Современная электронная промышленность — это мир нанометров, скрытых дефектов и сложных материалов. По мере уменьшения размеров кристаллов и переходов, повышения плотности компонентов и внедрения новых материалов (Cu/low-k металлизации, сложных интерметаллидов, барьерных покрытий, бессвинцовых припоев) возрастает роль лабораторных методов контроля.
Электронная микроскопия (ЭМ) и рентгеновская спектроскопия (EDS/WDX) сегодня являются ключевыми инструментами для определения причин отказов, анализа структуры тонких плёнок и контроля пайки. Это единственные методы, позволяющие увидеть и химически идентифицировать дефекты размером от десятков нанометров.
1. Почему электронная микроскопия не имеет альтернативы
Технологи и инженеры-производители полупроводников используют ЭМ в трёх основных задачах:
1.1. Контроль тонкопленочных структур
Металлзация, диэлектрические слои, барьерные пленки, защитные покрытия — все они имеют толщину от 10 до 500 нм.
С помощью SEM (сканирующей электронной микроскопии) определяют:
- равномерность пленок;
- дефекты осаждения (поры, каверны, трещины);
- нарушения адгезии между слоями;
- диффузию элементов между подслоями.
Преимущество SEM — высокая глубина резкости и контраст по атомному номеру (Z-контраст). Недостаток — необходимость подготовки срезов, особенно при работе с многослойными структурами.
1.2. Исследование пайки и интерметаллидных фаз
В бессвинцовых припоях (Sn-Ag-Cu, Sn-Bi и др.) образование интерметаллидов — критический фактор надежности.
SEM позволяет:
- исследовать рост фаз Cu₆Sn₅, Ag₃Sn;
- выявлять пустоты (voids), микротрещины и усадочные поры;
- оценивать качество металлизации под площадкой;
- находить whiskers (оловянные волоски), вызывающие короткие замыкания.
Недостаток метода — необходимость вакуума и подготовки поперечного шлифа.
1.3. Анализ причин отказов электронных устройств (Failure Analysis)
Электронная микроскопия — основной инструмент в FA-лабораториях.
Ею выявляют:
- пробои в металлизации, разрушение диэлектрика;
- оборванные проводники;
- локальное оплавление контактов;
- коррозионные очаги;
- загрязнения, приводящие к токоведущим мостикам.
SEM позволяет не только увидеть дефект, но и совместно с EDS определить его химическую природу, что критично при расследовании причин отказов.
2. Рентгеновская спектроскопия: химия без разрушения
EDS (энергодисперсионная спектроскопия) и WDX (волновая дисперсия) применяются для химического анализа любой микроструктуры, наблюдаемой в микроскопе.
2.1. Что можно определить с помощью EDS/WDX
- состав тонких плёнок (Al, Cu, Ti, W, Ta, SiO₂, HfO₂ и др.);
- легирующие элементы в зонах диффузии;
- химический состав включений и загрязнений в пайке;
- распределение элементов в многослойных структурах.
Преимущества EDS:
- быстрый анализ (секунды);
- работа при низком токе;
- подходит практически ко всем SEM.
Недостатки:
- ограниченное разрешение для лёгких элементов;
- меньшая точность по сравнению с WDX.
Преимущества WDX:
- высочайшая точность определения состава;
- лучшая чувствительность к лёгким элементам (B, N, O).
Недостатки:
- более высокая стоимость;
- более длительный анализ.
2.2. Исследование диффузии элементов
В электронике особенно важно контролировать диффузию:
- медь через барьерные слои в Si;
- Sn в Ni-подложку;
- кислород в тонкие плёнки диэлектрика.
EDS-картирование позволяет строить распределение элементов по глубине, а значит — находить скрытые нарушения процесса осаждения.
3. Какие технологии применяются в электронных FA-лабораториях
3.1. SEM с детекторами вторичных и отражённых электронов
Используется для:
- анализа топографии поверхности;
- контроля качества травления;
- изучения структуры припоя;
- выявления дефектов упаковки кристаллов.
Преимущество — высокое разрешение и информативность.
Недостаток — необходимость вакуума и подготовка образца.
3.2. FIB (ионно-лучевая подготовка срезов — упрощённо)
Хотя FIB является дорогой технологией, она обеспечивает идеальные срезы микросхем и выводов.
Минус — высокая стоимость владения и обслуживания.
3.3. EDS/WDX-анализаторы
Неотъемлемая часть SEM для химической идентификации.
Преимущество — получение качественного спектра на месте дефекта.
Недостаток — чувствительность зависит от энергии пучка и матрицы.
3.4. Методы оптической и инфракрасной микроскопии
Используются как первый этап диагностики.
Преимущество — скорость и отсутствие подготовки.
Недостаток — ограниченное разрешение.
4. Примеры типичных задач и их решений
4.1. Нарушение пайки BGA-корпусов
SEM показывает:
- пустоты;
- недоплавленный припой;
- микротрещины;
- межфазные слои.
EDS определяет:
- избыточный кислород — признак окисления;
- содержание серебра/меди — показатель правильности припоя.
4.2. Дефекты тонких плёнок на подложках
SEM выявляет нарушения морфологии и растрескивание.
EDS показывает диффузию меди или алюминия.
WDX определяет состав оксидных слоев с высокой точностью.
4.3. Отказы электронных модулей
Пробои транзисторов, выгорание дорожек, коррозия — всё это видно в SEM.
EDS выявляет вещества, попавшие на плату при производстве: хлор, фтор, остатки флюсов.
5. Приборы Радоники, которые можно использовать в электронике
Компания «Радоника» предлагает оборудование, полностью пригодное для задач анализа тонких плёнок, пайки и причин отказов.
5.1. СЭМ-микроскопы серии IM-150-SM
Подходят для:
- исследования топографии;
- анализа пайки;
- диагностики отказов;
- контроля микро- и наноструктур.
Преимущества:
- стабильность изображения;
- высокое разрешение;
- возможность подключать EDS-детекторы.
5.2. EDS-анализаторы Radonika/Skyray
Идеальны для:
- определения состава припоя;
- анализа включений;
- картирования многослойных структур.
Преимущества:
- низкая стоимость владения;
- широкий диапазон элементов;
- простая калибровка.
5.3. WDX-системы (например, WDX4000)
Подходят производителям полупроводников, которым требуется высокая точность анализа тонких оксидных и нитридных пленок.
Преимущество — чувствительность к лёгким элементам, важным в микроэлектронике.
6. Преимущества комплексного подхода SEM + EDS/WDX
Использование электронного микроскопа вместе с рентгеновской спектроскопией обеспечивает:
- одновременный структурный и химический анализ;
- минимальную подготовку образца;
- способность работать с микропаянными соединениями и тонкими плёнками;
- точную локализацию дефектов;
- высокую достоверность в анализе причин отказа.
Такой подход позволяет технологам быстро выявлять проблемы в производстве и принимать корректирующие меры.
7. Итоги
Электронная микроскопия и рентгеновская спектроскопия — это ключевые технологии анализа в электронике.
Они позволяют:
- исследовать тонкие плёнки и металлизацию;
- анализировать пайку и рост интерметаллидов;
- находить причины отказов с высокой точностью;
- контролировать качество материалов и процессов.
Приборы компании «Радоника» — СЭМ IM-150-SM, EDS- и WDX-анализаторы — дают производителям электроники доступ к точным, понятным и экономичным решениям, которые обеспечивают высокий уровень контроля и позволяют предотвращать дорогостоящие отказы.
+7 (495) 661-61-09
Email: info@radonika.com