料磨削非常耗时，并且研磨和抛光元器件内部的特定目标也需要耐心和技巧。
有专门的工具 (AccuStop) 可以简化手动和半自动受控材料磨削过程。 对于全自动目标制备，Struers TargetSystem 能够进行快速、精确的研磨和抛光。 为避免软硬层与材料之间出现起伏，我们推荐使用金刚石在刚性研磨盘上进行研磨，在硬布上进行金刚石抛光。
微电子元器件通常不需要进行蚀刻。 但是，如果需要进行蚀刻，我们推荐用硅胶进行最终的抛光，因为它对焊料和铜的侵蚀很轻微。
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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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