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带能谱分析的扫描电子显微镜在电子封装失效分析中的应用

2012-4-28 16:17| 发布者: 花瓣七七| 查看: 5778| 评论: 0|原作者: 方嘉|来自: 中国电镜网

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摘要:简要介绍了扫描电子显微镜和X射线能谱仪的特点、制样方法和工作方式。通过铜腐蚀、锡须、硫化银以及银迁移的失效实例,阐述了带能谱分析的扫描电子显微镜在电子封装失效分析中的应用。

关键词:扫描电子显微镜;X射线能谱仪;失效分析

中图分类号:TN16O657.62  文献标志码:A  文章编号:1001-4012201103-0159-04

 

Application of Scanning Electron Microscopy with Energe Dispersive Spectrometry in Failure Analysis of Electronic Packaging

 

FANG Jia

(SAIC Motor Passenger Vehicle Co.Shanghai 201804China)

 

AbstractThe characteristicssample preparation methods and working modes of scanning electron microscopy (SEM) and X-ray energy dispersive spectrometry (EDS) were introduced briefly. By some examples including copper corrosiontin whiskersilver sulfide and silver migrationthe application of SEM with EDS in failure analysis of electronic packaging were discussed.

KeywordsSEMX-ray EDSelectronic packagingfailure analysis

 

扫描电子显微镜(SEM)是近年来获得迅速发展的一种新型电子光学仪器,主要用来对物体的表面形貌进行观察并拍照。而在实际分析工作中,往往在获得试样表面形貌的放大像后,希望能同时进行试样成分的分析,于是,带能谱分析的扫描电子显微镜便应运而生了。这种将两者连用的组合型仪器在化工、材料[1]、医药、生物和电子等领域发挥着日益重要的作用[2]

电子封装可定义为,利用膜技术及微细连接技术将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接,引出接线端子,通过可塑性绝缘介质灌封固定,构成整体立体结构的工艺技术[3]。值得注意的是,随着半导体的大规模集成电路技术的进展及电子机器设备向轻量、小型和多功能等方向的发展,对电子封装工程提出了越来越高的要求,如超高性能化、薄型小型化、多端子引线、高频、大功耗以及高可靠性等。这意味着电子封装工程所涉及的科学技术领域越来越多,范围越来越广,失效分析的难度也越来越大。而带能谱分析的扫描电子显微镜则在电子封装失效分析领域发挥着日益重要的作用。以下通过笔者在实际工作中遇到的失效分析实例,具体介绍带能谱分析的扫描电子显微镜在电子封装失效分析中的应用。

1.       带能谱分析的扫描电子显微镜简述

扫描电子显微镜的优点主要有:较高的放大倍数且放大倍数连续可调;分辨率高;景深大,其二次电子成像富有立体感,特别适合于粗糙表面的观察和分析;除表面形貌外,其背散射电子像还包含有原子序数信息,可用于初步判断试样表面不同成分的分布状况。

对导电性较好、物理化学性质稳定的试样而言,在尺寸合适的情况下只需用导电胶将其粘贴到铜或铝制的试样座上,即可放入扫描电子显微镜中直接观察。对于非导电或导电性较差的试样,则要先进行镀膜。镀膜的方法有两种,即真空镀膜和离子溅射镀膜[4]。在镀膜时有两点应加以注意: 控制镀膜厚度,避免因镀膜过厚而掩盖试样的真实形貌; 如试样在观察形貌的同时还需要进行成分分析,则应谨慎选择镀膜材料,尽量避免选择与试样本身元素相同的镀膜材料。

将扫描电子显微镜与X射线能谱仪(EDS)或X射线波谱仪(WDS)组合使用,可实现在观察形貌的同时对试样微区进行成分分析。传统的化学分析方法一般只能给出被分析试样的平均成分,而难以实现试样表面微小异物的分析。X射线能谱仪或X射线波谱仪不仅能提供试样微区的化学成分信息,而且对试样损伤很小,为进一步分析提供了可能,加之其具有制样简单和分析速度快等优点,使其在电子封装领域获得了广泛的应用。由于X射线能谱仪更加常见。笔者只对其进行讨论。

X射线能谱仪的特点是分析快速,且一次谱线分析就能得到可测的全部元素,检测效率高于波谱仪;适用范围广,可用于均匀材料和表面异物的分析。但它也存在一些局限性,如谱线的重叠现象严重,特别是在低能部分,常需借助软件进行谱线的分解;对轻元素的分析还存在相当大的困难,例如氧和碳;峰背比低,能分析的含量下限为0.1%(质量分数),定量分析精度也较波谱仪差;探头必须保持在液氮冷却的低温状态,即使不工作时也是如此,否则晶体内锂的浓度分布状态将因扩散而变化,使功能下降甚至完全被破坏。近年来已研发出电制冷和常温下工作的探头,有效地解决了对液氮制冷的依赖。

X射线能谱仪有三种基本的工作方式: 对试样表面选定微区作定点的全谱扫描定量分析,给出微区内的元素含量数值; 电子束沿试样表面选定的直线轨迹作线扫描分析,给出该直线上的元素含量分布;电子束在试样表面选定的面作面扫描,给出该选定面内的元素含量分布。定点分析可以说是X射线能谱仪最重要的工作方式,普通应用于细小相或微区分析。在电子封装领域通常会遇到在某一均匀材料基体上发现有尺度很小的污染物,此时传统的化学方法由于取样困难而难以适用,通过定点微区分析则可快速判定该污染物的成分。考虑到空间分辨率,被分析粒子或相区的尺寸一般大于1~2µm。线扫描分析时,如直接将二次电子或背散射电子扫描像上叠加显示扫描轨迹和某元素的X射线强度分布曲线,则可以更加直观地表明该元素在该直线轨迹上分布的不均匀性。通常,线扫描可以应用于对多层材料的分析。如在有多个镀层的情况下,通过线扫描可一次性快速分析出各个镀层的成分。面扫描是指电子束在试样表面作两维的扫描,并与二次电子或背散射电子的图像叠加显示,则可提供在该二维区域内元素含量分布的不均匀性。灵活应用上述三种工作方式,并结合扫描电子显微镜的图像,可获得满意的分析效果

2.       在电子封装领域中的应用领域

2.1.       铜腐蚀

对采用双列直插式(DIP)、小外形塑料封装式(SOP)和四边引线扁平式(QFP)等封装形式的电子元器件而言,引脚将半导体芯片与印制电路板连接起来,实现了互联的功能。通常引脚的基体材料为铜,而铜在大气中极易发生腐蚀。因此,人们在铜引脚表面镀上锡铅合金、锡银合金或纯锡等,这样即防止了铜的腐蚀,又保证了引脚具有良好的可焊性。但如镀层不均匀、局部过薄或镀层被破坏,就会导致铜直接裸露在大气中,使铜引脚发生腐蚀,从而导致互联的电气性能下降,严重的可导致电路失效。下面为一焊接于印制电路板上的元器件引脚铜腐蚀的实例。在立体光学显微镜下可以看到,元器件引脚部位有深绿色的异物,如图1所示;在扫描电子显微镜下则清晰地看到,在引脚与封装体的连接处有大量绒毛状异物,如图2所示。通过X射线能谱仪进行定点微区分析,并与正常区域相比较,发现该绒毛状异物中存在超出正常范围的硫和碳元素,其质量分数分别为15%24%,能谱见图3。同时从元器件制造商处得知,该元器件引脚的镀层为锡铅合金,而异常区域处并未检测到锡和铅元素。由此可知,引脚在靠近封装体部位的镀层由于某种原因剥落,导致铜基材裸露在大气中,进而发生了腐蚀。铜在大气中的腐蚀产物和机理十分复杂[5],通常会产生一种俗称“铜绿”的产物,它是一种由碱式硫酸铜和碱式碳酸铜组成的混合物,呈现草绿色或深绿色。依据上述分析结果,该实例中观察到的毛绒状异物可初步定为铜绿。由此可见,能谱分析加上扫描电子显微镜观察可提供更为全面的信息,并为进一步分析指明了方向。

1  引脚上异物的立体光学显微镜形貌  35×

Fig. 1  Optical image of foreign materials on leads

 

2  引脚上异物的SEM形貌

Fig. 2  SEM morphology of foreign materials on leads

 

3  引脚上异物的能谱

Fig. 3  Energy spectrum of foreign materials on leads

 

2.2.       锡须

在政府法规(ROHS)和市场需求的共同推动下,全球电子行业已经走入了无铅电子时代。为适应这一趋势,许多电子元件制造商用纯锡或含锡量很高的无铅合金取代铅合金进行表面处理,这一变化导致了“锡须”问题的产生。一般认为,锡须是含锡镀层表面自发生长而延长的锡单晶体。直径为1~3µm,长度从几微米到十几毫米不等。其形状多样,如直针状、弯曲、扭结以及开叉等。如果锡须生长的足够长,并且刚好可以跨越两个引脚之间的距离,就会出现桥接短路。伴随着电子元器件的进一步微型化和高密度化,锡须导致桥接短路的问题正越来越多地引起人们的关注。锡须生长的驱动力来自基体金属的内应力,锡须通过“破土而出”的形式来释放局部的内应力。影响锡须生长的因素非常多,如镀层和基体材料的特性、镀层合金成分、镀层厚度、镀层结构、杂质、表面状况、外部机械压力、温度、湿度、电迁移、外部气压以及辐射等。图4为典型的锡须的扫描电子显微镜形貌。通过X射线能谱仪分析,可知其成为纯锡。

4  锡须的扫描电子显微镜形貌

Fig. 4  SEM morphology of tin whisker

 

2.3.       硫化银

银具有高电导率以及较稳定的化学特性,因而在电子封装领域中有着广泛的应用,通常作为导体或电极使用。但银与硫有很大的亲和力,极易生成硫化银(Ag2S),从而引起相关的失效。下面为一个电阻银电极硫化导致电阻阻值变化失效的例子。由于电极外面的保护层可能存在开裂或分层,从而导致银有机会直接接触到大气。此时,银如果接触到大气中的硫化氢气体或硫离子,则极易反应生成硫化银。典型的硫化银呈花状,主要是从保护层与电阻基体的缝隙中生长出来,这也证明了该区域的银最易与大气接触。图5为典型的硫化银扫描电子显微镜形貌,图6中的能谱充分说明该物质的主要成分为银和硫。

5  典型的硫化银SEM形貌

Fig. 5  Typical SEM morphology of Ag2S

 

6  5所示花状物质的能谱

Fig. 6  Energy spectrum of flower-like materials in fig. 5

 

2.4.       银迁移

银迁移是指银导线或银贯孔等导体之间,在高湿度环境中长时间老化过程中,相邻导体间又存在直流电偏压,银就会从它的初始位置进行离子迁移,并在其相邻区域再沉积,形成絮状或枝蔓状扩展。发生银迁移的先决条件是高湿度、持续的电偏压和一个与银接触、具有吸收和/或吸附湿气特性的绝缘体。满足这些条件,就会产生迁移现象。银迁移会造成无电气连接的导体间形成旁路,导致绝缘下降乃至短路。为避免银迁移造成的失效,可从以下几个方面加以预防:在布线设计时避免水汽渗入含银导体。如产品使用环境特别恶劣时,可将整个电路板进行浸封或涂覆保护。图7给出了两个银电极间发生银迁移的形貌,图8为迁移物的能谱。同时,还可选择X射线能谱仪的面扫描工作方式,可得到与迁移物分布轨迹一致的银元素分布图,该图也充分表明银迁移已在两个电极间形成了旁路。

7  两个银电极间发生银迁移时的SEM形貌

Fig. 7  SEM morphology of Ag migration between two Ag electrodes

 

8  迁移物质的能谱

Fig. 8  Energy spectrum of migration materials

 

通过上述事例不难看出,通过扫描电子显微镜观察,仅能提供一些可能的失效区域图像;而有了X射线能谱仪的帮助,能获得更全面的信息,排除假象,锁定真实的失效区域,为确定失效的根本原因提供了依据。

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