微电子器件

关于微电子器件

从材相角度来看,微电子器件可以分成三种类型的样品:

  • 硅晶圆
  • 集成电路 (IC) 和部件
  • 印刷电路板 (PCB)

硅晶圆

就微观结构及化学成分而言,半导体硅的性能与材料性质紧密关联。

材相制备圆柱形硅锭薄片,通常通过 IR-显微检查以及 FTIR-光谱检查来进行分析。

晶圆制造包括多个重复过程,在基板表面上生产完整的集成电子电路,然后切割成各个晶片。

精确材相抛光之后,检查非封装形式的晶圆的微小平行面或截面。依据分析的尺度和类型,对光或者在电子显微镜中研究该集成电路的细节。

硅晶圆

就微观结构及化学成分而言,半导体硅的性能与材料性质紧密关联。

材相制备圆柱形硅锭薄片,通常通过 IR-显微检查以及 FTIR-光谱检查来进行分析。

晶圆制造包括多个重复过程,在基板表面上生产完整的集成电子电路,然后切割成各个晶片。精确材相抛光之后,检查非封装形式的晶圆的微小平行面或截面。依据分析的尺度和类型,对光或者在电子显微镜中研究该集成电路的细节。

集成电路 (IC) 和部件

从作为基底材料的各个晶片开始进行包装。

包装方法包括不同相互连接和涂层技术,均用于极端紧实度。

这些微小、高度复杂部件的材相截面将用于开发、设计、生产点检和失效分析中。检查的目标是查看裂缝、空洞、焊球、导电和绝缘层、接头等。包装内的特定区域通常是检查的主题,因此材相应用包括识别和揭露该目标。

电容器、电阻器等离散部件也需要进行材相检查,以分析其几何和微观结构缺陷。

印刷电路板

印刷电路板 (PCB) 包括环氧树脂/纤维玻璃或者陶瓷基片、电镀铜金属层以及电镀孔(也称为通孔)。

对电路板材料进行样本制备,有助于确定基板材料(承载电子组件)的缺陷位置。
根据领先工业标准,必须对镀有 PCB 通孔的质量进行材相检验。为此,生产试样并进行制备,以便在显微镜中检验电镀通孔的中心。

此外,主要检验截面的连接性、涂层连贯性以及厚度。由于特定区域通常界定了检查的目的,因此也需要对 PCB 使用精确材相工艺。

如何进行微电子器件的材相制备、可控材料去除 (CMR) 和目标制备

微电子器件的材相性质主要存在三个方面的挑战。

微型尺寸

1.微型尺寸需要适用于处理小样品的专用设备和附件。此外,对于其尺寸界定在 μm 范围内的样品而言,材相过程(切割和研磨等)的精确性要求也更为明确。

复杂的材料成分

2.微电子器件的共同之处在于材料成分复杂,其中软金属、陶瓷和复合材料通常需紧密压实。这就需要对制备方法和参数进行权衡,并谨慎选择,以满足特定要求。

受控且准确的制备

3.当对小目标进行检验时,需要受控、精确的制备。具有高机械精度的解决方案、光学测量单元以及机械挡块是更为基本的“边磨边看”技术的现代自动化或者优化解决方案。

切割和取样

根据需调查的样品类型,可以在各种精度的切割机上进行切割。

  • 手机或者装载了各种部件的电路板,可以使用手动或者自动中型机械进行横截。
  • 对于切下的各个微小或脆弱部件,由于这些部件需要更高精度,因此建议使用精密切割机械。
  • 建议使用用于切割塑料的电镀钻石磨轮或者树脂粘结钻石磨轮。

在任何情况下,切割应当放置在距离要观测的实际区域足够远的地方,以避免可能对其造成任何直接损坏。在切片之后可以仔细地研磨剩余的材料。该初始步骤需进行得更仔细,这样陶瓷、芯片和玻璃中出现裂缝,或者各层或者焊点之间出现层离的可能性就越低。

为提取 PCB 试片,需要使用专用的取样设备。自动化以及光学测量技术能够对针点型试片进行高精度钻孔和路由。对于灵敏或者微小样品,建议在切割之前浸渍该样品。

镶嵌

基于其成分以及脆性,微电子部件不适于热压缩镶嵌,因此需要持续进行冷镶嵌。

建议使用固化温度低的冷镶嵌树脂,以避免发热对焊料和聚合物的影响。对于微小或易损坏样品,例如,硅晶圆,优选使用低收缩树脂,以便最大限度地减小开裂的风险。

安装方法取决于所用的分析方法。

  • 对于常规镶嵌,使用光学显微镜可透的环氧树脂。
  • 如果必须填充空洞和孔洞,建议进行真空浸渍。将荧光染料与环氧树脂混合可使得孔洞和裂缝在光学显微镜中出现绝佳的反差。
  • 对于非常小的通孔,建议使用易于流动到孔洞中、粘性低的透明树脂。

对于专用系统,部件可以直接镶嵌在用于通孔检验或者目标制备的特殊样本支架中。

研磨和抛光

对于微电子器件的手动和半自动研磨与抛光,可以使用传统设备。将专用的样品固持器作为对手动“边磨边看”方法的更精确的替代方案,以确保样品的对准以及材料去除的控制。

  • 对于自动控制的表面制备,针对可见和隐藏目标,可以在专用设备中对已镶嵌和未镶嵌样品的横截面和平行截面进行研磨和抛光。
  • 激光测量可以确保制备过程中达到 ± 5 µm 的精度以及自动重新计算的去除速率。
  • 对于具有可见目标的样品,可基于视频进行对准和测量;而对于具有隐藏目标的样品,可基于 X 射线进行对准和测量。

在选择研磨和抛光方法时,需要考虑的材料组合例如:较薄和脆性硅晶圆的平行面和横截面、铅或锡的焊球阵列、脆性陶瓷或者韧性聚合基板上的具有镀铜通孔的 PCB、几百微米内具有硅、陶瓷、金、铜、铝和锡的 IC 横截面。

去除速率、平面度、起伏、边缘保护以及涂片的要求通常决定了研磨、抛光表面以及悬浮液的选择。e-Metalog 中介绍了适用于电子部件的约 25 种专用方法,涵盖众多材料组合和制备要求。

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