Microélectronique

À propos des composants microélectroniques

D’un point de vue matérialographique, les composants microélectroniques se déclinent en trois types d’échantillons :

  • Wafers de silicium
  • Circuits intégrés (IC) et composants
  • Cartes de circuits imprimés (PCB)

Wafers de silicium

La performance du silicium semi-conducteur est étroitement liée aux propriétés des matériaux (microstructure et composition chimique).

De fines tranches du lingot de silicium cylindrique subissent une préparation matérialographique en vue d'une analyse par microscopie infrarouge ou spectroscopie FTIR.

La fabrication de wafers inclut de nombreux processus répétitifs afin de produire des circuits électroniques intégrés sur toute la surface du substrat et de pouvoir ensuite le découper en puces individuelles.

L'inspection des petites coupes parallèles ou transversales du wafer dans sa forme non-encapsulée s’effectue après un polissage matérialographique minutieux. Les éléments du circuit intégré sont examinés au microscope optique ou électronique, en fonction de l’échelle et du type d’analyse.

Wafers de silicium

La performance du silicium semi-conducteur est étroitement liée aux propriétés des matériaux (microstructure et composition chimique).

De fines tranches du lingot de silicium cylindrique subissent une préparation matérialographique en vue d'une analyse par microscopie infrarouge ou spectroscopie FTIR.

La fabrication de wafers inclut de nombreux processus répétitifs afin de produire des circuits électroniques intégrés sur toute la surface du substrat et de pouvoir ensuite le découper en puces individuelles. L'inspection des petites coupes parallèles ou transversales du wafer dans sa forme non-encapsulée s’effectue après un polissage matérialographique minutieux. Les éléments du circuit intégré sont examinés au microscope optique ou électronique, en fonction de l’échelle et du type d’analyse.

Circuits intégrés (IC) et composants

Les puces issues du wafer sont ensuite intégrées dans les composants.

Les méthodes d’encapsulage incluent différentes technologies d’interconnexion et de revêtement, toutes visant à obtenir une compacité extrême.

Les coupes transversales matérialographiques de ces petits composants très complexes sont utilisées à des fins de développement, de conception, de contrôle production et de l'analyse de défaut. L'objectif de l’analyse est d'étudier les fissures, pores, BGA, couches conductrices et isolantes, connexions, etc. Elle concerne généralement une zone bien définie de l’encapsulage. C’est pourquoi les applications matérialographiques incluent l’identification et la détermination de cette zone cible.

Les composants individuels tels que les condensateurs, résistances, etc. peuvent également être soumis à un examen matérialographique en vue d'analyser leurs imperfections géométriques ou microstructurelles.

Cartes de circuits imprimés

Les cartes de circuits imprimés sont composées d'une plaque de base en époxy/fibre de verre ou céramique, de couches de cuivre et de trous métallisés connus sous le nom de vias.

La préparation d'échantillons de matériaux pour circuits imprimés est réalisée afin de localiser les défauts dans le substrat du matériel, qui supporte l’assemblage électronique.
Selon les normes applicables au secteur industriel, la qualité d’un trou métallisé d’une carte à circuits imprimés doit être inspectée de manière matérialographique. Pour ce faire, un coupon de test est extrait et préparé. Le centre du trou métallisé peut ensuite être analysé au microscope.

De plus, les connexions ainsi que la cohérence et les épaisseurs du revêtement sont étudiées à partir de coupes transversales . Des processus matérialographiques minutieux sont utilisés pour les cartes à circuits imprimés vu que des zones très spécifiques sont généralement visées.

Comment procéder à la préparation matérialographique des composants microélectroniques, à l’enlèvement de matière contrôlé (EMR) et à la préparation ciblée

La matérialographie sur les composants microélectroniques représente un triple défi.

Dimensions miniatures

1. Les dimensions minimalistes requièrent l'utilisation d'un équipement et d’accessoires adaptés à la manipulation de petits échantillons. Les exigences en termes de précision des processus matérialographiques, telles que le tronçonnage et le polissage, sont également plus importantes pour les échantillons de dimensions se trouvant dans la plage du µm.

Compositions de matériaux complexes

2. Les composants microélectroniques présentent souvent des compositions hétérogènes complexes avec des métaux tendres, céramique et composites. Il faut ainsi adapter la méthode et les paramètres de préparation afin de répondre aux exigences spécifiques.

Préparation contrôlée et exacte

3. Une préparation contrôlée et minutieuse est requise lorsque les cibles à examiner sont de petite taille. Des solutions modernes automatisées ou optimisées basée sur la technique de prépolissage basique. impliquent une précision mécanique élevée, intégrant des unités de mesure optique et des butées mécaniques.

Tronçonnage

En fonction du type d'échantillon à analyser, le tronçonnage peut être effectué sur différentes tronçonneuses de précision.

  • Par exemple, un téléphone mobile ou une carte PCB avec des composants peuvent être facilement tronçonnés sur une machine manuelle ou automatique de taille moyenne.
  • Pour la découpe individuelle de composants plus fragiles ou de petite taille, qui nécessitent une précision plus élevée, la mise en œuvre d'une tronçonneuse de précision est recommandée.
  • L'utilisation d'une meule diamantée (avec revêtement électrolytique) destinée au tronçonnage du plastique ou d'une meule diamantée à liant résine est recommandée.

Dans tous les cas, le tronçonnage doit être effectué assez loin de la zone à observer, afin de prévenir tout dommage direct sur celle-ci. Le matériau découpé peut être alors prépoli avec précautions. Plus le soin apporté à cette étape initiale est grand, plus la formation de fissures au niveau de la céramique, des puces ou du verre est faible et plus les causes de délaminage des couches ou des points de soudure sont réduites.

L’extraction de coupons dans les cartes PCB requiert la mise en œuvre d'un équipement de prélèvement spécifique. Les techniques d'automatisation et de mesure optique permettent un perçage et un fraisage de haute précision des coupons sélectionnés. Il est conseillé d’imprégner les échantillons sensibles ou de petite taille avant de procéder au tronçonnage.

Enrobage

En raison de leur matériau composite et de leur nature fragile, les composants microélectroniques ne sont pas adaptés à l’enrobage à chaud. Ils subissent donc toujours un enrobage à froid.

Les résines d’enrobage à froid, présentant des températures de polymérisation faibles, sont recommandées afin de prévenir toute influence de la chaleur sur les soudures et les polymères. Pour les échantillons fragiles ou de petite taille, comme les wafers de silicium, on opte plutôt pour une résine à faible retrait, afin de minimiser le risque de fissures.

Les méthodes d’enrobage diffèrent en fonction de la méthode d’analyse envisagée.

  • Pour les enrobages courants, on utilise des résines époxy transparentes pour microscope optique.
  • Si des pores ou trous doivent être comblés de résine, une imprégnation sous vide est recommandée. L’ajout d'un colorant fluorescent à la résine époxy permet d’obtenir un excellent contraste des pores et fissures lors de l’examen au microscope optique.
  • Pour les très petits vias, une résine transparente à faible viscosité est recommandée pour faciliter l'imprégnation dans les trous.

Pour l'utilisation de systèmes de preparation dédiés, les composants peuvent être enrobés directement dans le porte-échantillons spécial utilisé par exemple pour l’inspection des vias ou la préparation ciblée.

Prépolissage et polissage

Un équipement conventionnel peut être utilisé pour procéder au prépolissage /polissage manuel ou semi-automatique des composants microélectroniques. L’alignement des échantillons et le contrôle de l’enlèvement de matière est assuré par des porte-échantillons spéciaux. Il s’agit d’une alternative bien plus précise que la méthode de prépolissage manuel.

  • Dans le cadre de la préparation automatique, des coupes transversales et parallèles d’échantillons enrobés ou non-enrobés, celles-ci peuvent être prépolies/polies avec un équipement dédié pour atteindre des cibles visibles ou cachées .
  • Les mesures laser permettent de garantir une précision à ± 5 µm et le taux d’enlèvement de matière est automatiquement recalculé pendant le processus de préparation.
  • L'alignement et la mesure peuvent s’effectuer à l'aide d'une caméra pour les échantillons à cible visible et à l'aide de rayons X pour les échantillons à cible cachée.

Quelques exemples de combinaisons de matériaux à prendre en compte lors du choix des méthodes de prépolissage et de polissage : coupes parallèles et transversales de wafers de silicium minces et fragiles, ,BGA, plomb ou étain, cartes PCB avec des vias revêtus de cuivre sur des substrats en céramique fragile ou en polymère ductile - coupes transversales de circuits intégrés comprenant silicium, céramique, or, cuivre, aluminium ou étain de quelques centaines de microns.

Les exigences en termes de taux d’enlèvement de matière, planéité, relief, netteté des bords et beurrage sont souvent déterminantes pour le choix des surfaces et suspensions de prépolissage et de polissage. L’e-Metalog pour les composants électroniques contient environ 25 méthodes dédiées couvrant une vaste combinaison de matériaux et d’exigences de préparation.

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