En raison de leur taille et de leur complexité, la préparation de composants microélectroniques pour l’analyse métallographique peut être une tâche difficile. Ce guide décrit les techniques et équipements spéciaux nécessaires pour effectuer un enlèvement de matière contrôlé, efficace et précis sur des échantillons microélectroniques, avec des résultats reproductibles.
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Fig.1 : Détail d’un circuit intégré linéaire avec fils conducteurs, résistances, vias d’interconnexion et condensateurs au centre
Fig. 2 : Coupe transversale d’un wafer de silicium avec fils conducteurs d’un circuit intégré
Fig.3: composants montés sur une carte de circuit imprimé
En raison de leur taille et de leur complexité, les composants microélectroniques peuvent être extrêmement difficiles à préparer pour l’analyse métallographique. C’est pourquoi des techniques et des équipements de préparation spéciaux sont nécessaires pour garantir une précision adéquate lors de l’enlèvement de matière contrôlé.
Fig. 4 : Exemple de compositions de matériaux dans des composants microélectroniques
Fig. 5 : Condensateur multicouche (1) soudé sur une métallisation de cuivre de la carte de circuit imprimé (2) ; fissure de fatigue (3) se propageant de façon continue à travers la soudure
Fig. 6 a et b : Céramique et cuivre présentant des différences de planéité à grossissement élevé : a) prépolissage initial fin avec feuille/papier au carbure de silicium ; b) prépolissage diamanté fin initial sur disque de prépolissage fin MD-Largo
D’un point de vue matérialographique, les composants microélectroniques se déclinent en trois types d’échantillons.
Wafers de silicium
Les performances du wafer de silicium semi-conducteur sont étroitement liées à ses propriétés matérielles, notamment sa microstructure et sa composition chimique. C’est pourquoi l’analyse matérialographique des wafers de silicium est importante, tant au regard du développement des composants électroniques que du contrôle de la qualité.
L’enlèvement de matière contrôlé permet d’effectuer la préparation matérialographique de fines tranches du lingot de silicium cylindrique pour l’analyse, généralement par microscopie infrarouge (IR) et spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Les coupes parallèles ou transversales du wafer en silicium sont inspectées dans leur forme non encapsulée, après un polissage matérialographique minutieux. Les détails du circuit intégré sont examinés au microscope optique ou électronique, en fonction de leur taille et du type d’analyse.
Circuits intégrés et composants
Les wafers individuels sont inclus dans des circuits intégrés ou des composants compacts, en utilisant différentes interconnexions et technologies de revêtement. Les coupes transversales matérialographiques de ces composants microélectroniques, à la fois très petits et très complexes, sont utilisées à des fins de développement, de conception, de contrôle ponctuel de la production et d’analyse des défaillances. L’objectif de l’examen est d’étudier les fissures, les vides, les billes de soudure, les couches conductrices et isolantes, les connexions, etc.
L’examen métallographique se concentre souvent sur une zone particulière à l’intérieur d’un ensemble. L’enlèvement de matière contrôlé est donc utilisé pour identifier et révéler cette cible. Les composants individuels, tels que les condensateurs, résistances et autres, peuvent également faire l’objet d’un examen matérialographique permettant d’analyser d’éventuelles imperfections géométriques ou microstructurelles.
Cartes de circuit imprimé
Les cartes de circuit imprimé sont composées d’une fine plaque de base en époxy/fibre de verre ou céramique, de couches métalliques plaquées de cuivre et de trous métallisés (également appelés « trous d’interconnexion ,vias »).
La préparation d’échantillons de matériaux de cartes de circuit imprimé contribue à la localisation des défauts dans le matériau du substrat. Selon les principales normes en vigueur dans l’industrie, la qualité d’un trou métallisé sur une carte de circuit imprimé doit faire l’objet d’un contrôle matérialographique. À cette fin, un coupon d’essai est prélevé et préparé, afin que le centre du trou métallisé puisse ensuite être examiné à l’aide d’un microscope. De plus, les connexions, ainsi que la cohérence et les épaisseurs des revêtements sont étudiées, généralement à partir de coupes transversales.
Fig. 7: Détection d’une fissure dans une diode
Fig. 8 : Coupe d’un condensateur céramique multicouche usagé avec présence de fissures de fatigue dans la connexion soudée
Fig. 9 : Grand vide dans la soudure d’une connexion à trou traversant métallisé (50 x)
Fig. 10 : Vide et fissure dans la connexion soudée d’un trou traversant métallisé (200 x)
Fig.11 : Coupe transversale de billes de soudure, contraste interférentiel
En fonction de la taille des composants microélectroniques et du nombre d’échantillons requis, trois types de méthodes de prépolissage et de polissage sont disponibles : manuelle, semi-automatique et entièrement automatique.
Évitez le prépolissage plan avec des abrasifs grossiers, qui peut endommager les matériaux fragiles et déformer les métaux tendres.
Fig. 12 : Dommages par fissuration et fracture d’une diode de verre provoquées par un prépolissage grossier avec une feuille/du papier de SiC
Étape 1
Pour une excellente planéité, nous recommandons d’effectuer un prépolissage diamanté fin sur un disque rigide (MD-Largo) à la place du prépolissage sur feuille/papier au carbure de silicium.
Étape 2
Pour conserver la planéité après le prépolissage, effectuez un polissage diamanté sur drap de soie. Si des particules abrasives sont incrustées dans le métal tendre, poursuivez le polissage diamanté jusqu’à ce que les particules aient été éliminées.
Étape 3
Effectuez un polissage final avec de la silice colloïdale (OP-U NonDry) ; le polissage doit être bref, pour éviter la formation de reliefs.
Fig. 13 : Reliefs de polissage dus aux différentes duretés des matériaux
Fig. 14 : Particules diamantées dans la soudure
Pour effectuer un enlèvement de matière contrôlé semi-automatique, utilisez une feuille/du papier de carbure de silicium. Nous recommandons l’utilisation de porte-échantillons spéciaux, tels qu’AccuStop ou AccuStop-T, pour les composants microélectroniques enrobés et non enrobés. Lorsque plusieurs échantillons ont été prépolis jusqu’à une distance d’environ 50 µm avant la cible, retirez-les du support AccuStop et placez-les individuellement dans la machine semi-automatique pour effectuer un prépolissage et un polissage fins.
Tableau 1 : Méthode de préparation de composants microélectroniques, enrobés, diamètre 30 mm.
Nous recommandons d’utiliser une machine automatique, telle que le modèle TargetSystem, pour un processus d’enlèvement de matière contrôlé entièrement automatisé. L’ensemble du processus de préparation, tronçonnage compris, demande 45 à 60 minutes.
TargetSystem aligne et mesure l’échantillon avant sa préparation, puis effectue automatiquement le prépolissage et le polissage en utilisant la vidéo pour les cibles visibles et les rayons X pour les cibles cachées. L’équipement peut être utilisé pour effectuer un enlèvement de matière contrôlé dans des coupes transversales et parallèles d’échantillons enrobés et non enrobés, avec une précision de ± 5 μm.
Fig.15 : Vidéo Target-Z pour le positionnement et la mesure de cibles visibles
Fig. 16 : Radiographie d’un échantillon X avec cibles cachées
Fig. 17 : Échantillon avec cible visible, affichage vidéo
Fig. 18 : Support avec échantillon et indication des distances mesurées et calculées automatiquement
Tableau 2 : Méthode pour la préparation ciblée d’un composant microélectronique
Toutes les images ont été fournies par Kelsey Torboli, spécialiste d’application, États-Unis
Pour plus d’informations sur la préparation métallographique des composants microélectroniques, veuillez contacter nos spécialistes d’application.
