Negli ultimi 25 anni, le tecniche di sviluppo e produzione di apparecchiature elettroniche si sono evolute rapidamente. In precedenza, le apparecchiature elettroniche erano grandi e ingombranti, perché la maggior parte dei componenti elettronici erano cablati singolarmente su grandi circuiti stampati (PCB). Lo sviluppo dei circuiti integrati (IC) ha reso possibile la miniaturizzazione dei componenti microelettronici.

I circuiti integrati sono più piccoli, più affidabili, più economici da produrre e più performanti rispetto alle versioni cablate. I circuiti integrati combinano componenti attivi (come transistor e diodi) con componenti passivi (come resistenze e condensatori), per formare un circuito elettronico completo in un'unica parte di materiale semiconduttore (solitamente silicio), nota come wafer. Questi chip microelettronici sono montati su un circuito stampato, collegato a un'unità elettronica.

La maggior parte dei componenti microelettronici è prodotta in serie, quindi, il controllo qualità si limita a test di ciclaggio termico per individuare i pezzi difettosi. Tuttavia, la metallografia svolge un ruolo importante:

• Sviluppare, progettare e condurre l'analisi dei guasti di componenti dei circuiti integrati: Le sezioni trasversali dei componenti vengono esaminate per identificare potenziali microvie, cricche, vuoti, sfere di saldatura, strati conduttivi o collegamenti
• Controlli a campione: Vengono condotti in diverse fasi della produzione

Fig.1: Dettaglio di un circuito integrato lineare con fili conduttivi, resistenze, microvie e condensatori al centro

Fig. 2: Sezione trasversale di un wafer di silicio con fili conduttori di un circuito integrato

Fig. 3: Componenti inglobati su un circuito stampato

I componenti microelettronici contengono materiali diversi, come vetro, ceramica, metalli e polimeri, con proprietà molto diverse. La preparazione dei campioni richiede quindi una rimozione del materiale controllata, che permetta di rivelare le singole caratteristiche di questi materiali.

I controlli generalmente includono:

• Dimensione e distribuzione dei difetti: come vuoti, inclusioni e cricche
• Incollaggio e adesione dei materiali e delle loro interfacce
• Dimensioni e forma dei diversi componenti dell'assieme: spessore dello strato, fili, menischi di saldatura
• Porosità e cricche nella ceramica
• Planarità e ritenzione dei bordi (vengono ispezionati ad alto ingrandimento strati molto sottili tra i materiali)

A causa delle loro dimensioni e complessità, i componenti microelettronici possono essere estremamente difficili da preparare per l'analisi metallografica. Pertanto sono necessarie tecniche e apparecchiature di preparazione speciali per garantire un'adeguata precisione durante la rimozione materiale controllata.

Fig. 4: Esempio di composizioni di materiali in componenti microelettronici 

Fig. 5: Condensatore multistrato (1) saldato su una metallizzazione in rame del circuito stampato (2); cricca da fatica (3) che si propaga in continuazione attraverso la saldatura

Fig. 6 a & b: Ceramica e rame che mostrano differenze di planarità ad alto ingrandimento: a) prelevigatura iniziale fine con foglio/carta di carburo di silicio; b) prima prelevigatura diamantata fine su MD-Largo, disco di prelevigatura fine

Da un punto di vista metallografico, i componenti microelettronici possono essere suddivisi in tre tipi di campioni.

Wafer di silicio
Le prestazioni del wafer semiconduttore di silicio sono strettamente legate alle proprietà del materiale in termini di microstruttura e composizione chimica. Pertanto, l'analisi materialografica dei wafer di silicio è importante sia per lo sviluppo di componenti elettronici che per il controllo qualità.

Attraverso la rimozione del materiale controllata, vengono preparate materialograficamente fette sottili del lingotto cilindrico di silicio per l'analisi, solitamente mediante microscopia a infrarossi (IR) e spettroscopia a infrarossi trasformata di Fourier (FTIR). Le sezioni parallele o trasversali del wafer di silicio vengono ispezionate nella loro forma non incapsulata dopo un'accurata lucidatura materialografica. I dettagli del circuito integrato vengono studiati al microscopio ottico o elettronico, in base alla scala e al tipo di analisi.

Circuiti e componenti integrati (IC)
I singoli wafer sono inclusi in circuiti integrati o componenti compatti, utilizzando diverse interconnessioni e tecnologie di rivestimento. Le sezioni trasversali materialografiche di questi componenti microelettronici minuscoli e altamente complessi, vengono utilizzate per lo sviluppo, la progettazione, il controllo a campione della produzione e l'analisi dei guasti. L'obiettivo dell'esame è esaminare crepe, vuoti, sfere di saldatura, strati conduttori e isolanti, connessioni, ecc.

L'esame metallografico spesso si concentra su un'area particolare all'interno di un assieme. La rimozione del materiale controllata viene quindi impiegata per identificare e rivelare questo obiettivo. Anche singoli componenti come, condensatori, resistenze, ecc. sono sottoposti a un esame materialografico per analizzare eventuali imperfezioni geometriche e microstrutturali.

Schede a circuito stampato (PCB)
Le schede a circuito stampato 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 di materiali PCB aiuta ad individuare i difetti nel materiale del substrato. Secondo le principali norme vigenti nel settore, la qualità di una microvia placcata su PCB dev'essere sottoposta a controllo materialografico. A tal fine, viene prodotto e preparato un test coupon in modo da poter ispezionare il centro della via placcata con un microscopio. Inoltre vengono studiate le connessioni, la consistenza e gli spessori dei rivestimenti, solitamente in sezioni trasversali.

Tre sono le sfide principali quando si esegue la rimozione del materiale controllata e la preparazione finale di campioni microelettronici.

Le dimensioni minime richiedono apparecchiature e accessori speciali adatti alla lavorazione di piccoli campioni. Operazioni come il taglio e la prelevigatura richiedono una maggiore precisione, poiché le dimensioni del campione sono generalmente nell'ordine dei µm.

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.

La rimozione materiale controllata e un'attenta preparazione sono essenziali quando i target da esaminare sono piccoli. L'ispezione di un campione metallografico comporta spesso l'osservazione di un'area particolare all'interno di una serie di chip interconnessi. Questa procedura può richiedere molto tempo, poiché in genere si basa su un processo di rimozione materiale controllata manuale chiamato "prelevigatura ed esame" ("grind-and-look"), che prevede la prelucidatura e quindi l'esame del campione finché il target non appare pronto per essere lucidato.

Nella ricerca o analisi dei difetti il mancato raggiungimento del target durante un processo di "grind-and-look", può comportare la perdita di un campione unico e/o costoso. Ecco perché le soluzioni automatizzate o ottimizzate sono maggiormente preferite per la loro elevata precisione meccanica, apparecchiature di misurazione ottica e arresti meccanici.

Le difficoltà più comuni nella preparazione dei campioni microelettronici includono:

• Taglio: Scheggiatura e rottura di wafer di silicio, vetro o ceramica
• Inglobamento: Deformazione meccanica e danno termico
• Prelevigatura: Frattura di componenti fragili come fibre di vetro o ceramiche
• Lucidatura: Sbavatura di strati metallici teneri; rilievi dovuti alla differenza di durezza dei diversi materiali; e particelle carburo di silicio e di diamante nelle saldature

Fig. 7: Rilevamento di una cricca in un diodo 

Fig. 8: Sezione di un condensatore ceramico multistrato usato con presenza di cricche da fatica nel collegamento saldato 

Fig. 9: Ampio spazio nella saldatura di un collegamento a foro passante placcato (50 x)

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Fig. 10: Vuoti e cricche nel collegamento saldato di un foro passante placcato (200 x)

Fig. 11: Sezione trasversale delle sfere di saldatura, DIC

Taglio di campioni microelettronici

A seconda delle dimensioni e della fragilità del componente o dell'assemblaggio microelettronico, potrebbe essere necessario un inglobamento prima del taglio per preservare l'integrità delle parti e dei componenti ed evitare così eventuali danni meccanici.

Assicurarsi di tagliare abbastanza lontano dall'area di osservazione per evitare danni meccanici. Una volta sezionato il campione, prelevigare con cura per rimuovere il materiale rimasto. Questo approccio limita il rischio di creare cricche nella ceramica, scheggiature nel vetro o la delaminazione degli strati o dei punti di saldatura.

Per il taglio di componenti microelettronici è possibile scegliere una delle troncatrici di precisione, in base al tipo di campione microelettronico da analizzare:

• Per il taglio di materie plastiche: Vi consigliamo un disco diamantato galvanico (E1D20) o un disco diamantato legante resina (B0D20)
• Per componenti di grandi dimensioni: Vi consigliamo il modello Secotom con disco diamantato galvanico (diametro 20 mm., o 15 mm. per tagli più sottili)
• Per tagliare componenti singoli, piccoli o fragili: Vi raccomandiamo il modello Accutom, o anche dischi di taglio più piccoli
• Per un telefono cellulare o una scheda con componenti microelettronici: Si consiglia una troncatrice di medie dimensioni, come Secotom

Inglobamento di campioni microelettronici

I componenti microelettronici non sono adatti all'inglobamento a caldo, per la loro natura composita e fragile. Per questo motivo devono sempre essere inglobati a freddo. È tuttavia opportuno evitare alcune resine acriliche per l'inglobamento a freddo, poiché sviluppano alte temperature di polimerizzazione che possono influenzare saldature e polimeri, e il loro elevato ritiro può incrinare i wafer di silicio.

I metodi di inglobamento variano a seconda del metodo di analisi utilizzato:

• Per regolari inglobamenti al microscopio ottico: utilizzare resine epossidiche trasparenti (ProntoFix, EpoFix)
• Per riempire vuoti e buchi: utilizzare l'impregnazione sottovuoto
• Quando si utilizzano filtri blu passa-alto e filtri arancioni passa-basso in un microscopio ottico: mescolare un colorante fluorescente (EpoDye) con la resina epossidica per ottenere contrasti eccellenti nei vuoti e nelle cricche
• Per le microvie: utilizzare una resina trasparente a bassa viscosità che scorre facilmente attraverso i fori

Per saperne di più

• Approfondite le vostre conoscenze, competenze e informazioni nelle nostre sezioni taglio e inglobamento.
• Consultate la nostra gamma di apparecchiature per il taglio e l'inglobamento.
• Richiedete i consumabili e gli accessori per il taglio e l'inglobamento.

A seconda delle dimensioni dei componenti microelettronici e del numero di campioni richiesti, esistono tre tipi di metodi di prelevigatura e lucidatura: manuale, semiautomatico e completamente automatico.

Evitare la spianatura con abrasivi grossolani che possono danneggiare i materiali fragili e deformare i metalli teneri.

Fig. 12: Danni da cricca e frattura nel diodo di vetro causati dalla prelevigatura grossolana con fogli/carta SiC

Processo in 3 fasi consigliato per la prelevigatura e lucidatura di sezioni parallele e trasversali

Fase 1
Per un'eccellente planarità, eseguire la prelevigatura fine diamantata con disco rigido (MD-Largo), invece della prelevigatura con foglio/carta di carburo di silicio.

Fase 2
Per mantenere la planarità dopo la prelevigatura, eseguire la lucidatura diamantata su un panno di seta. Se nel metallo tenero sono incorporate particelle abrasive, continuare la lucidatura diamantata fino a rimuoverle.

Fase 3
Eseguire una lucidatura finale con silice colloidale (OP-U NonDry), ma breve per evitare la formazione di rilievi.

Fig. 13: Rilievi di lucidatura dovuti alle diverse durezze dei materiali

Fig. 14: Particelle di diamante nella saldatura

Per la preparazione manuale di wafer di silicio e assemblaggi non incapsulati, Tripod è lo strumento ideale quando si utilizza il metodo di rimozione materiale controllata "grind-and-look". Per questo metodo vengono inglobate in una lastra di vetro pellicole abrasive con granulometria da 30 µm a 0,05 µm, e il campione viene prelevigato e lucidato manualmente.

Preparazione finale semi-automatica di campioni microelettronici

Per eseguire la rimozione materiale controllata in modo semiautomatico, utilizzare fogli/carta di carburo di silicio. Si consiglia di utilizzare speciali portacampioni per componenti microelettronici sia inglobati che non inglobati, come AccuStop o AccuStop-T. Non appena alcuni campioni sono stati prelevigati a circa 50 µm dal target, rimuoverli dal supporto AccuStop e posizionarli singolarmente nella macchina semiautomatica per la prelevigatura e la lucidatura fine.

Tabella 1: Metodo di preparazione per componenti microelettronici, inglobati, diametro 30 mm.

Preparazione finale completamente automatica di campioni microelettronici

Si consiglia di utilizzare una macchina automatica, come TargetSystem per un processo di rimozione materiale controllata completamente automatizzato. L'intero processo di preparazione, compreso il taglio, richiede 45-60 minuti.

TargetSystem allinea e misura il campione prima della preparazione e poi esegue automaticamente la prelevigatura e lucidatura, utilizzando il video per i target visibili, e i raggi X per i target nascosti. Può essere utilizzato per la rimozione materiale controllata in sezioni trasversali e parallele di campioni inglobati e non inglobati con una precisione di ±5 μm.

Fig. 15: Video Target-Z per il posizionamento e la misurazione di target visibili

Fig. 16: Radiografia di un campione con target nascosti

Fig. 17: Campione con target visibile, a video

Fig. 18: Supporto con campione e indicazione delle distanze misurate e calculate automaticamente

Table 2: Metodo per la preparazione finale di un componente microelettronico

La scelta delle superfici e delle sospensioni di prelevigatura e lucidatura dev'essere dettata dai requisiti di quantità di rimozione, planarità, rilievo, ritenzione dei bordi e sbavatura. Per aiutarvi a scegliere il metodo migliore, la nostra guida e-Metalog contiene circa 25 metodi collaudati per componenti elettronici, che coprono un'ampia selezione di combinazioni di materiali e requisiti di preparazione.

• Consultate la guida e-Metalog

Per saperne di più

• Approfondite le vostre conoscenze, competenze e informazioni nella nostra sezione di prelevigatura e lucidatura.
• Scoprite la nostra gamma di macchine e apparecchiature per la prelevigatura e la lucidatura.
• Richiedete i consumabili e gli accessori per la prelevigatura e lucidatura metallografica.

I componenti microelettronici contengono vari materiali e ogni materiale riflette la luce in modo diverso. Produce generalmente contrasti sufficienti a rendere inutile l'attacco. Tuttavia, se l'attacco è necessario, si consiglia di eseguire una lucidatura finale con silice colloidale, in quanto attacca solo leggermente le saldature e il rame. Per la fase finale di lucidatura, utilizzare la sospensione OP-S NonDry con una piccola quantità di perossido di idrogeno (3%). Controllare il campione dopo 30 secondi per evitare un attacco eccessivo. Se si desidera continuare, farlo gradualmente.

Il nostro consiglio di reagente per rame e leghe di rame di componenti microelettronici:
25 ml di acqua
25 ml di idrossido di ammonio
0,5-10 ml di perossido di idrogeno (3%)

Per migliorare ulteriormente il contrasto della struttura, si consigliano le seguenti tecniche di illuminazione:

• Campo scuro: per identificare cricche nella ceramica
• Contrasto interferenziale a luce polarizzata: per aumentare il contrasto o il colore di strutture di materiali specifiche

Scarica la nota applicativa completa con I metodi di preparazione

Circuiti integrati, wafer di silicio e circuiti stampati sono componenti essenziali dei moderni dispositivi elettronici e la metallografia svolge un ruolo importante nella progettazione, sviluppo e analisi dei guasti di questi componenti elettronici.

Tuttavia, la preparazione di circuiti integrati, wafer di silicio e circuiti stampati per l'analisi metallografica può essere difficile. I circuiti integrati sono minuscoli, con geometrie complesse e spesso di materiali diversi, come metallo, vetro o ceramica. Per questo motivo la rimozione materiale controllata richiede tempo, mentre la prelevigatura e la lucidatura di un obiettivo specifico all'interno di un componente richiedono pazienza e abilità.

Esistono strumenti speciali (AccuStop) che semplificano il processo di rimozione materiale controllata manuale e semiautomatico. Per la preparazione finale completamente automatica, TargetSystem di Struers vi offre prelevigature e lucidature rapide e precise. Per evitare rilievi tra gli strati di materiali duri e teneri, si consiglia di eseguire la prelevigatura diamantata su dischi rigidi e la lucidatura diamantata su panni duri.

L'attacco di solito non è necessario per i componenti microelettronici. Tuttavia, se l'attacco è necessario, si consiglia di eseguire una lucidatura finale con silice colloidale, che attacca solo leggermente le saldature e il rame.

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Tutte le immagini sono di Kelsey Torboli, Specialista delle applicazioni, USA.
Per informazioni specifiche sulla preparazione metallografica di componenti microelettronici, contattate i nostri specialisti delle applicazioni.