In den letzten 25 Jahren sind Entwicklung und Fertigung elektronischer Geräte extreme schnell vorangeschritten. Früher waren elektronische Geräte groß und sperrig, wobei die meisten elektronischen Komponenten einzeln auf großen Leiterplatten (PCBs) verdrahtet waren.

Die Entwicklung integrierter Schaltkreise (IC) hat die Miniaturisierung mikroelektronischer Komponenten ermöglicht. ICs sind kleiner, zuverlässiger, günstiger in der Herstellung und leistungsfähiger als die kabelgebundenen Versionen. ICs kombinieren aktive Komponenten (wie Transistoren und Dioden) mit passiven Komponenten (wie Widerstände und Kondensatoren), um einen vollständigen elektronischen Schaltkreis in einer einzigen Schicht aus halbleitendem Material (üblicherweise Silizium), einem sogenannten Wafer, zu erstellen. Diese mikroelektronischen Chips sind auf einer Leiterplatte montiert, die in eine Elektronikeinheit eingesteckt wird.

Die meisten mikroelektronischen Komponenten werden in Massenfertigung hergestellt, sodass die Qualitätskontrolle normalerweise auf thermische Belastungstests beschränkt ist, um fehlerhafte Teile zu erkennen. Die Metallographie spielt allerdings eine wichtige Rolle bei:

• Entwicklung, Design und Durchführung von Fehleranalysen von Komponenten auf Chipbasis: Querschliffe der Komponenten werden untersucht, um potenzielle Mikrovias, Risse, Hohlräume, Lotperlen, leitende Schichten oder Verbindungen zu erkennen.
• Stichprobenuntersuchungen: Diese werden in verschiedenen Stadien des Fertigungsprozesses durchgeführt.

Abb. 1: Einzelheit einer linearen integrierten Schaltung mit Leiterbahnen, Transistoren, Widerständen, Vias und Kondensatoren in der Mitte

Abb. 2: Querschnitt eines Silizium-Wafers mit Leiterbahnen einer IC

Abb. 3: Auf einer Leiterplatte montierte Komponenten

Mikroelektronische Komponenten enthalten verschiedenste Werkstoffe, wie Glas, Keramik, Metalle und Polymere, die sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. Die Probenpräparation erfordert kontrollierten Materialabtrag, um die individuellen Eigenschaften der verschiedenen Werkstoffe zu erarbeiten.

Typische Prüfungen:

• Größe und Verteilung von Fehlern, wie Hohlräumen, Einschlüssen und Rissen
• Bindung und Haftung von Werkstoffen sowie deren Grenzflächen
• Abmessungen und Form der verschiedenen Teile des Packagings: Schichtdicke, Drähte, Lötverbindungen
• Porosität und Risse in keramischen Werkstoffen
• Planheit und Randschärfe (wobei sehr dünne Schichten zwischen den verschiedenen Werkstoffen bei hohen Vergrößerungen geprüft werden)

Aufgrund der Größe und Komplexität von mikroelektronischen Komponenten kann ihre Präparation für die metallographische Analyse eine Herausforderung darstellen. Deswegen sind spezielle Techniken und Geräte erforderlich, um die erforderliche Präzision während des kontrollierten Materialabtrags sicherzustellen

Abb. 4: Beispiele für die Werkstoffzusammensetzung mikroelektronischer Komponenten

Abb. 5: Mehrschichtkondensator (1) auf einer Kupfermetallisierung der Leiterplatte (2) gelötet; Ermüdungsriss (3), der sich kontinuierlich durch das Lot ausbreitet.

Abb. 6a & b: Keramik mit Kupfer mit hoher Vergrößerung, die die unterschiedliche Planheit zeigt: a) Erstes Feinschleifen mit SiC-Folie/Papier ; b) Erstes Feinschleifen mit Diamant auf MD-Largo Feinschleifscheibe

Aus materialographischer Sicht umfasst die Mikroelektronik drei Probentypen:

Silizium-Wafer
Die Leistung eines Halbleiters in Form eines Silizium-Wafers ist eng mit seinen Materialeigenschaften, genauer gesagt Gefüge und chemische Zusammensetzung, verbunden. Aus diesem Grund ist die materialographische Analyse von Silizium-Wafern sowohl während der Entwicklungsphase einer elektronischen Komponente als auch für die Qualitätskontrolle von Bedeutung.

Dünne Scheiben des zylindrischen Silizium-Ingots werden mittels kontrolliertem Materialabtrag materialographisch für die Analyse durch in der Regel die IR-Mikroskopie und die FTIR-Spektroskopie präpariert. Nach präzisem materialographischem Polieren werden die Parallel- oder Querschliffe des Silizium-Wafers in der nicht verkapselten Form geprüft. Die Einzelheiten integrierter Schaltkreise werden je nach Größe und Art der Analyse unter einem Licht- oder Elektronenmikroskop untersucht.

IC-Bausteine und Bauteile
Die einzelnen Wafer werden mithilfe verschiedener Verbindungs- und Beschichtungstechnologien zu kompakten ICs oder Bauteilen verpackt. Materialographische Querschliffe dieser winzigen, hochkomplexen mikroelektronischen Bauteile werden in Entwicklung, Design, bei Produktionsstichproben und Fehleranalysen verwendet. Ziel dieser Untersuchungen ist das Erkennen von Rissen, Poren, Lötperlen, leitfähigen und dielektrischen Schichten, Verbindungen usw.

Schwerpunkt der metallographischen Untersuchung ist häufig ein bestimmter Bereich des Packagings. Dieses Ziel kann nur mittels kontrollierten Materialabtrags identifiziert und erreicht werden. Diskrete Bauteile, wie Kondensatoren, Widerstände usw., werden ebenfalls materialographisch untersucht, um die Defekte der Geometrie und des Gefüges zu erkennen.

Leiterplatten Leiterplatten, auch gedruckte Schaltungen genannt, bestehen aus einem Trägermaterial aus glasfaserverstärktem Epoxid oder Keramik, darauf aufgebrachten Kupferschichten sowie durchkontaktierten Löchern, die (auch als „Vias“ bezeichnet werden).

Die Probenpräparation für Leiterplatten dient dazu, Defekte im Substratmaterial zu finden. 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 des Vias unter einem Mikroskop untersucht werden kann. Eine weitere Prüfung gilt den Verbindungen sowie der Kohärenz und Dicke von Beschichtungen, die normalerweise in Querschliffen geprüft werden.

Beim kontrollierten Materialabtrag und bei der Zielpräparation von mikroelektronischen Proben treten drei Herausforderungen besonders häufig auf.

Die geringen Abmessungen verlangen spezielle Geräte und entsprechendes Zubehör, die für die Handhabung sehr kleiner Proben geeignet sind. Aufgrund der Abmessungen, die normalerweise im Mikrometerbereich liegen, ist auch bei Schritten wie dem Trennen und Schleifen eine höhere Genauigkeit als üblich erforderlich.

Die Materialzusammensetzung ist komplex, da in der Regel 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.

Ein kontrollierter Materialabtrag und eine genaue Präparation sind unerlässlich, wenn kleine Ziele untersucht werden. Die Prüfung einer metallographischen Probe umfasst häufig die Untersuchung eines bestimmten Bereichs des Packagings verbundener Chips. Das kann sehr zeitaufwändig sein, da für den kontrollierten Materialabtrag eine Technik mit manuellem Schleifen mit anschließendem Prüfen verwendet wird, d. h. wiederholtes Schleifen und Prüfen, bis das Ziel sichtbar ist und poliert werden kann.

In der Forschung und bei der Fehleranalyse kann das Verfehlen eines Ziels beim manuellen Schleifen mit anschließendem Prüfen den Verlust einer einmaligen und teuren Probe bedeuten. Aus diesem Grund werden zunehmend automatisierte und optimierte Lösungen verwendet, die sich durch hohe mechanische Präzision, optische Messeinheiten und spezielle Probenhalter auszeichnen.

Häufig auftretende Probleme bei der Präparation von mikroelektronischen Proben:

• Trennen: Splittern oder Risse bei Silizium-Wafern, Glas oder Keramik.
• Einbetten: Mechanische Verformung und thermische Beschädigung.
• Schleifen: Brechen der spröden Bestandteile, wie Glasfasern oder Keramik
• Polieren: Verschmieren weicher Metalle; Reliefs aufgrund von Härteunterschieden der Werkstoffe einer Komponente; Siliziumkarbid und Diamantpartikel im Lot

Abb. 7: Erkennung eines Risses in einer Diode 

Abb. 8: Querschnitt durch einen alten Mehrschicht-Keramikkondensator mit Ermüdungsrissen der Lötverbindung

Abb. 9: Großer Hohlraum in einer Lötverbindung auf einer Leiterplatte

Abb. 10: Hohlraum und Riss in einer Lötverbindung auf einer Leiterplatte

Abb. 11: Querschliff von Lotperlen, DIC.

Trennen mikroelektronischer Proben

Je nach Größe und Zerbrechlichkeit der mikroelektronischen Komponente oder Baugruppe ist vor dem Trennen möglicherweise Einbetten erforderlich, um die Teile oder Komponenten zusammenzuhalten und so mechanische Beschädigungen zu vermeiden.

Beim Trennen ist immer darauf zu achten, den Trennschnitt so weit entfernt von dem zu untersuchenden Bereich anzusetzen, dass eine mechanische Beschädigung vermieden wird. Nach dem Trennen der Probe wird Restmaterial vorsichtig abgeschliffen. Mit diesem Vorgehen wird das Risiko von Rissbildungen bei keramischen Werkstoffen, Absplitterungen von Glas oder einer Ablösung von Schichten oder Lötstellen verringert.

Beim Trennen von mikroelektronischen Komponenten steht, je nach Art der zu untersuchenden mikroelektronischen Probe, eine große Auswahl von Präzisionstrenngeräten zur Verfügung:

• Trennen von Kunststoffen: Hier empfehlen wir elektroplattierte Diamanttrennscheiben (E1D20) oder Diamanttrennscheiben mit Kunststoffbindung (B0D20).
• Große Komponenten: Hier empfehlen wir Secotom mit elektroplattierten Diamanttrennscheiben (Durchmesser: 20 mm oder, für dünnere Schnitte, 15 mm).
• Einzelne, kleine oder zerbrechliche Komponenten: Hier empfehlen wirAccutom, es können aber auch kleinere Trennscheiben verwendet werden.
• Mobiltelefon oder eine mit Komponenten bestückte Leiterplatte: Hier empfehlen wir ein Gerät mittlerer Größe, wie Secotom.

Einbetten mikroelektronischer Proben

Mikroelektronische Komponenten eignen sich aufgrund ihrer Verbundstruktur und Zerbrechlichkeit nicht für das Warmeinbetten. Deswegen darf nur ein Verfahren zum Kalteinbetten verwendet werden. Allerdings sind bestimmte Akrylharze zum Kalteinbetten ungeeignet, da sie hohe Aushärtetemperaturen entwickeln und sich die gebildete Wärme negativ auf Lot und Polymere auswirken kann und da die hohe Schrumpfung Silizium-Wafer zerbrechen kann.

Die Einbettmethode muss an die Analysemethode angepasst werden:

• Regelmäßig geformte Einbettungen, die unter einem Lichtmikroskop untersucht werden: durchlässige Epoxid-Einbettmittel (ProntoFix, EpoFix)
• Füllen von Hohlräumen und Poren: Vakuumimprägnierung
• Blaufilter und Orangefilter in einem Lichtmikroskop: Zumischen eines fluoreszierenden Farbstoffs (EpoDye) zum Epoxid-Einbettmittel erhöht den Kontrast von Hohlräumen und Rissen
• Sehr kleine Vias: Transparentes Einbettmittel mit geringer Viskosität, das schnell in die Löcher fließt.

Weitere Informationen

• Mehr Informationen, Expertenwissen und Erfahrungen finden Sie in unserem Abschnitt über Trennen  und Einbetten.
• Hier finden Sie einen Überblick über Trenn-  und Einbettgeräte.
• Hier finden Sie Verbrauchsmaterialien und Zubehör zum Trennen und Einbetten.

Abhängig von der Größe der mikroelektronischen Komponenten und der Anzahl der zu präparierenden Proben kann eine von drei Methoden zum Schleifen und Polieren verwendet werden: manuell, halbautomatisch oder automatisch.

Ein Planschleifen mit einem groben Schleifmittel ist zu vermeiden, da dies spröde Werkstoffe beschädigen und schwere Verformungen weicher Metalle verursachen kann.

Abb. 12: Riss und Bruch einer Glasdiode durch Grobschleifen mit SiC-Folie/Papier

Empfohlener 3-stufiger Prozess zum Schleifen und Polieren von Parallel- und Querschliffen

1. Schritt:
Hervorragende Planheit durch Feinschleifen mit Diamanten auf einer starren Scheibe (MD-Largo), nicht durch Schleifen mit Siliziumkarbidfolie/-papier.

2. Schritt:
Um die Planheit zu erhalten, folgt ein Polieren mit Diamanten und Seidentuch. Sind Schleifpartikel im weichen Metall eingedrückt, wird das Diamantpolieren fortgesetzt, bis alle diese Partikel entfernt sind.

3. Schritt:
Endpolieren mit kolloidalem Siliziumdioxid (OP-U NonDry) für kurze Zeit um Relief zu vermeiden.

Abb. 13: Relief nach Polieren aufgrund der unterschiedlichen Härte der Werkstoffe

Abb. 14: Diamantpartikel im Lot

Bei der manuellen Präparation von nicht verkapselten Silizium-Wafern und Packagings ist TriPod ein nützlicher Helfer beim manuellen Schleifen mit anschließendem Prüfen. Bei diesem Verfahren wird eine Schleiffolie mit einer Korngröße von 30 µm bis 0,05 µm auf einer Glasplatte befestigt und die Probe manuell geschliffen und poliert.

Halbautomatische Zielpräparation von mikroelektronischen Komponenten

Beim halbautomatischen kontrollierten Materialabtrag wird SiC-Folie/Papier verwendet. Wir empfehlen die Verwendung von speziellen Probenhaltern, wie AccuStop oder AccuStop-T, für sowohl eingebettete als auch nicht eingebettete mikroelektronische Komponenten. Wenn mehrere Proben auf etwa 50 µm vor dem Ziel abgeschliffen sind, werden die Proben aus AccuStop entnommen und zum Feinschleifen und Polieren jeder einzelnen Probe in ein halbautomatisches Gerät eingesetzt.

Tabelle 1: Präparationsmethode für mikroelektronische Komponenten, eingebettete, Durchmesser 30 mm

Vollautomatische Zielpräparation von mikroelektronischen Komponenten

Für den vollautomatischen kontrollierten Materialabtrag empfehlen wir ein automatisches Gerät, wie  TargetSystem. Der gesamte Präparationsprozess dauert, einschließlich Trennen, 45–60 Minuten.

TargetSystem führt vor der Präparation ein Ausrichten und Messen der Probe durch, an das sich das Schleifen und Polieren anschließt. Im Falle von sichtbaren Zielen erfolgt dies mithilfe eines Videosystems, bei nicht sichtbaren Zielen mit einem Röntgengerät. Das Gerät ermöglicht einen kontrollierten Materialabtrag mit Quer- und Parallelschliffen eingebetteter und nicht eingebettete Proben mit einer Genauigkeit von ±5 μm.

Abb. 15: Target-Z Video zum Positionieren und Messen sichtbarer Ziele

Abb. 16: Röntgenaufnahme einer Probe mit nicht sichtbaren Zielen

Abb. 17: Probe mit sichtbarem Ziel in Video

Abb. 18: Halter mit Probe und Angabe der Abstände, die automatisch gemessen und berechnet werden

Tabelle 2: Präparationsverfahren für die Zielpräparation mikroelektronischer Komponenten

Die Wahl von Schleif- und Polieroberflächen und -suspensionen sollte von Ihren Anforderungen an Abtragrate, Planheit, Relief, Randschärfe und Verschmieren bestimmt werden. Unser e-Metalog enthält rund 25 Spezialmethoden für elektronische Bauteile, die eine breite Auswahl an Werkstoffkombinationen und Präparationsanforderungen abdecken. So wird Ihnen die Entscheidung erleichtert.

• Hier finden Sie e-Metalog

Weitere Informationen

• Mehr Informationen, Wissen und Know-how finden Sie in unserem Abschnitt über Schleifen und Polieren.
• Hier finden Sie unser Angebot an Schleif- und Poliermaschinen.
• Bestellen Sie Verbrauchsmaterialien  und Zubehör  für das metallographische Schleifen und Polieren.

Mikroelektronische Komponenten enthalten verschiedene Werkstoffe, die Licht jeweils unterschiedlich reflektieren. Der dadurch erhaltene Kontrast reicht normalerweise aus, um auf Ätzen verzichten zu können. Wenn Ätzen dennoch erforderlich sein sollte, empfehlen wir Endpolieren mit kolloidalem Silizium, da Lot und Kupfer dadurch etwas angeätzt werden. Verwenden Sie für das Endpolieren die Suspension OP-S NonDry, der sie eine geringe Menge Wasserstoffperoxid (3 %) zugeben. Kontrollieren Sie die Probe nach 30 Sekunden, um ein übermäßiges Ätzen zu vermeiden. War dieser Zeitraum nicht lang genug, fahren Sie mit dem Ätzen in kurzen Schritten fort.

Unsere Empfehlung für Ätzmittel für Kupfer und Kupferlegierungen in mikroelektronischen Komponenten:
25 ml Wasser
25 ml Ammoniumhydroxid
0,5-10 ml Wasserstoffperoxid (3 %)

Um den Kontrast eines Gefüges weiter zu verstärken, empfehlen wir folgende Beleuchtungstechniken:

• Dunkelfeld: zum Erkennen von Rissen in keramischen Werkstoffen
• Differenzieller Interferenzkontrast und polarisiertes Licht: zum Erhöhen des Kontrastes oder der Farbe bestimmter Werkstoffgefüge

Laden sie die vollständige application note mit präparationsmethoden herunter

ICs, Silizium-Wafer und Leiterplatten sind wichtige Bausteine moderner elektronischer Geräte. Bei dem Design, der Entwicklung und der Fehleranalyse dieser mikroelektronischen Komponenten spielt die Metallographie eine entscheidende Rolle.

ICs, Silizium-Wafer und Leiterplatten lassen sich jedoch nicht ohne Weiteres für die metallographische Analyse präparieren. ICs sind klein, weisen eine komplexe Geometrie auf und bestehen häufig aus verschiedenen Werkstoffen, wie Metall, Glas oder Keramik. Daher ist der kontrollierte Materialabtrag zeitaufwendig, das Schleifen und Polieren bis zu einem bestimmten Ziel im Inneren des Bauteils verlangt Geduld.

Mithilfe von Spezialzubehör (AccuStop) kann der manuelle und halbautomatische kontrollierte Materialabtrag vereinfacht werden. Bei der vollautomatischen Zielpräparation bietet TargetSystem von Struers ein schnelles, präzises Schleifen und Polieren. Um eine Reliefbildung zwischen harten und weichen Schichten und Werkstoffen zu verhindern, empfehlen wir das Schleifen mit Diamanten auf starren Scheiben und das Diamantpolieren mit harten Tüchern.

Ein Ätzen ist bei mikroelektronischen Komponenten normalerweise nicht erforderlich. Sollte es dennoch erforderlich sein, empfehlen wir ein Endpolieren mit kolloidalem Silizium, da Lot und Kupfer dadurch etwas angeätzt werden.

Erfahren Sie mehr über andere Werkstoffe

Weitere Informationen über die Materialographie anderer Metalle und Werkstoffe. Informieren Sie sich auf unserer Werkstoffseite

Alle Abbildungen von Kelsey Torboli, Anwendungsspezialistin, USA
Detailliertere Informationen über die metallographische Präparation von mikroelektronischen Komponenten erhalten Sie von unseren Anwendungsspezialisten.