Microelettronica
Da un punto di vista metallografico, i componenti microelettronici possono essere suddivisi in tre tipi di campioni:
- Wafer di silicio
- Circuiti integrati (IC) e componenti
- Schede a circuito stampato (PCB)
Wafer di silicio
Le fette sottili del lingot di silicio cilindrico vengono preparate materialograficamente per l'analisi, tipicamente mediante microscopia IR e spettroscopia FTIR.
La produzione dei wafer comprende molti processi ripetuti per produrre circuiti elettronici integrati completi sulla superficie del substrato del wafer e, successivamente, la sezione in singoli wafer.
L'ispezione di piccole sezioni parallele o trasversali del wafer nella sua forma non incapsulata, viene effettuata dopo un'accurata lucidatura materialogica. I dettagli del circuito integrato vengono esaminati al microscopio ottico o elettronico, in base alla scala e al tipo di analisi.
Wafer di silicio
Le prestazioni del silicio semiconduttore sono strettamente legate alle proprietà dei materiali in termini di microstruttura e composizione chimica.
Le fette sottili del lingot di silicio cilindrico vengono preparate materialograficamente per l'analisi, tipicamente mediante microscopia IR e spettroscopia FTIR.
La produzione dei wafer comprende molti processi ripetuti per produrre circuiti elettronici integrati completi sulla superficie del substrato del wafer e, successivamente, la sezione in singoli wafer. L'ispezione di piccole sezioni parallele o trasversali del wafer nella sua forma non incapsulata, viene effettuata dopo un'accurata lucidatura materialogica. I dettagli del circuito integrato vengono esaminati al microscopio ottico o elettronico, in base alla scala e al tipo di analisi.
Circuiti integrati (IC) e componenti
I chip del wafer vengono poi integrati nei componenti.
I metodi di incapsulamento includono diverse tecnologie di interconnessione e rivestimento, tutte finalizzate all'estrema compattezza.
Le sezioni trasversali materialografiche di questi componenti minuscoli e altamente complessi sono utilizzate nello sviluppo, progettazione, controlli produzione e nell'analisi dei guasti. L'obiettivo dell'esame è esaminare cricche, vuoti, sfere di saldatura, strati conduttori e isolanti, collegamenti, ecc. Una zona ben definita all'interno dell'incapsulamento è spesso oggetto dell'esame; le applicazioni materialografiche includono quindi l'identificazione e la determinazione di questo obiettivo.
Anche componenti discreti come condensatori, resistenze, ecc. sono soggetti all'esame materialografico per analizzarne le imperfezioni geometriche e microstrutturali.
Schede a circuito stampato (PCB)
Le schede a circuito stampato (PCB) sono costituite da una sottile piastra base in resina epossidica/fibra di vetro o ceramica, strati metallici rivestiti in rame e fori placcati, detti anche "microvie".
La preparazione dei campioni dei materiali delle schede a circuito stampato viene eseguita per aiutare a individuare i difetti nel materiale del substrato, che trasporta un gruppo elettronico.
Secondo i principali standard del settore, la qualità di un foro passante placcato su PCB deve essere ispezionata materialograficamente. A tale scopo, viene prodotto e preparato un test coupon in modo che il centro delle piastre con fori passanti possa essere ispezionato al microscopio.
Inoltre, vengono studiati i collegamenti, la coerenza del rivestimento e gli spessori principalmente nelle sezioni trasversali. Vengono utilizzati anche processi materialografici precisi per i PCB, poiché aree molto specifiche solitamente definiscono lo scopo dell'esame.
Come eseguire la preparazione materialografica di componenti microelettronici, la rimozione materiale controllata (CMR) e la preparazione finale
1. Dimensioni compatte
1. Dimensioni minime richiedono apparecchiature e accessori speciali adatti alla lavorazione di piccoli campioni. Processi materialografici come il taglio e la prelevigatura, richiedono una precisione maggiore per via delle dimensioni dei campioni, generalmente dell'ordine dei µm.
2. Materiale complesso
2. Assemblaggi complessi dei materiali sono frequenti nella microelettronica, dove i metalli teneri, le ceramiche e i compositi sono spesso strettamente assemblati. La scelta dei metodi e dei parametri di preparazione è quindi un compromesso che dev'essere attentamente selezionato per soddisfare specifici requisiti.
3. Preparazione precisa e sotto comandi
3. Preparazione controllata e precisa è essenziale quando gli obiettivi da esaminare sono piccoli. Le soluzioni di alta precisione meccanica, apparecchiature di misurazione ottica e arresti meccanici sono le moderne soluzioni automatizzate o ottimizzate della più elementare tecnica "grind-and-look".
Taglio e campionatura
A seconda del tipo di campione da analizzare, è possibile eseguire il taglio con diverse troncatrici di precisione.
- Un telefono cellulare o una scheda PCB possono essere facilmente sezionati con una macchina manuale o automatica di medie dimensioni.
- Per il sezionamento di componenti singoli, piccoli o fragili, che richiedono una maggiore precisione, si consiglia una troncatrice di precisione.
- Per il taglio di materiali plastici si consiglia di utilizzare un disco diamantato galvanico o un disco diamantato con legante resina.
In ogni caso il taglio dev'essere eseguito sufficientemente lontano dall'area da osservare, per evitare di danneggiarla direttamente. Il materiale rimanente può essere accuratamente rimosso dopo il sezionamento. Più sarà accurata questa fase iniziale, meno sarà la probabilità di formazione di crepe nella ceramica, nei chip e nel vetro, o che si verifichi una delaminazione degli strati o dei punti di saldatura.
Per l'estrazione di coupon da PCB, viene utilizzata un'apparecchiatura di campionamento dedicata. Le tecniche di automazione e misurazione ottica consentono la perforazione e la fresatura ad alta precisione di coupon selezionati. Per campioni sensibili o di piccole dimensioni, si consiglia di impregnarli prima del taglio.
Inglobamento
A causa della loro natura composita e fragile, i componenti microelettronici non sono adatti all'inglobamento a caldo e vengono quindi sempre inglobati a freddo.
Le resine inglobatrici a freddo, con basse temperature di indurimento, sono consigliate per evitare l'influenza del calore su saldature e polimeri. Per campioni piccoli o fragili come i wafer di silicio, è preferibile utilizzare una resina a basso ritiro per ridurre al minimo il rischio di cricche.
- Per regolari inglobamenti si utilizzano il microscopio ottico e resine epossidiche trasparenti.
- Per riempire vuoti e fori, si consiglia l'impregnazione sottovuoto. Mescolando un colorante fluorescente con l'epossidica si ottiene un eccellente contrasto di vuoti e fessure al microscopio ottico.
- Per microvie molto piccole, si consiglia una resina trasparente a bassa viscosità che scorre facilmente nei fori.
Nei sistemi dedicati, i componenti possono essere inglobati direttamente nello speciale portacampioni utilizzato ad esempio, per l'ispezione delle microvie o per la preparazione finale.
Prelevigatura e Lucidatura
Le apparecchiture convenzionali possono essere utilizzate per eseguire la prelevigatura e lucidatura di componenti microelettronici. L'allineamento dei campioni e il controllo della rimozione del materiale sono assicurati da speciali portacampioni, un'alternativa molto più precisa del metodo di prelevigatura manuale "grind-and-look".
- Nell'ambito della preparazione automatica, le sezioni trasversali e parallele di campioni inglobati e non inglobati possono essere prelevigati e lucidati con apparecchiture dedicate per raggiungere obiettivi visibili e nascosti.
- Le misurazioni laser possono assicurare una precisione di ± 5,0 µm, mentre la velocità di rimozione del materiale viene ricalcolata automaticamente durante il processo di preparazione.
- L'allineamento e la misurazione possono essere eseguiti utilizzando una telecamera per campioni con target visibile o tramite utilizzando raggi X per campioni con target nascosto.
Alcuni esempi di combinazioni di materiali da considerare nella scelta di metodi di prelevigatura e lucidatura, sono le sezioni parallele e trasversali di wafer di silicio sottili e fragili, matrici di sfere di saldatura (BGA), piombo o stagno, schede PCB con microvie placcate in rame su substrati ceramici fragili o polimerici duttili, sezioni trasversali di circuiti tra cui silicio, ceramica, oro, rame, alluminio e stagno di poche centinaia di micron.
Requisiti come quantità di rimozione, planarità, rilievo, ritenzione dei bordi e sbavatura, sono spesso decisivi per la scelta delle superfici e sospensioni per la prelevigatura e lucidatura. L'e-Metalog per i componenti elettronici contiene circa 25 metodi dedicati che coprono un'ampia combinazione di materiali e requisiti di preparazione.