第7讲电子制造失效分析技术

第七讲第七讲电子制造的失电子制造的失第七讲第七讲电子制造的失电子制造的失效分析技术效分析技术效分析技术效分析技术主讲：潘开林博士《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]内容提要内容提要外观检测光学显微镜分析光学显微镜分析X射线分析红外显微镜分析扫描电子显微分析扫描电子显微分析声扫描显微分析金相分析染色分析《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]染色分析各种技术对封破分析测试开封各种技术对封装内部检查破坏性评硬度测试红外光谱分析化学方法热机械方法内部检查、选择性剥离、失效定位、确定失效机评价扫描声学显红外光谱分析热机械方法失效定位、确定失效机理、模拟测试非扫描声学微技术X射线显微非破坏性电学测试目检非破坏分析技术技术电子显微技术性评价《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]术红外显微技术外观检测外观检测目的目的失效定位，模式判断检查内容检查内容润湿角；失效部位；批次或个别例；焊点表面颜色；表面洁净状况。检查设备检查设备《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]金相显微镜(×50~2000)立体显微镜(×3~80)外观光学检测照片外观光学检测照片《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]光学显微镜光学显微镜分析分析特点便宜方便易于使用对于不透明的样品需要通过透镜来反射便宜、方便、易于使用。对于不透明的样品需要通过透镜来反射光线；对于透明的样品可以通过透射光线来检查。重要参数目镜放大倍数、物镜放大倍数、数值孔径、分辨率、景深、场曲率。缺点缺点相对于电子显微镜和其他显微镜，其分辨率受可见波长的限制、景深小，放大倍数小。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]各种各种光学显微镜光学显微镜技术技术各种各种光学显微镜光学显微镜技术技术亮场亮场最适用于观察光滑、反射的表面（例如：硅上的氧化层、抛光的金属化表面等）。较难探测到微小的粒子、微小的形貌改变和透明的污染薄膜等。暗场暗场对比亮场技术，暗场技术中光以一个倾斜的照明模式入射到样品上。因此很容易探测到光滑半导体和金属化区域的微小颗粒、划痕、针孔和其他缺陷。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]亮场图像暗场图像各种各种光学显微镜光学显微镜技术技术极化光线(PlidLiht)极化光线(PolarizedLight)利用光线各向异性的特点，增强低对比度样品的观察效果，更容易观察到金属区域的晶粒边界和相应的金属间相。微分干涉相衬(DifferentialInterferenceContrast)通过该技术所观察到的样品各组成相间的相对层次关系突出呈通过该技术所观察到的样品各组成相间的相对层次关系突出，呈明显的浮雕状，对颗粒、裂纹、孔洞以及凸起等，能够容易判断许多亮场下所看不到的或难于判别的一些结构细节或缺陷。荧光显示技术(FluorescenceMicroscopy)该技术的主要应用是荧光染色渗透附着有染料的环氧树脂被加该技术的主要应用是荧光染色渗透，附着有染料的环氧树脂被加到样品中并固化，之后进行检测。在横截面通过染料示踪就可以得到缺陷路径的准确记录。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]射线分析射线分析射像X射线成像原理《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]射线射线分析分析优点•既可以显示样品微结构特征，又可以获得其成分信息。•对于较厚的样品具有相对深的穿透性。•封装和元件可以在自然状态下进行检查，既不需要涂覆传导性物质也不需要高真空。缺点•X射线辐射可能会改变微电子封装电学特性。•由于其通过整个样品厚度形成投影，因此分析多层重叠样品有困难。•具有辐射，使用时应注意辐射防护。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]射线接触显微镜射线接触显微镜XX射线接触显微镜射线接触显微镜成像流程1.将样品与X射线接收器接触并与发射源器接触，并与发射源有一定距离。2.X射线穿过样品，在射线穿样在接收器上形成一个有效单位放大的图像。3将最终的胶片放在光3.将最终的胶片放在光学显微镜下检查，并可以将选择的区域光学放大学放大。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]射线射线投影投影显微镜显微镜成像流程1.电子束通过一组磁透镜后聚焦到目1.电子束通过组磁透镜后聚焦到目标材料的一点。2.样品放置在距离目标材料1mm以内的位置X射线仅轰击样品的小的位置，X射线仅轰击样品的一小部分区域。3.在胶片上得到初级X射线图像，随后在光学显微镜下观察。初级X射线图像放大倍数=《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]案例案例11：：DIPDIP封装封装从顶视图中可以很清楚的看出引线、模塑料、芯片、芯片-粘接基板、模塑料投影，很难看到任何两个部分之间的界面。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]案例案例22：失效定位：失效定位《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]红外显微镜分析红外显微镜分析红外显微镜分析红外显微镜分析红外显微镜采用近红外（波长在03）辐射源红外显微镜采用近红外（波长在0.75-3μm）辐射源作光源，并用红外变像管成像进行观察的红外显微镜分析技术镜分析技术。红外光很容易穿过硅、锗等半导体材料。可以通过器件的背面对其内部和顶部表面的异常处和特征处成像。适用于塑料封装半导体器件的分析。应用：硅芯片的光学检测、金铝键合质量、金属导应用：硅芯片的光学检测、金铝键合质量、金属导体腐蚀、芯片裂纹的检测、发光二极管和半导体激光器的近场红外成像等。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]光器的近场红外成像等。案例案例11：：PCBPCB污染污染《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]案例案例红外热分析红外热分析案例案例22：红外热分析：红外热分析《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]扫描电子扫描电子显微显微分析分析扫描电子扫描电子显微显微(SEM)(SEM)分析分析电子样品的相互作用电子—样品的相互作用•当入射电子束打向样品时，一部分电子会从样品的上表面发生背分电子会从样品的上表面发生背散射(Back-scatteredelectrons)。其他部分受激发电子也会从表面•其他部分受激发电子也会从表面发射出去，叫做二次电子(Secondaryelectrons)。(Secondaryelectrons)。•从二次电子分析中可以得到精确的、三维形貌图（样品表面的形的、三维形貌图（样品表面的形态信息）。•从背散射电子分析中可以得到样《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]品的化学成分和结晶结构。扫描电子显微扫描电子显微镜结构镜结构电子光学系统电子枪(electrongun)聚光镜电子枪(electrongun)、聚光镜(condenserlenses)、扫描线圈(scanningcoils)、物镜(Objective)。信号探测系统•二次电子探头•背散射电子探头高真空环境必须有足够的真空等级来避免电子和空气原子相碰撞而改变电子路径《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]路径。案例案例焊盘分析焊盘分析案例案例11：焊盘分析：焊盘分析Pad分析《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]案例案例锡须察锡须察案例案例22：锡须观察：锡须观察《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]声扫描显微声扫描显微分析分析(SAM)(SAM)目的与作用目的与作用•PCB内部分层开裂检查•无铅工艺制程中元器件封装内部缺陷（分层、空洞、裂纹）检查洞裂纹检•焊点空洞以及微裂纹分析（要求更高的频率）成像模式成像模式A-扫描、B-扫描、C-模式、体扫描、量化B-扫描分析模式（QBAM）3DTOF全透射或扫描分析模式（Q-BAM）、3DTOF、全透射或THRU-扫描、多层扫描、表面扫描、芯片叠层封装3D成像以及托盘扫描《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]装3D成像以及托盘扫描。声扫描显微声扫描显微分析分析成像成像模式模式《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]模式模式扫描扫描原理原理CC--模式模式扫描扫描((CC--SAMSAM))原理原理声扫描原理：利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生在材料不连续界面上反射产生的位相及振幅变化来成像。在C-模式扫描中，聚焦的换能器在被关注的平面区域上扫描，透镜聚焦在某个深度，从该深度产生的反射波被电学选通声波在两种材料界面的反射性深度产生的反射波被电学选通并显示。声波在两种材料界面的反射性《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]案例扫描超声微镜分析方法案例扫描超声微镜分析方法案例：扫描超声显微镜分析方法案例：扫描超声显微镜分析方法《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]金金相切片分析相切片分析目的当采用非破坏性方法查不出产生异常现象的原因时，当采用非破坏性方法查不出产生异常现象的原因时，就有必要采用破坏性方法来筛选有问题的区域。切片（断层）方法1.查找和“准确猜测”需要检查的位置或区域。1.查找和准确猜测需要检查的位置或区域。2.如果有问题的区域是较大组装件的一部分，就需要从较大的组件上将这部分切下来，分隔成几个小的易于较大的组件将这部分切下来分隔成几个小的易于控制的部分。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]金相切片金相切片分析方法与步骤分析方法与步骤取样金属化合物层的厚度一般为3um左右，如果超过了，就可能是焊接过热造成的；镶嵌切片抛磨抛磨腐蚀腐蚀观察《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]金相金相切片制作过程切片制作过程——取样取样《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]金相切片制作过程金相切片制作过程——镶嵌、切片、抛磨、腐蚀镶嵌、切片、抛磨、腐蚀《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]案例案例案例案例《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]染色分析染色分析原理通过将样品置于染色液中，让染色液渗透到有裂纹或孔洞的方法与步骤•取样(整体或局部)让染色液渗透到有裂纹或孔洞的地方。垂直剥离已经焊上的元器件，其引线脚与焊盘将从有裂纹•溶剂清洗（去除残留物）•染色（染色液＋低压）或孔洞等薄弱界面分离，元器件分离后被染红的焊点界面将指示该处在强行剥离前存在缺陷，即•干燥（保持染色区域）•垂直分