Целевая металлографическая подготовка к исследованиям электронных и микроэлектронных компонентов

Иван Анчевский

Описание эксперимента

Автоматически подготовить 20-микронное золотое проволочное соединение в ИС, найденное с помощью микрофокусной рентгеновской трубки.

Расстояние между краем образца и объектом было измерено. Уровень снятия материала при индивидуальных шагах шлифования и полирования был подсчитан. Была учтена глубина механической деформации. В течение шага шлифования уровень снятия материала был замерен. Особенно важен выбор полировальных сукон, суспензий и нагрузок, используемых при полировании. Данные параметры имеют решающее значение в получении образца с хорошим удержанием края и высокой плоскостностью. Эти шаги подготовки до сих пор осуществлялись вручную
с помощью специально обученного персонала.

Комплекс TargetSystem использует эти шаги подготовки в автоматическом режиме и с высоким уровнем воспроизводимости.

Описание комплекса

TargetSystem — это модульная система, состоящая из следующих компонентов:

• TargetMaster — полировальный станок (рис. 1);
• TargetDoser — автоматический дозирующий блок (рис. 2);
• TargetGrip — держатель образца (рис. 3);
• TargetZ — установочная станция для видимых объектов (рис. 4);
• TargetX — установочная станция для скрытых объектов с использованием рентгеновской камеры (рис. 5).

TargetMaster представляет собой автоматический полировальный станок. Встроенная измерительная лазерная система замеряет уровень снятия материала в процессе полирования и гарантирует точность ±5 мкм. Имеется и вторая электронная измерительная система, непрерывно контролирующая процесс шлифования.

TargetDoser подключается к TargetMaster. Автоматический дозирующий блок работает с 7 жидкостями, такими, как суспензии и лубриканты. Он имеет 10 стандартных методов подготовки и может хранить пользовательские методы.

TargetGrip — это держатель образца с возможностью поворота до 5°. Образцы приклеиваются на пластиковую вставку, которая помещается в TargetGrip. Для нахождения видимого объекта TargetGrip устанавливается в TagretZ. Для нахождения скрытого объекта — в TargetX.

Рис.2

Рис.3

TargetZ используется для установки и измерения расстояния до видимой цели с увеличением до 680 крат.

TargetX используется для установки и измерения расстояния до невидимых целей и состоит из установочной станции и консоли. Консоль позволяет удаленно контролировать процесс измерения в рентгеновской камере.

Рис.4

Рис.5

TargetMaster позволяет использовать три режима подготовки, которые могут быть комбинированы друг с другом (рис. 6):

1. Целевой режим. Полирование образца до выхода на объект.

2. Режим удаления материала. Вручную устанавливается количество материала, которое необходимо удалить. Например, в том случае, если необходимо подготовить ряд микропереходов на печатной плате.

3. Временной режим. Полирование образца в течение заданного времени.

Разработка методов подготовки

Для металлографической подготовки электронные компоненты можно разделить на две группы:

Группа 1: компоненты с керамикой из оксида алюминия (например, SMD-резисторы, печатные платы без элементов).

Группа 2: хрупкие компоненты, подверженные артефактам (конденсаторы, стеклянные диоды, кремний и т. п.).

Для подготовки важны следующие параметры:

• заливочная смола;
• шлифовальные или полировальные диски и сукна;
• полировальные суспензии;
• нагрузка при полировании. Разработка метода для образцов группы 1 представлена на примере подготовки резистора с керамическим сердечником (образец № 1 и образец № 2).

С помощью клея с малым временем застывания образец приклеен к центру пластиковой вставки. Пластиковая вставка закреплена в держатель образца TargetGrip, который помещается в TargetZ, где происходит выравнивание и измерение расстояния до исследуемого объекта. Данные измерения передаются в TargetMaster. Образец предохраняется путем покрытия его специально разработанной быстрозастывающей смолой (ViaFix), которая застывает под давлением при комнатной температуре за 15 мин. ViaFix имеет свойства, схожие со свойствами
эпоксидной смолы, но застывает быстрее. На рис. 7 показан держатель образца в TargetZ.

Для разработки методов подготовки была отрегулирована нагрузка и опробовано несколько сукон и суспензий из числа наиболее типичных расходных материалов. Параметры, давшие наилучший результат, показаны в таблице 1.

На рис. 8 и 9 показаны результаты различных методов шлифования. На образце № 1 наблюдается завал края, а участок между контактом и припоем плохо просматривается. На образце № 2 участок между контактом и припоем четко виден.

Причина в шлифовальном шаге: образец № 1 был отшлифован бумагой с абразивом #800, а образец 2 — алмазной фольгой DiaPad 20 мкм. Алмазная фольга — это наш выбор для образцов группы 1.

Эффект, получаемый от использования различных полировальных сукон, показан при разработке параметров подготовки образцов группы 2.

Рис.6

Для примера образец корпусировки WLP (Wafer Level Packaging) на кремниевой пластине со связующими шариками припоя SnPb был отполирован на сукне MD-Dac, и результат был сравнен с полировкой того же образца на сукне MD-Dur (образец № 3 и образец № 4). В обоих случаях абразивом служила алмазная суспензия DiaPro Dur 3 мкм. При полировке на MD-Dac возникал дефект подготовки: кремниевая подложка скалывалась в области контакта со связующим шариком (рис. 10). Полирование на сукне MD-Dur не давало такого дефекта (рис.
Па).

Этот пример показывает, что алмазная суспензия, разработанная специально для определенного сукна, дает очень хорошие результаты. Это продемонстрировано на рис. 116, где можно наблюдать зерненую структуру образца № 4 в поляризованном свете.

Для компонентов с хрупкими составляющими очень важно выбрать корректное усилие при полировании. При чрезмерном усилии могут происходить сколы и выбоины, которые могут быть неправильно истолкованы.

В таблице 2 приведен наилучший метод для подготовки образцов из группы 2.

Для теста воспроизводимости точности подготовки были сделаны поперечные сечения платы со сквозными металлизированными отверстиями (рис. 12 и 13).

В таблице 3 приведены данные процесса подготовки для шести различных образцов, которые были автоматически записаны TargetSystem, при использовании метода подготовки 2. Среднее отклонение от заданной цели составило приблизительно 2 мкм. Это демонстрирует, что процесс подготовки имеет высокий уровень воспроизводимости. Разница во времени подготовки зависит от уровня снятия DiaDad и полировальными сукнами, а также от расстояния до цели.

Рис.13а. Радиографический снимок компонента бескорпусного чипа (chip-on-board) с золотым проволочным контактом (измерено на Target X)

На фотографиях (рис. 13-16) показаны дополнительные образцы, подготовленные с помощью TargetSystem. Сечения показывают образцы различных типов соединений для электронных компонентов.

Заключение

TargetSystem может успешно применяться в области анализа отказов электронных и микроэлектронных компонентов. При подготовке нескольких серий образцов система показала качественные воспроизводимые результаты. Подготовка образцов вручную с хорошим качеством и за короткое время возможна только опытными металлографами. При ручной подготовке остается риск сошлифовать интересующий объект и безвозвратно потерять образец. После кратковременного обучения персонала на TargetSystem можно подготавливать сложные образцы
с высокой точностью и воспроизводимостью.