集成电路芯片(IC)封裝的横截面显微镜机构检测方式

前言
电力电子技术是水利学的一个主要支系, 它是一门有关为了更好地有效的效果而对电子器件开展调节的课程。应用物理的专业知识获知, 电子器件的流动性能够在真空泵、汽体、或溶液中开展，还可以在固态中受到限制地流动性（半导体材料）、贴近不受限地流动性（电导体）、或彻底不受限地流动性（超导体）。

现如今, 电子设备正变的越发繁杂，工程项目专业技术人员一直试图将很多构件放到一个小小“飞机黑匣子”中。生产商一直想把绝大多数资产用在改进其制造设备，而只想要留有非常少一部分资产用以质量管理。最坏的具体情况是，大部分企业宁可把它们的质量管理资产用以基本上设施项目投资，比如选购新式扫描仪透射电镜、散射透射电镜，或者厄歇谱仪，只剩余非常少一部分钱用于选购试件制取机器设备和耗费器械。一个大家都知道的状况便是大家对试件制取的必要性一直不足高度重视。另一方面, 不容置疑，最后商品的产品质量和安全性在于每一个构件的特性。殊不知，这也一直电子工业的一个让人头疼的难题。对电子设备的断面开展金相检验是一种大家都知道并一般广泛接纳的检测方式。

殊不知，大部分电子设备的金相分析专业技术人员很有可能面对的一个现象也是她们必须开展抛光和打磨抛光的原材料比预计的繁杂和艰难。她们或许从来没有了解过如何去解决双层基材原材料，而它们在大学生活时只学过怎样适当地制取匀称的原材料，比如钢、合金铜或铝合金型材。除此之外，她们还须应对机器设备比较差的金相分析试验室，耗费器械的种类也很比较有限，而且应用所说的“传统式或传统方式”来制取优秀的电子设备试件。

一般状况下，基本试件制取方式是以240#碳碳复合材料打磨砂纸逐渐，先开展碾成平面图工艺流程，然后应用600#、1200#打磨砂纸，随后用0.3 μm 三氧化二铝开展粗打磨抛光，及其0.05 μm 三氧化二铝在长毛绒纺织物上完成最后打磨抛光，那样可得到 明亮的表层。制取方式还很有可能因地而异，乃至还在于试验室有什么现有的耗费器械。现如今，这类制作方式早已不适合用于制取先进材料。除此之外，她们都没有想起她们的试件是不是好到足够和优秀的光学显微镜或扫描仪透射电镜相符合。

在这篇文章中，大家尝试得出各种各样集成电路芯片（IC）封裝、导线联接，及其别的组件的试件制取方式。

比较好的试件制取方式
大家的立足点是防止造成大量的损害。横截面显微镜机构检测针对电子工业的质量管理和失效分析是一个有效的方式。可是在试件制取环节中，有时候难以避免会对试件增加地应力、震动，或使之遇热。在我们使试件提升一些附加的伤害时，要区别它是初始缺点或是试件制取环节中产生的将是艰难的。

激光切割

在激光切割试品之前，大家理应确立地了解，哪一个总体目标地区是大家所要检测的，及其激光切割方位或趋向。

电子封装包含铜导线支撑架、复合型成形原材料、硅电缆分支器、金输电线、钎料。 有一些原材料非常脆，应用快速自动切割机很有可能会产生很大的损害。因而，应用Buehler 企业的ISOMETTM 型低自动切割机能够使激光切割损害降至最少。除开自动切割机外，角磨片的选择也十分关键。一般状况下，较低浓度的金钢石角磨片(用LC 表明)适合激光切割硬而脆的原材料，比如瓷器、电子封装、半导体材料等，这也是因为为了更好地做到有效的激光切割速度，必须单珠金钢石耐磨材料承担高负荷。

图1 示出不一样金钢石角磨片中金钢石耐磨材料的相应规格。图2 示出硅晶片激光切割表层的明视场角显微镜机构相片。由图2c 能够看得出，应用5LC 金钢石薄角磨片能够取得最好激光切割实际效果，可是在很多状况下，应用偏细的耐磨材料很有可能会使激光切割時间明显提高。为了更好地激光切割IC 封裝，10LC 系列产品角磨片在有效的激光切割時间可以得出令人满意的結果。

(注: 数据5、10、15 是金钢石耐磨材料颗粒物的相应规格，并不是具体规格，比如“5”
不意味着5 μm)
嵌入
在电子设备试件制取中，嵌入原材料的选择也是一个至关重要的课题研究。不容置疑，
热嵌入方式不适合电子设备试件。假如试件中富含一些延性原材料，比如硅线
夹或瓷片电容等，当遭到工作压力和热时便会裂开；此外，当试件遭受重工作压力时
造成层次状况也并不是不普遍。
另一方面，在我们采用冷嵌入原材料时，以下几个方面规则对大家会出现协助：
（1） 低最高值溫度---为了更好地防止造成热损害。一般状况下，因为大部分电子设备试件针对遇热非常比较敏感，因而我们不建议应用最高值溫度高于90°C 的嵌入原材料。另一方面，在我们将环氧树脂与环氧固化剂混和时，化学反应就开始了。热便会根据“链式反应”持续造成。即便混和占比恰当，假如二者的搅拌量过多，超温也会造成，它的黏度也会明显提升，嵌入物将变为淡黄色并造成很多汽泡。因而，嵌入环氧树脂混合物质的容积不应该超出150 mL。

（2） 低收拢（或破裂）---冷嵌入原材料干固时候形成收拢。这时候在嵌入原材料与试件中间会形成间隙，在试件开展抛光时，一些耐磨材料（比如打磨砂纸上的碳碳复合材料颗粒物）就很有可能会置入此间隙中，在下一道工艺流程中，这种耐磨材料颗粒物又会被拖出而在试件外表上造成一条深刮痕；另一种状况，假如嵌入原材料与IC 封裝成形原材料中间的黏合是这般地少，以致于IC 封裝的成形原材料会被拖出而在成形原材料与硅晶片中间形成间隙。这一状况有点儿看上去好像有点儿不寻常，可是针对“薄”的IC 封裝(比如BGA 或TSOP)，或是有可能造成的。假如这些状况确实产生，大家就没法判断它是原来的缺点或是试件制取缺点 (参考图3)
（3） 高粘度---它有利于添充微小细孔、孔隙度、或凹下去地区。
（4） 全透明---作业者能够通过嵌入环氧树脂见到试件总体目标范围的确切部位。可是针对一些上色的或透明色嵌入原材料, 作业者务必可能应当磨坏多深。针对重要试件, 比如用以失效分析的独一无二试件, 假如作业者抛光时超出总体目标点, 她们便会碰到非常大的不便。
（5） 低磨损因素---这一专业术语非常不普遍, 它的部门是每分除去的(嵌入)原材料, 用μm/分鐘表明, 它在一定水平上与强度相关。标值高代表着抛光或打磨抛光时要除去大量的原材料, 相反也是。大家都知道, 电子设备试件中既带有硬原材料, 也带有软原材料。在硬原材料中有像陶瓷填料那般硬的原材料，在软原材料中有像钎料球那般软的原材料。假如应用具备高磨损因素的嵌入原材料，历经打磨后，在软原材料外边沿周边可能发生过多的浮凸，这种地区在显微镜下将难以清楚对焦。

下列强烈推荐三种用以电子设备试件的冷嵌入原材料：

图3 嵌入缺点

抛光和打磨抛光
这也是试件制取环节中最艰难的一部分。激光切割后在横截面上还可以见到一些刮痕。可是抛光和打磨抛光不但是因为除去激光切割刮痕，与此同时还需要除去掩藏的伤害和形变。

形变体制
一般说来，激光切割后形成的损害有二种：
(1) 塑性形变 --- 造成于延展性原材料，比如铜、铝、锡锑铝合金。状况类似强度实验时造成的压印，所不一样的是，强度压印是斑点状缺点，而刮痕是条状缺点。压印周边地区也遭受形变和内应力的功效。这一掩藏的缺点区不可以意味着原材料的真正机构，因而理应根据抛光和打磨抛光将其除去 (参考图4a)
(2) 延性毁坏 --- 造成于延性原材料，比如瓷器、硅晶片等。其表层产生一些凹痕和裂痕。针对陶瓷封装，发生凹痕是一种优良的预兆，表明我们可以开展到下一道工艺流程。假如凹痕的规格变的越发小，说明大家已经除去损害层。因为陶瓷封装是用煅烧方式制造的，孔隙度和孔眼便是初始机构的一部分。假如孔隙度或凹痕的大小在反复同一工艺流程多次后依然不会改变，这就代表着损害层早已除去，大家就可以开展下一道工艺流程了 (参考图4b)

有意思的分类方法
PGA (栅格数据列阵接脚), C-DIP (调心轴承直插入式陶瓷封装), LCC (无导线集成ic架),TSOP (薄小外观封裝), QFP (四方扁平封装), BGA (球栅列阵接脚) … 大肆宣扬为数众多的简称专业术语和封装类型通常会使外行觉得蒙蔽。可是针对电子设备试件制取方式而言，大家仅有这两种种类：薄封裝和厚封裝。薄封裝代表着在集成电路芯片（IC）中采用的成形原材料不过多，一般其摩尔分数低于30%。假如成形原料的摩尔分数超出30%，这类IC 封裝就称之为厚封裝。铜导线支撑架、硅晶片、芯片联接原材料、钎料等的抛光并不太艰难。可是成形原材料一直会给大家产生艰难，这类材质中包括环氧树脂胶基材、三氧化二铝或二氧化硅填充料，这种填充料是硬而脆的。试件抛光时，成形原材料将在数分钟内把碳碳复合材料打磨砂纸磨损掉。粉碎的耐磨材料不会再具备锐利的边角，失去除去材质的工作能力；甚至有，过多的抛光还会继续使环氧树脂胶基材松驰，导致填充料颗粒物掉下来并在试件与SiC 打磨砂纸中间翻转，导致一些“斑点状”刮痕。

更坏的具体情况是，粉碎的耐磨材料颗粒物具备负迎角，碰到延展性原材料时迅速便会变钝，不可以起激光切割的功效，反倒会与试件表层造成“磨磨蹭蹭”，使试件表层显得明亮。不内行人的人看上去，很有可能会误以为试件表层的抛光拥有进度。事实上，总的残留损害、形变、和地应力反倒提高了，大家即将见到的机构不会再是合理的。因为大部分人针对成形原料的品质并没什么兴趣，可是它确实会对产品质量检验全过程产生不便。
在探讨集成电路芯片封裝的抛光和打磨抛光之前。最先应该确立下列二点：
（1） 不必期待可以将全部的刮痕除去
在高宽比不匀称的装封原材料中，当硬原材料中的刮痕除去后，软原材料中又会产生小量刮痕，除去这种刮痕是十分艰难的。即便绝大多数地区都制取得非常极致，在金导线上也会有小量细刮痕，能够在高变大倍率的显微镜下见到。
（2） 不必期待能取得一个完美无缺的平整表层
封裝材质的强度范畴十分开阔，能够从50HV 直至百余HV。软原材料除去得较快，可是硬原材料的除去速度却非常慢，因而难以避免还会造成一定的浮凸。

厚封裝的配制方式

注: 能够将2-3 %的氢氧化钠和双氧水与Mastermet 2 混和以提升打磨抛光实际效果
全自动抛光/研磨抛光机可以用来制取IC 封裝试件，抛光和打磨抛光主要参数能够键入到机
器中。
应用所述方式逐渐时，可以用600# SiC 打磨砂纸将试件磨到贴近目标区。虽然我
们以前提及过，SiC 打磨砂纸针对除去成形原材料并不那麼合理，可是如果我们在
激光切割试件时，间距目标区可以精确到2 mm，所需除去的原材料也不太多了，一
般情形下，一张600# SiC 打磨砂纸足够进行该项每日任务。
针对厚封裝，历经600#打磨砂纸工艺流程后，因为成形原料的摩尔分数较高，假如应用800/1200 号的SiC 打磨砂纸再次抛光，成形原料中的二氧化硅或三氧化二铝填充料便会快速将打磨砂纸磨损掉。这时候就可以应用一种称为Texmet 的多孔结构抛光纺织物，它有着较为硬的外表并带有很多小圆孔，与之搭配应用的是15μm 金钢石混液，能够十分合理地除去硅晶片上的“破裂损害”并足够合理地磨掉成形原料中的陶瓷填料。现阶段尚不清楚这类抛光纺织物工作中的详尽体制，可是从它的构造，我们可以构想金钢石耐磨材料的颗粒物能够从一个孔隙度滚向另一个孔隙度，当它从面料表层滚落伍，会对试件造成立即的激光切割功效（参考图5）。这很有可能便是刮痕的外貌从“破裂损害”变为“线形刮痕”的缘故。

历经了15μm 工艺流程，能够应用Texmet 2500 型纺织物, 与之相互配合的是9μm 金钢
石混液，这类纺织物与Texmet 1500 型纺织物相近，具备良好的维持参杂物的
工作能力，可是前面一种更硬一些，因而能够防止太早造成浮凸。
最后打磨抛光环节能够应用Mastertex 型纺织物，这也是一种短绒针织物。长毛绒纺织物
非常容易造成明显的浮凸，试件与纺织物外表的磨擦力也较高，因而参杂掉下来的机
率也较高，虽然应用它能够得到较为明亮的表层。对于打磨抛光混液，二氧化
硅要比三氧化二铝粉末状（混液）的效果非常的好。当大部分人宣称，三氧化二铝是较好的
最后打磨抛光物质，她们好像忘记了，大家所运用的耐磨材料理应比试件自身硬。成
型资料中的填充料、硅晶片的强度高过三氧化二铝颗粒物的强度，作业者务必耗费更
长的时间段来除去前一道工艺流程的刮痕，可是此外却引起了明显的浮凸。

“厚”封裝的电线联接

图6c 用9 μm金钢石耐磨材料在Texmet 2500 纺织物上抛光后, 200x

图7b 图6e 下图的电线联接, 1000x
(注: 在乳白色联接垫片与金输电线相互间的深灰色地区为金-铝金属材料间化学物质层)

薄封裝的配制方式

注: 能够将2-3 %的氢氧化钠和双氧水与Mastermet 2 混和以提升打磨抛光实际效果
与厚IC 封裝试件的配制方式相较为，仅有极少的转变。在600# SiC 打磨砂纸后，
应用800#和1200#号SiC 打磨砂纸，这也是因为薄封裝试件中的成形原材料对抛光效
率的危害不很大，因而能够应用粒度分布偏细的SiC 打磨砂纸，以得到 较好的整齐性
而且能够将前一道工艺流程的绝大多数刮痕除去。
抛光/研磨抛光机
大部分有工作经验的金相分析专业技术人员宣称，她们用两手能够比全自动设备制取质押担保
量更强的试件。这是一个能够争执十天的话题，即用哪一种方式制取试件更
好。殊不知，沒有是多少金相分析专业技术人员能够对你说，拿手能够对试件增加是多少牛
顿的力，或许她们要说，大概有13 哥白尼。假如你用拇指按一下弹簧秤，你
便会发觉13 哥白尼的力并不如你所预料的那般轻。不一样的金相分析专业技术人员对试件
增加的工作压力各有不同，即便 是同一位金相分析专业技术人员，针对同样试件的同一道
工艺流程，他（或她）对试件增加的工作压力每日也不会同样。因而，全自动设备的
一个挺大的特点便是每一道工艺流程的工作压力都能够准确地完成调节。

另一方面，不一样的试件必须磨掉多深并不相同，因而电子设备试件理应选用
独立载入方法，这类载入方法具备协调能力，能够从试件夹紧器中取下在其中任
意一块试件而并不会干扰其他试件。
全部的技术员和金相分析专业技术人员都了解，当电机运行时，它不但在旋转，还
会造成震动。大家用电机来推动抛光/研磨抛光机的轮盘。在我们在制取试件时，
除开有圆盘的旋转姿势外，震动还会继续使试件遭受一个任意往上的力，这时候试
样中的参杂造成剥落的时机便会大很多。因而，较为重的设备能够提升其稳
判定并有利于减少震动的震幅。
除此之外，电机与轮盘中间还可以选用皮带盘或减速箱联接。大部分人觉得，传动带
轮是一种旧式设计方案，减速箱则更优秀。可是她们忘记了，来源于电机的震动能够根据减速箱传送到轮盘，尤其是当传动齿轮遭受损坏、缺失其精密度时。因而，虽然皮带盘看上去不那麼优秀，它的性能指标却好于减速箱。全自动打磨抛光头的设计方案也会影响到试件制取結果。对它的需求和对研磨抛光机电动机轴的规定类似，即较好的可靠性并沒有颤动。应用強度高的钢支撑架来生产制造打磨抛光头能够得到 较好的可靠性，气动制动器能够用于将打磨抛光头与底座锁住以防止造成颤动。

乳白色直箭头符号表明加在样品上的工作压力; 乳白色弯折箭头符号表明轮盘与打磨抛光头的旋转姿势; 鲜红色十字箭头符号表明震动和颤动姿势

它看上去理应是什么样子？
在我们将试件制取结束后，大家对自已指出的情况第一是，这也是真正机构吗？大部分人觉得，金属材料间化学物质层理应具备很好的外观设计、十分平行面、沒有裂缝、沒有空隙。金属材料间化学物质层的一切缺少和不持续全是因为试件制取技术性不太好导致的，或是是因为全自动设备输出功率很大，促使一部分金属材料间化学物质掉下来，因而设备并不可以替代有工作经验专业技术人员的工作中，手艺要比设备至关重要。假如大家看一下图7a 和图7b, 他(她)很有可能会下结论，即金属材料间化学物质层呈不持续状。可是如果我们应用与薄封裝试件的相近方式来制取另一块BGA 试件，如图所示8a 至8d 所显示，你一定会发觉，觉得这也是试件制取不太好导致的结果出得太早。

从图8a 输电线相连接的外边沿能够看得出,这里轮廊看不见金属材料间化学物质层。图8b中，另一试件的电线联接更向内一部分，能够见到一层薄厚十分匀称的合金间化学物质层，其样子非常详细。到图8c，假如直往深磨下来，金属材料间化学物质层就不会再象图8b 所显示的那般详细，有一些地区呈不持续状，薄厚都不那麼匀称。有些人也许会觉得金属材料间化学物质造成了塑性变形流变性并掉下来，使其薄厚不匀称。殊不知，依据从一点下结论觉得试件制取不太好也不合理。我们都是用同样的办法在同一台设施上制取从图8a 至图8c 所显示的试件，假如确实发生了塑性变形流变性，那麼图8b 中的试件也理应会产生，其薄厚就不容易象大家所看见的那般匀称。除此之外，象图7a 和图7b 所显示的电线联接分别是图6e 左边和右边的电线联接。这两个输电线联接彼此之间邻近，而且应用一样的电线联接机器设备来制做这一IC，假如发生了塑性变形流变性和掉下来，最少金属材料间化学物质层的样子理应是相像的。殊不知，二者的样子却很不同样。从这一客观事实我们可以推断，金属材料间化学物质层的薄厚和样子针对不一样的衔接和不一样的轮廊全是不一样的。

除此之外，为了更好地实验大家是不是能“生产制造”一些塑性变形流变性，将图8c 中的样品用人工方式向应用中等水平工作压力往上再次打磨抛光。从图8d 能够看得出，层的样子沒有转变，也观查不上产生过塑性变形流变性，除开因为金输电线过软，上边有一些不干净的东西（或许是置入的）。另一方面，还发觉更特别注意的事儿。打磨抛光后，在输电线相连接的上端只有见到很少许的刮痕，并且在显微镜下难以见到。因而，应用

扫描仪透射电镜（SEM）来观察，如图所示9（注：文中沒有此图）所显示，在其中的小花图例出无刮痕层的样子。从这一间接性状况，我们可以觉得这一层的强度要高过金输电线上端的强度*。如果我们更仔细地科学研究输电线联接全过程，大家又得到 一个直接证据来证实无刮痕地区是因为超声波能和工作压力导致的冷作硬化功效。
(*注: 这一冷作硬化层的壁厚仅有大概10 μm。因为金实际上是这般地软，在检测其强度时，
即便采用最少的检验力，也基本上不太可能使压印对角长低于10 μm)

检验横截面显微镜结构的功效
检验横截面显微镜机构针对基本质量管理和失效分析全是一项强大的方式。一般状况下，在检验横截面显微镜机构之前，先要开展无损检测技术。应用X-放射线、超声波扫描仪、红外线光学显微镜等方法能够在没有影响设备的标准下找到无效的位置。可是假如我们要进一步研究无效的精确体制和直接原因，就须要检验横截面显微镜机构。因而，一般把检验横截面显微镜机构当作是失效分析的最终方式。

显微镜机构相片标准图集

结果
因为大家小看了显微镜试件制取针对电子器件工业品的必要性，因此局限了它的快速发展和运用。文中的信息首要聚集在显微镜试件制取的判定运用，之后大家还需要讨论它在定量分析基本上的运用。

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