A causa delle loro dimensioni e complessità, la preparazione dei componenti microelettronici per l'analisi metallografica, può essere impegnativa. Questa guida descrive le tecniche e le apparecchiature speciali necessarie per garantire una rimozione del materiale controllata e precisa su campioni microelettronici, con risultati riproducibili.
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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
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.
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)
Fig. 10: Vuoti e cricche nel collegamento saldato di un foro passante placcato (200 x)
Fig. 11: Sezione trasversale delle sfere di saldatura, DIC
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
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 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.
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
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.
