集成电路(IC)封装的截面显微安排查验办法
导言
电子学是工程学的一个重要分支, 它是一门关于为了有用的意图而对电子进行操控的学科。运用物理学的常识得知, 电子的活动能够在真空、气体、或液体中进行，也能够在固体中受约束地活动（半导体）、挨近不受约束地活动（导体）、或彻底不受约束地活动（超导体）。
当今, 电子产品正变得越来越杂乱，工程技能人员总是力求将许多部件放在一个小小的“黑匣子”中。制作商总是想把大部分资金用在改进其出产设备，而只愿意留下很少一部分资金用于质量操控。最坏的状况是，大多数公司甘愿把他们的质量操控资金用于根本设备出资，例如购买新式扫描电子显微镜、透射电子显微镜，或是厄歇谱仪，只剩下很少一部分钱用来购买试样制备设备和耗费器件。一个众所周知的现象便是人们对试样制备的重要性一向不行注重。另一方面, 毫无疑问，终究产品的质量和可靠性取决于每个部件的功能。可是，这也总是电子工业的一个令人头痛的问题。对电子产品的截面进行金相查验是一种众所周知并一般广为接受的查验办法。
可是，大多数电子产品的金相技能人员或许面临的一个问题便是他们需求进行磨光和抛光的资料比预期的杂乱和困难。他们或许从来没有学习过怎么去处理多层基体资料，而他们在大学学习时只学过怎么恰当地制备均匀的资料，例如钢、铜合金或铝合金。此外，他们还须面临设备很差的金相实验室，耗费器件的种类也很有限，并且运用所谓的“传统或惯例办法”来制备先进的电子产品试样。
一般状况下，惯例试样制备办法是从240#碳化硅砂纸开端，先进行磨成平面工序，接着运用600#、1200#砂纸，然后用0.3 μm 氧化铝进行粗抛光，以及0.05 μm 氧化铝在长绒毛织物上进行终究抛光，这样可取得亮光的外表。制备办法还或许因地而异，乃至还取决于实验室有哪些现成的耗费器件。当今，这种制备办法现已不适于用来制备先进资料。此外，他们也没有想到他们的试样是否好到足以和先进的显微镜或扫描电子显微镜相匹配。
在本文中，咱们企图给出各种集成电路（IC）封装、引线衔接，以及其它部件的试样制备办法。
比较好的试样制备办法
咱们的起点是防止发作更多的损害。截面显微安排查验关于电子工业的质量操控和失效剖析是一个有用的手法。可是在试样制备进程中，有时不可防止地会对试样施加应力、振荡，或使之受热。当咱们使试样添加某些额定的损害时，要区别它是原始缺点仍是试样制备进程中带来的将是困难的。
切开
在切开样品从前，咱们应当清晰地知道，哪个方针区域是咱们所要查验的，以及切开方向或取向。
电子封装包括铜引线支架、复合成型资料、硅线夹、金导线、钎料。 有些资料适当脆，运用高速切开机或许会带来更大的损害。因此，运用Buehler 公司的ISOMETTM 型低切开机能够使切开损害减至最小。除了切开机外，切开片的选用也十分重要。一般状况下，低浓度金刚石切开片(用LC 标明)适于切开硬而脆的资料，例如陶瓷、电子封装、半导体等，这是因为为了到达合理的切开速率，需求单颗金刚石磨料接受高负载。
图1 示出不同金刚石切开片中金刚石磨料的相对尺度。图2 示出硅晶片切开外表的明视场显微安排相片。由图2c 能够看出，运用5LC 金刚石薄切开片能够取得最佳切开效果，可是在有些状况下，运用较细的磨料或许会使切开时刻明显添加。为了切开IC 封装，10LC 系列切开片在合理的切开时刻内能给出满足的成果。
(注: 数字5、10、15 是金刚石磨料颗粒的相对尺度，不是实践尺度，例如“5”
不代表5 微米)
镶嵌
在电子产品试样制备中，镶嵌资料的选用也是一个重要的课题。毫无疑问，
热镶嵌办法不适于电子产品试样。假如试样中含有某些脆性资料，例如硅线
夹或陶瓷电容等，当遭到压力和热时就会开裂；别的，当试样遭到重压力时
发作分层现象也并非不常见。
另一方面，当咱们选用冷镶嵌资料时，以下几点原则对咱们会有协助：
（1） 低峰值温度—为了防止引起热损害。一般状况下，因为大多数电子产品试样关于受热适当灵敏，因此咱们不引荐运用峰值温度超越90°C 的镶嵌资料。另一方面，当咱们将树脂与固化剂混合时，放热反应就开端了。热就会经过“连锁反应”接连发作。即便混合份额正确，假如二者的混合量太多，过热也会发作，它的粘度也会明显添加，镶嵌物将转为黄色并发作很多气泡。因此，镶嵌树脂混合物的体积不该超越150 毫升。
（2） 低缩短（或劈裂）—冷镶嵌资料固化时会发作缩短。这时在镶嵌资料与试样之间会发作缝隙，在试样进行磨光时，一些磨料（例如砂纸上的碳化硅颗粒）就或许会嵌入此缝隙中，鄙人一道工序中，这些磨料颗粒又会被拖出而在试样外表上发作一条深划痕；另一种状况，假如镶嵌资料与IC 封装成型资料之间的粘合是如此地好，以至于IC 封装的成型资料会被拉出而在成型资料与硅晶片之间发作缝隙。这一状况有点看起来好像有点不寻常，可是关于“薄”的IC 封装(例如BGA 或TSOP)，仍是有或许发作的。假如这种状况确实发作，咱们就无法判定它是原有的缺点仍是试样制备缺点 (参看图3)
（3） 低粘度—它有助于填充细孔、孔隙、或凹进区域。
（4） 通明—操作者能够透过镶嵌树脂看到试样方针区域的精确方位。可是关于一些染色的或半通明镶嵌资料, 操作者有必要估量应该磨到多深。关于要害试样, 例如用于失效剖析的绝无仅有试样, 假如操作者磨光时超越方针点, 他们就会遇到很大的费事。
（5） 低磨耗因子—这一术语适当不常见, 它的单位是每分钟去除的(镶嵌)资料, 用微米/分钟标明, 它在必定程度上与硬度有关。数值高意味着磨光或抛光时能去除更多的资料, 反之亦然。众所周知, 电子产品试样中既含有硬资料, 也含有软资料。在硬资猜中有像陶瓷填料那样硬的资料，在软资猜中有像钎料球那样软的资料。假如运用具有高磨耗因子的镶嵌资料，经过抛光后，在软资料外边际周围将会呈现过度的浮凸，这些区域在显微镜下将难于明晰聚集。
以下引荐三种用于电子产品试样的冷镶嵌资料：
图3 镶嵌缺点
磨光和抛光
这是试样制备进程中最困难的部分。切开后在截面上能够看到一些划痕。可是磨光和抛光不只是为了去除切开划痕，一起还要去除躲藏的损害和变形。
变形机制
一般说来，切开后发作的损害有两种：
(1) 塑性变形 — 发作于延性资料，例如铜、铝、锡锑合金。状况类似于硬度实验时发作的压痕，所不同的是，硬度压痕是点状缺点，而划痕是线状缺点。压痕邻近区域也遭到变形和应力的效果。这一躲藏的缺点区不能代表资料的实在安排，因此应当经过磨光和抛光将其去除 (参看图4a)
(2) 脆性损坏 — 发作于脆性资料，例如陶瓷、硅晶片等。其外表构成一些凹坑和裂纹。关于陶瓷封装，呈现凹坑是一种杰出的预兆，标明咱们能够进行到下一道工序。假如凹坑的尺度变得越来越小，标明咱们正在去除损害层。因为陶瓷封装是用烧结办法出产的，孔隙和孔洞便是原始安排的一部分。假如孔隙或凹坑的尺度在重复同一工序数次后依旧不变，这就意味着损害层现已去除，咱们就能够进行下一道工序了 (参看图4b)
风趣的分类办法
PGA (栅格阵列接脚), C-DIP (双列直插式陶瓷封装), LCC (无引线芯片架),TSOP (薄小外型封装), QFP (四方扁平封装), BGA (球栅阵列接脚) … 诸如此类为数众多的缩写术语和封装类型往往会使外行人感到利诱。可是关于电子产品试样制备办法来说，咱们只要两种类型：薄封装和厚封装。薄封装意味着在集成电路（IC）中运用的成型资料不太多，一般其体积分数小于30%。假如成型资料的体积分数超越30%，这种IC 封装就称为厚封装。铜引线支架、硅晶片、晶片衔接资料、钎料等的磨光并不太困难。可是成型资料总是会给咱们带来困难，这种资猜中包括环氧树脂基体、氧化铝或氧化硅填料，这些填料是硬而脆的。试样磨光时，成型资料将在几分钟内把碳化硅砂纸磨耗掉。破碎的磨料不再具有尖利的棱角，失去了去除资料的才能；更有甚者，过度的磨光还会使环氧树脂基体松懈，构成填料颗粒掉落并在试样与SiC 砂纸之间翻滚，构成一些“点状”划痕。
更坏的状况是，破碎的磨料颗粒具有负迎角，遇到延性资料时很快就会变钝，不能起切开的效果，反而会与试样外表发作“磨蹭”，使试样外表变得亮光。不熟行的人看起来，或许会误以为试样外表的磨光有了开展。实践上，总的剩余损害、变形、和应力反而添加了，咱们即将看到的安排不再是正确的。因为大多数人关于成型资料的质量并不感兴趣，可是它确实会对质量查验进程带来费事。
在评论集成电路封装的磨光和抛光从前。首要应当清晰以下两点：
（1） 不要希望能够将一切的划痕去除
在高度不均匀的封装资猜中，当硬资猜中的划痕去除后，软资猜中又会构成少数划痕，去除这些划痕是十分困难的。即便绝大部分区域都制备得适当完美，在金引线上还会有少数细划痕，能够在高扩大倍数的显微镜下看到。
（2） 不要希望能得到一个完美的平坦外表
封装资料的硬度规模十分广大，能够从50HV 直到数百HV。软资料去除得较快，可是硬资料的去除速率却适当慢，因此不可防止地会发作必定的浮凸。
厚封装的制备办法
注: 能够将2-3 %的氨水和过氧化氢与Mastermet 2 混合以进步抛光效果
半主动磨光/抛光机可用来制备IC 封装试样，磨光和抛光参数能够输入到机
器中。
运用上述办法开端时，能够用600# SiC 砂纸将试样磨到挨近方针区。虽然我
们从前提到过，SiC 砂纸关于去除成型资料并不那么有用，可是假如咱们在
切开试样时，间隔方针区能够精确到2 mm，所需去除的资料就不太多了，一
般状况下，一张600# SiC 砂纸足以完结此项使命。
关于厚封装，经过600#砂纸工序后，因为成型资料的体积分数较高，假如运用800/1200 号的SiC 砂纸持续磨光，成型资猜中的氧化硅或氧化铝填料就会迅速将砂纸磨耗掉。这时就能够运用一种叫做Texmet 的多孔性磨光织物，它具有比较硬的外表并含有许多小孔，与之合作运用的是15μm 金刚石悬浮液，能够十分有用地去除硅晶片上的“碎裂损害”并足以有用地磨去成型资猜中的陶瓷填料。现在尚不清楚这种磨光织物作业的具体机制，可是从它的结构，咱们能够幻想金刚石磨料的颗粒能够从一个孔隙滚向另一个孔隙，当它从织物外表滚过期，会对试样发作直接的切开效果（参看图5）。这或许便是划痕的描摹从“碎裂损害”转为“线性划痕”的原因。
经过了15μm 工序，能够运用Texmet 2500 型织物, 与之合作的是9μm 金刚
石悬浮液，这种织物与Texmet 1500 型织物类似，具有优异的坚持搀杂物的
才能，可是前者更硬一些，因此能够防止过早发作浮凸。
终究抛光阶段能够运用Mastertex 型织物，这是一种短绒毛织物。长绒毛织物
简单发作严峻的浮凸，试样与织物外表的摩擦力也较高，因此搀杂掉落的机
率也较高，虽然运用它能够取得比较亮光的外表。至于抛光悬浮液，二氧化
硅要比氧化铝粉末（悬浮液）的效果好。当大多数人宣称，氧化铝是最好的
终究抛光介质，他们好像忘记了，咱们所运用的磨料应当较量样自身硬。成
型资猜中的填料、硅晶片的硬度高于氧化铝颗粒的硬度，操作者有必要花费更
长的时刻来去除前一道工序的划痕，可是与此一起却构成了严峻的浮凸。
“厚”封装的导线衔接
图6c 用9 微米金刚石磨料在Texmet 2500 织物上磨光后, 200x
图7b 图6e 右图的导线衔接, 1000x
(注: 在白色衔接衬垫与金导线之间的灰色区域为金-铝金属间化合物层)
薄封装的制备办法
注: 能够将2-3 %的氨水和过氧化氢与Mastermet 2 混合以进步抛光效果
与厚IC 封装试样的制备办法相比较，只要很少的改变。在600# SiC 砂纸后，
运用800#和1200#号SiC 砂纸，这是因为薄封装试样中的成型资料对磨光效
率的影响不太大，因此能够运用粒度较细的SiC 砂纸，以取得杰出的平坦性
并且能够将前一道工序的绝大部分划痕去除。
磨光/抛光机
大多数有经历的金相技能人员宣称，他们用双手能够比半主动机器制备出质
量更好的试样。这是一个能够争辩十天的议题，即用哪一种办法制备试样更
好。可是，没有多少金相技能人员能够告知你，用手能够对试样施加多少牛
顿的力，或许他们会说，大约有13 牛顿。假如你用大拇指按一下弹簧秤，你
就会发现13 牛顿的力并不如你所幻想的那样轻。不同的金相技能人员对试样
施加的压力不尽相同，即便是同一位金相技能人员，关于相同试样的同一道
工序，他（或她）对试样施加的压力每天也不会相同。因此，半主动机器的
一个很大的长处便是每一道工序的压力都能够精确地进行调整。
另一方面，不同的试样需求磨去多深并不相同，因此电子产品试样应当选用
独自加载办法，这种加载办法具有灵活性，能够从试样夹持器中取出其间任
意一块试样而不会影响其它试样。
一切的工程师和金相技能人员都知道，当电动机作业时，它不只在滚动，还
会发作振荡。咱们用电动机来驱动磨光/抛光机的转盘。当咱们在制备试样时，
除了有转盘的滚动动作外，振荡还会使试样遭到一个随机向上的力，这时试
样中的搀杂发作掉落的时机就会大得多。因此，比较重的机器能够进步其稳
定性并有助于下降振荡的振幅。
此外，电动机与转盘之间能够选用皮带轮或齿轮箱衔接。多数人以为，皮带
轮是一种旧式规划，齿轮箱则更先进。可是他们忘记了，来自电动机的振荡能够经过齿轮箱传递到转盘，特别是当齿轮遭到磨损、损失其精度时。因此，虽然皮带轮看起来不那么先进，它的运用功能却优于齿轮箱。主动抛光头的规划也会影响试样制备成果。对它的要求和对抛光机机座的要求类似，即杰出的稳定性并没有颤动。运用强度高的钢支架来制作抛光头能够取得杰出的稳定性，气动制动器能够用来将抛光头与基座确定以防止发作颤动。
白色直箭头标明加在试样上的压力; 白色曲折箭头标明转盘与抛光头的滚动动作; 赤色十字箭头标明振荡和颤动动作
它看起来应当是什么姿态？
当咱们将试样制备结束后，咱们对自己提出的问题首要是，这是实在安排吗？多数人以为，金属间化合物层应当具有完美的外形、十分平行、没有空泛、没有空隙。金属间化合物层的任何缺失和不接连都是因为试样制备技能欠好构成的，或者是因为半主动机器功率太大，使得一部分金属间化合物掉落，因此机器并不能替代有经历技能人员的作业，技艺要比机器更为重要。假如人们看一下图7a 和图7b, 他(她)或许会得出定论，即金属间化合物层呈不接连状。可是假如咱们运用与薄封装试样的类似办法来制备另一块BGA 试样，如图8a 至8d 所示，你将会发现，以为这是试样制备欠好构成的定论下得过早。
从图8a 导线衔接的外边际能够看出,此处概括看不到金属间化合物层。图8b中，另一试样的导线衔接更向内部分，能够看到一层厚度十分均匀的金属间化合物层，其形状适当完好。到了图8c，假如再往深磨下去，金属间化合物层就不再象图8b 所示的那样完好，有些区域呈不接连状，厚度也不那么均匀。有人或许会以为金属间化合物发作了塑性流变并掉落，使其厚度不均匀。可是，依据从一点得出定论以为试样制备欠好也不公平。咱们是用相同的办法在同一台设备上制备从图8a 至图8c 所示的试样，假如确实发作了塑性流变，那么图8b 中的试样也应当会发作，其厚度就不会象咱们所看到的那样均匀。此外，象图7a 和图7b 所示的导线衔接分别是图6e 左边和右侧的导线衔接。这两个导线衔接互相相邻，并且运用相同的导线衔接设备来制作这个IC，假如发作了塑性流变和掉落，至少金属间化合物层的形状应当是类似的。可是，二者的形状却很不相同。从这一现实咱们能够估测，金属间化合物层的厚度和形状关于不同的衔接和不同的概括都是不相同的。
此外，为了实验咱们是否能“制作”某些塑性流变，将图8c 中的试样用手艺办法向运用中等压力向上从头抛光。从图8d 能够看出，层的形状没有改变，也调查不到发作过塑性流变，除了因为金导线太软，上面有一些脏东西（或许是嵌入的）。另一方面，还发现更值得注意的工作。抛光后，在导线衔接的上部只能看到很少数的划痕，并且在光学显微镜下很难看到。因此，运用
扫描电子显微镜（SEM）来调查，如图9（注：原文中没有此图）所示，其间的小草图示出无划痕层的形状。从这一直接现象，咱们能够以为这一层的硬度要高于金导线上部的硬度*。假如咱们更细心地研讨导线衔接进程，咱们又取得一个依据来证明无划痕区域是因为超声能和压力构成的加工硬化效果。
(*注: 这一加工硬化层的厚度只要大约10 微米。因为金自身是如此地软，在测定其硬度时，
即便运用最小的实验力，也几乎不或许使压痕对角线长小于10 微米)
检测截面显微安排的效果
检测截面显微安排关于惯例质量操控和失效剖析都是一项强有力的手法。一般状况下，在检测截面显微安排从前，先要进行无损检测。运用X-射线、超声扫描、红外显微镜等手法能够在不损坏产品的条件下找出失效的部位。可是假如咱们要深化探求失效的精确机制和根本原因，就需求检测截面显微安排。因此，一般把检测截面显微安排看作是失效剖析的最终手法。
显微安排相片图集
定论
因为人们轻视了显微试样制备关于电子工业产品的重要性，因此约束了它的开展和使用。本文的内容首要会集在显微试样制备的定性使用，今后咱们还要讨论它在定量基础上的使用。
