Mikroelektronik

Mikroelektronik

Aus materialographischer Sicht umfasst die Mikroelektronik drei Probentypen:

  • Silizium-Wafer
  • IC-Bausteine und Bauteile
  • Leiterplatten

Silizium-Wafer

Die Leistung eines Silizium-Halbleiters ist eng mit seinen Materialeigenschaften, genauer gesagt Gefüge und chemische Zusammensetzung, verbunden.

Dünne Scheiben des zylindrischen Silizium-Ingots werden materialographisch für die Analyse durch in der Regel die IR-Mikroskopie und die FTIR-Spektroskopie präpariert.

Die Herstellung von Wafern umfasst zahlreiche, sich wiederholende Prozesse, um vollständige elektronische Bauteile und integrierte Schaltkreise auf der Oberfläche des Wafersubstrats zu erzeugen, wonach der Wafer vereinzelt wird.

Nach präzisem materialographischem Polieren werden die winzigen Parallel- oder Querschliffe des Wafers in seiner nicht verkapselten Form kontrolliert. Die Einzelheiten integrierter Schaltkreise werden je nach Größe und Art der Analyse unter einem Licht- oder Elektronenmikroskop untersucht.

Silizium-Wafer

Die Leistung eines Silizium-Halbleiters ist eng mit seinen Materialeigenschaften, genauer gesagt Gefüge und chemische Zusammensetzung, verbunden.

Dünne Scheiben des zylindrischen Silizium-Ingots werden materialographisch für die Analyse durch in der Regel die IR-Mikroskopie und die FTIR-Spektroskopie präpariert.

Die Herstellung von Wafern umfasst zahlreiche, sich wiederholende Prozesse, um vollständige elektronische Bauteile und integrierte Schaltkreise auf der Oberfläche des Wafersubstrats zu erzeugen, wonach der Wafer vereinzelt wird. Nach präzisem materialographischem Polieren werden die winzigen Parallel- oder Querschliffe des Wafers in seiner nicht verkapselten Form kontrolliert. Die Einzelheiten integrierter Schaltkreise werden je nach Größe und Art der Analyse unter einem Licht- oder Elektronenmikroskop untersucht.

IC-Bausteine und Bauteile

Anschließend findet das Packaging der Dice statt.

Packaging-Methoden umfassen verschiedene Bond- und Beschichtungstechniken, die alle auf extreme Kompaktheit abzielen.

Materialographische Querschliffe dieser winzigen, hochkomplexen Bauteile werden in der Entwicklung, dem Entwurf, bei Produktionsstichproben und Fehleranalysen verwendet. Ziel dieser Untersuchungen ist das Erkennen von Rissen, Poren, Lötperlen, leitfähigen und dielektrischen Schichten, Verbindungen usw. Schwerpunkt der Untersuchung ist häufig ein bestimmter Bereich des Packagings, sodass die materialographischen Applikationen die Identifizierung und Erkennung dieses Ziels möglich machen müssen.

Diskrete Bauteile wie Kondensatoren, Widerstände usw. werden ebenfalls materialographisch untersucht, um die Defekte der Geometrie und des Gefüges zu erkennen.

Leiterplatten bestehen aus einem Trägermaterial aus glasfaserverstärktem Epoxid oder Keramik, darauf aufgebrachten Kupferschichten sowie durchkontaktierten Löchern, die auch als Vias bezeichnet werden.

Proben der Leiterplattenmaterialien werden präpariert, um Defekte im Substratmaterial, das die elektronischen Bauteile trägt, zu erkennen.
Alle maßgeblichen Industriestandards und Normen verlangen eine materialographische Prüfung der Qualität von Lötverbindungen auf einer Leiterplatte. Zu diesem Zweck wird ein Testcoupon entnommen und präpariert, sodass die Bohrungsmitte unter einem Mikroskop untersucht werden kann.

Zusätzlich werden Verbindungen, Schichtbindungen und -dicken in Querschliffen geprüft. Auch für Leiterplatten werden präzise materialographische Prozesse verwendet, wobei der Zweck der Untersuchung den vorgegebenen Bereich festlegt.

Materialographische Präparation von Mikroelektronik, kontrollierter Materialabtrag (CMR) und Zielpräparation in der Praxis

Bei der materialographischen Präparation von mikroelektronischen Bauteilen gilt es, drei Herausforderungen zu meistern.

Kleinste Abmessungen

1. Die geringen Abmessungen verlangen hochspezialisierte Geräte und entsprechendes Zubehör, die für die Handhabung sehr kleiner Proben geeignet sind. Die Anforderungen an die Genauigkeit der materialographischen Prozesse wie Trennen und Schleifen sind bei Proben im Mikrometerbereich deutlich höher.

Komplexe Werkstoffzusammensetzungen

2. Die Materialzusammensetzung ist in der Regel komplex, da weiche Metalle, Keramik und Verbundstoffe dicht zu mikroelektronischen Bauteilen verbaut sind. Dies verlangt Kompromisse bei der Wahl der Präparationsmethode und Parameter, die sorgfältig auf die vorgegebenen Anforderungen abgestimmt werden müssen.

Kontrollierte, präzise Präparation

3. Die Untersuchung kleiner Ziele erfordert eine kontrollierte, präzise Präparation. Möglich wird dies durch hohe mechanische Präzision, optische Messeinheiten und mechanische Stopps, mit anderen Worten automatische Geräte, die im Vergleich zu der traditionellen Technik, Schleifen und anschließendes Prüfen, optimiert wurden.

Trennen und Probenahme

Für das Trennen stehen je nach Art der zu untersuchenden Probe verschiedene Präzisionstrenngeräte zur Verfügung.

  • So lassen sich einfach Querschliffe eines Mobiltelefons oder einer mit Bauteilen bestückten Leiterplatte auf einem manuell oder automatisch betriebenen mittelgroßen Gerät herstellen.
  • Zum Trennen einzelner, kleiner oder zerbrechlicher Bauteile, die eine höhere Präzision verlangen, ist ein Präzisionstrenngerät empfehlenswert.
  • Zum Trennen von Kunststoffen eignen sich elektroplattierte Diamanttrennscheiben oder Diamanttrennscheiben mit Kunststoffbindung.

In jedem Fall muss der Trennschnitt immer so weit von dem zu untersuchenden Bereich wie möglich angesetzt werden, um mögliche direkte Beschädigungen zu vermeiden. Restmaterial kann dann nach dem Trennen vorsichtig abgeschliffen werden. Je mehr Sorgfalt für diesen ersten Schritt aufgewendet wird, desto geringer ist das Risiko einer Rissbildung bei keramischen Werkstoffen, Chips und Glas oder eine Ablösung von Schichten oder Lötstellen.

Für die Extraktion von Leiterplattencoupons stehen spezielle Probenahmegeräte zur Verfügung. Dank der Automatisierung und optischen Messtechniken können Coupons mit diesen Geräten mittig punktgenau gebohrt und gefräst werden. Empfindliche oder kleine Proben sollten vor dem Trennen imprägniert werden.

Einbetten

Mikroelektronische Bauteile eignen sich aufgrund ihrer Verbundstruktur und Zerbrechlichkeit nicht für das Warmeinbetten.

Empfehlenswert sind Einbettmittel mit niedriger Aushärttemperatur, um eine Wärmeeinwirkung auf Lötmittel und Polymere zu vermeiden. Für kleine oder spröde Proben, wie Silizium-Wafer, wird ein Einbettmittel mit geringer Schrumpfung bevorzugt, um das Risiko einer Rissbildung auf ein Minimum zu beschränken.

Die Einbettmethode muss an die Analysemethode angepasst werden.

  • Für regelmäßig geformte Einbettungen werden für Lichtmikroskope durchlässige Epoxid-Einbettmittel verwendet.
  • Müssen Hohlräume und Poren gefüllt werden, wird das Vakuumimprägnieren empfohlen. Durch Beimischen eines fluoreszierenden Farbstoffs wird ein hervorragender Kontrast zur Erkennung von Hohlräumen und Rissen unter dem Lichtmikroskop erreicht.
  • Für sehr kleine Vias sollte ein Einbettmittel mit geringer Viskosität gewählt werden, das schnell in die Löcher fließt.

Bei Spezialgeräten besteht die Möglichkeit, Bauteile für beispielsweise die Prüfung von Vias oder die Zielpräparation direkt in dem Probenträger einzubetten.

Schleifen und Polieren

Zum manuellen oder halbautomatischen Schleifen und Polieren mikroelektronischer Bauteile eignen sich herkömmliche Geräte. Zum Ausrichten der Probe und zur Kontrolle des Materialabtrags werden allerdings spezielle Probenhalter verwendet, die eine präzisere Alternative zu der üblichen Technik, d. h. Schleifen und anschließendes Prüfen, darstellen.

  • Bei der automatisch kontrollierten Oberflächenpräparation werden Quer- und Parallelschnitte eingebettete und nicht eingebettete Proben in Spezialgeräten zur Erkennung von sichtbaren und nicht sichtbaren Zielen geschliffen und poliert.
  • Lasermessungen gewährleisten eine Genauigkeit von ± 5 µm mit einer automatischen Neuberechnung der Abtragsrate während der Präparation.
  • Bei Proben mit sichtbaren Zielen erfolgen Ausrichtung und Messung mithilfe eines Videosystems, bei nicht sichtbaren Zielen mit einem Röntgengerät.

Bei der Wahl der Schleif- und Poliermethode sind insbesondere die Werkstoffkombinationen zu beachten. Beispiele hierfür sind für Parallel- und Querschliffe dünner, spröder Silizium-Wafer, Anordnungen von Lötkugeln aus Blei oder Zinn, Leiterplatten mit Kupfer-Vias auf einem Substrat aus spröder Keramik oder duktilem Polymer oder Querschliffe von ICs mit Silizium, Keramik, Gold, Kupfer, Aluminium und Zinn mit einer Genauigkeit von wenigen 100 Mikrometern.

Die Wahl von Schleif- und Polieroberflächen und -suspensionen wird in der Regel durch die Anforderungen an Abtragrate, Planheit, Reliefs, Randschärfe und Verschmieren bestimmt. e-Metalog enthält rund 25 Spezialmethoden für elektronische Bauteile, die eine breite Auswahl an Werkstoffkombinationen und Präparationsanforderungen abdecken.

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