可靠性试验常用的显微分析技术

可靠性试验常用的显微分析技术

 1．光学显微镜分析技术

    光学显微镜是进行电子元器件，集成电路失效分析的主要工具之一。在失效分析中使用的显微镜主要有立体显微镜和金相显微镜。立体显微镜大放大倍数较低，从几倍到上百倍都有，但景深大；金相显微镜的放大倍数较高，从几十倍到一千多倍，但景深较小。立体显微镜的放大倍数是连续可调的，而金相显微镜可通过变化不同倍数物镜来改变放大倍数，以适应观察不同倍数的需要。立体显微镜和金相显微镜的结合使用，可以用来进行器件的外观以及失效部位的表面形状，分布，尺寸，组织，结构，缺陷和应力等观察，如观察分析芯片的过电应力下的各种烧毁与击穿现象，引线内外键合情况，芯片裂纹，沾污，划伤，氧化层缺陷及金属层腐蚀情况等。如图3-2所示为一光学显微镜和用它观察的芯片裂纹情况(图中箭头所示)。 

2．红外显微镜分析技术

    红外显微镜的结构与金相显微镜的结构相似，但是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。由锗，硅等半导体材料及薄金属层对近红外光是透明的，所以红外显微镜具有金相显微镜无法比拟的优点。利用红外显微镜，不用剖切器件的芯片就能观察芯片内部的缺陷和芯片的焊接情况。红外显微镜特别适合于塑料封装半导体的失效分析。    红外显微分析法是利用红外显微分析技术对微电子器件的微小面积进行高精度非接触测温方法。器件的工作情况以及失效会通过热效应反应出来，例如器件的设计不当，材料缺陷，工艺差错等都会造成器件内部的温度不均匀，局部小区域温度比平均温度高的多，这种热集中直接影响器件的安全使用和寿命。对于大规模集成电路，热点可以小到几十微米，甚至更小，所以测温必须是微小面积。而且，为了不破坏器件的工作状况和电学性能，测温又必须是非接触式的。找出这些热点，并用非接触式的方法高精度的测温，对产品的合理设计，制造工艺的工程控制，失效分析可靠性检验等，都具有十分重要的意义。

    微电子器件微小目标本身的热辐射由主反射镜和次反射镜收集，并聚集到红外探测器上。红外探测器把接收到的辐射能转化为电信号，把探测器输出的电信号加工处理，最后就能指示出该微小点的温度。光学分为两个通道，由分色片分开。分色片通过红外光，而把可见光反射到目镜系统，以便对器件的微小目标进行肉眼观察。基准光源和光敏管构成基准信号产生器，使电路能采用相敏检波，从而提高系统性能。利用红外显微镜从塑封半导体器件的背面，透过硅衬底，观察芯片表面。这样就会触及芯片的表面，也会存在热应力和机械应力的问题，因而不会引入新的失效模式，克服解剖技术给失效分析带来的困难。此外，从样品背面也能观察到键合点界面的情况，如观察金铝键合的界面或键合点下的氧化层及硅衬底中的缺陷。如图3-3所示为一红外分析仪器和小空洞的红外成像图片。 3．SEM和EDX

    扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)。其工作原理与电视相似，从电子枪发出的电子束，经聚光镜和物镜的作用，是束斑缩小并形成聚焦良好的电子束，在扫描线圈的磁场作用下，入射到试样表面并在表面按一定的时间-空间顺序作光栅式二维逐点扫描，入射电子与固体电子表面相互作用产生的二次电子等信号，由在试样旁边的监测器接收，所带信息送入视频放大器放大，然后加到显像管的栅极上，以控制显像管的亮度。由于显像管的偏转线圈和电镜镜筒中扫描电流是严格同步的，所以由检测器对样品表面逐点检测的信息与显像管管上的相应点的亮度是一一对应的，从而在荧光屏上产生放大了的试样表面的图像，供研究和照相用。如图3-4所示为以SEM和其观察到的引线键合金属间化合物形态。

    电子探针X射线显微分析技术，又称电子探针。它主要运用特征X射线来进行成分分析。其特点是聚焦好。具有一定能量的电子束照射到样品上，样品中各 扫描电子显微镜以及IMC形态种组成因受激发而发射各自的特征X射线。通过特征X射线可以的确定元素的种类。测定这些X射线的频率的高低与强度，就可以进行试样成分的定量或定性描述。所以又称X射线发射频谱(XES)分析，其工作原理与SEM相近，仅利用电子束产生的不同信息，所以电子探针多以电镜的附件方式出现，使SEM不仅可以进行表观的形貌分析，还可以同时进行微区成分分析，提高其利用价值。按探测的能量谱和X射线波长衍射谱的两种方法，X射线谱仪包括X射线能量色散谱(EDX或EDS)仪和X射线波长衍射谱(WDX或WDS)仪。EDX利用元素的原子结构不同，特征X射线的波长也不同，按其能量展开得到能谱图。能谱仪具有分析速度快，可做定量计算，还可以选择不同的方式进行分析，既可以选点，线及区域进行分析，还可以作不同元素的面分布图，可在束流低，束斑小的条件下工作，空间分辨率好，但不及波谱图，也不能分析比Na离子轻的元素。WDX是根据布拉格定律通过衍射晶体把从样品上激发出来的某一波长的特征X射线检测出来的。不仅能检测轻元素，而且检测灵敏度一般比EDX高出一个数量级。不足的是检测速度比EDX慢，而且受分光器数目的的限制，很难同时检测多个元素，几乎是逐个分别进行的。  4．声学扫描显微分析技术

    超声波可以在传导波的金属，陶瓷和塑料等均质材料中传播。使用高频声波束可检测材料表面和表面下的断裂处，可检测材料多层结构完整性等较宏观的缺陷，超声波检测在重工业中早有运用。它是很有效的检测缺陷，进行失效分析的有效工具之一。将超声波检测技术与先进的光，机，电技术相融合，发展声学扫描显微分析技术。

    声学显微镜已成为无损检测技术中发展最快的技术之一。这种新技术在检测材料的性能，内部缺陷方面具有其他技术无法比拟的优点。它能观察到光学显微镜无法透视的样品内部区域，能提供X射线透视无法看到的高衬度区，特别能适应用于不适合使用破坏性物理分析的场合。

    有三种不同的声学扫描显微镜：扫描激光声学显微镜(Scanning Laser Acoustic Microscope，SLAM)，扫描声学显微镜(Scanning Acoustic Microscope， SAM),C型扫描声学显微镜(C-Mode Scanning Acoustic Microscope ，C-SAM)。SALM是一种透射式的声学扫描显微镜，工作速度较快，能以每秒30幅的速度在高分辨率的荧光屏上显示样品的“实时”像，能观察到样品内的所有区域，主要用于管芯粘结，引线键合，材料多层结构完整性等检测。C－SAM是一种反射式扫描声学显微镜，能观察到表面下几毫米的区域。如图3-5所示为一声学扫描显微镜和其观察到的分层想象