失效分析常用仪器

1、失效分析常用工具介绍透射电镜（TEM） TEM一般被使用来分析样品形貌（morhology），金相结构（crystallographic structure）和样品成分分析。TEM比SEM系统能提供更高的空间分辨率，能达到纳米级的分辨率，通常使用能量为60-350keV的电子束。 与TEM需要激发二次电子或者从样品表面发射的电子束不同，TEM收集那些穿透样品的电子。与SEM一样，TEM使用一个电子枪来产生一次电子束，通过透镜和光圈聚焦之后变为更细小的电子束。 然后用这种电子束轰击样品，有一部分电子能穿透样品表面，并被位于样品之下的探测器收集起来形成影像。 对于晶体材料，样品会引起入射电子束的衍

2、射，会产生局部diffraction intensity variations，并能够在影像上非常清晰的显现出来。对于无定形材料，电子在穿透这些物理和化学性质都不同的材料时，所发生的电子散射情况是不相同的，这就能形成一定的对比在影像观察到。 对于TEM分析来说最为关键的一步就是制样。样品制作的好坏直接关系到TEM能否有效的进行观察和分析，因此，在制样方面多加努力对于分析者来说也是相当必要的工作。 扫描声学显微镜 集成电路封装的可靠性在许多方面要取决于它们的机械完整性.由于不良键合、孔隙、微裂痕或层间剥离而造成的结构缺陷可能不会给电性能特性带来明显的影响,但却可能造成早期失效.C模式扫描声学显微

3、镜(CSAM)是进行IC封装非破坏性失效分析的极佳工具,可为关键的封装缺陷提供一个快速、全面的成象.并能确定这些缺陷在封装内的三维方位.这一CSAM系统已经在美国马里兰州大学用于气密性(陶瓷)及非气密性(塑料)IC封装的可靠性试验。它在塑料封装常见的生产缺陷如:封装龟裂、叶片移位、外来杂质、多孔性、钝化层龟裂、层间剥离、切断和断裂等方面表现出 俄歇电子（Auger Analysis ） 是一种针对样品表面进行分析的失效分析技术。Auger Electron Spectroscopy 和Scanning Auger Microanalysis（微量分析） 是两种Auger Analysis 技术

4、。这两种技术一般用来确定样品表面某些点的元素成分，一般采取离子溅射的方法（ion sputtering），测量元素浓度与样品深度的函数关系。Auger depth可以被用来确定沾污物以及其在样品中的所在未知。它还可以用来分析氧化层的成分（composition of oxide layers），检测AuAl键合强度以及其他诸如此类的。 与EDX或EDX的工作原理基本类似。先发射一次电子来轰击样品表面，被撞击出来的电子处于一个比较低的能量等级（low energy levels）。而这些能级较低的空能带就会迅速被那些能量较高的电子占据。而这个电子跃迁过程就会产生能量的辐射，也会导致Auger e

5、lectrons（俄歇电子）的发射。所发射的俄歇电子的能量恰好与所辐射出的能量相一致。一般俄歇电子的能量为50-2400ev之间。 在Auger Analysis 中所使用的探测系统一般要测量每一个发射出的俄歇电子。然后系统根据电子所带的能量不同和数量做出一个函数。函数曲线中的峰一般就代表相应的元素。 FTIR Spectroscopy（Fourier Transform Infrared） FTIR显微观察技术是一种可以提供化学键合以及材料的分子结构的相关信息的失效分析技术，不论对象是有机物还是无机物。通常被用来确定样品表面的未知材料，一般是用作对EDX分析的补充。 这套系统的工作原理是基于

6、不同物质中的键或键组（bonds and groups of bonds）都有自身固定的特征频率（characteristic frequency）。不同的分子，当暴露在红外线照射之下时，会吸收某一固定频率（即能量）的红外线，而这个固定频率是由分子的本身特性决定。样品发射和反射的不同频率的红外线会被转换成为许多能量峰（peaks）的组合。最后根据由FTIR得到的能谱图（spectral pattern）进行分析来进行确定是那种物质。与SEM和EDX分析不同的是FTIR显微镜不需要真空泵，因为氧气和氮气都不吸收红外线。FTIR分析可以针对极少量的材料进行，样品可以是固态、液态或者气态。当FTIR

7、频谱与库里的所有资料都不匹配时，可以分别对频谱中的peak进行分析来确定样品的部分信息。 无损检测技术-SAM 将scanning acoustic microscope(SAM)用于IC的封装扫描检测，可以在不损伤封装的情况发现封装的内部缺陷。由于在很多时候不能打开封装来检查，即使打开很可能原来的缺陷已经被破坏。利用超声波的透射、反射特性可以很好解决这个问题。超声波在不同介质中的传播速率不同，在两种界面的交界处会发生反射现象。反射的程度用反射率来衡量，用R来表示。每种材料还有自己的固有特性，波阻抗，用Z来表示。波阻抗由材料的密度和超声波在该材料中的传播速度决定，他们间的关系：ZpV。当超声波

8、通过两种介质的交界面时，其反射率R由这两种介质的波阻抗决定，R( )一( 一Z +Z )100。当波从波阻抗小的介质向波阻抗大的介质传播时，即Z2z ，这时反射率R0。当波从波阻抗大的介质向波阻抗小的介质传播时，即Z2Z ，R0。当封装中出现空洞、分层、封装破裂和芯片裂隙时，超声波不能正常通过，因为裂隙和空洞的介质是空气，波阻抗为000。所以此时超声波一定是从波阻抗大的介质向小的介质传播，R一100 。这样就可以很轻易的区分正常部分与缺陷部分，达到了无损检测的目的。 X射线能谱仪 主要由半导体探测器及多道分析器或微处理机组成（图3），用以将在电子束作用下产生的待测元素的标识 X射线按能量展谱(

9、图4)。X射线光子由硅渗锂 Si(Li)探测器接收后给出电脉冲信号。由于X射线光子能量不同,产生脉冲的高度也不同，经放大整形后送入多道脉冲高度分析器，在这里，按脉冲高度也就是按能量大小分别入不同的记数道，然后在X-Y记录仪或显像管上把脉冲数-脉冲高度（即能量）的曲线显示出来。图4就是一个含钒、镁的硅酸铁矿物的 X射线能谱图，纵坐标是脉冲数,横坐标的道数表示脉冲高度或X射线光子的能量。X射线能谱仪的分辨率及分析的精度不如根据波长经晶体分析的波谱仪,但是它没有运动部件,适于装配到电子显微镜中，而且探测器可以直接插到试样附近，接受X射线的效率很高，适于很弱的X射线的检测。此外，它可以在一、二分钟内将

10、所有元素的 X射线谱同时记录或显示出来。X射线能谱仪配到扫描电子显微镜上,可以分析表面凸凹不平的断口上的第二相的成分；配到透射电子显微镜上可以分析薄膜试样里几十埃范围内的化学成分,如相界、晶界或微小的第二相粒子。因此X射线能谱仪目前已在电子显微学中得到广泛应用。X 射线能谱分析的一个较大弱点是目前尚不能分析原子序数为11(Na)以下的轻元素，因为这些元素的标识X射线波长较长,容易为半导体探测器上的铍窗所吸收。目前正在试制无铍窗及薄铍窗的探测器，目的是检测碳、氮、氧等轻元素。 电子显微镜(扫描电镜、透射电镜、SEM、TEM)相关参数 样品减薄技术复型技术只能对样品表面性貌进行复制，不能揭示晶体内

11、部组织结构信息，受复型材料本身尺寸的限制，电镜的高分辨率本领不能得到充分发挥，萃取复型虽然能对萃取物相作结构分析，但对基体组织仍是表面性貌的复制。在这种情况下，样品减薄技术具有许多特点，特别是金属薄膜样品：可以最有效地发挥电镜的高分辨率本领；能够观察金属及其合金的内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进行衍衬成像及电子衍射研究，把性貌信息于结构信息联系起来；能够进行动态观察，研究在变温情况下相变的生核长大过程，以及位错等晶体缺陷在引力下的运动与交互作用。 表面复型技术谓复型技术就是把金相样品表面经浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做“复型”）放到透射电镜中去观察分析，这

12、样才使透射电镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能。 用于制备复型的材料必须满足以下特点： 本身必须是“无结构”的（或“非晶体”的），也就是说，为了不干扰对复制表面形貌的观察，要求复型材料即使在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。 必须对电子束足够透明（物质原子序数低）； 必须具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变； 必须具有良好的导电性，耐电子束轰击； 最好是分子尺寸较小的物质-分辨率较高。 电子显微镜(扫描电镜、透射电镜)相关参数(二) 俄歇电子如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二

13、次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。 特征X射线特征X射线试原子的内层电子受到激发以后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。 X射线一般在试样的500nm-5m m深处发出。 二次电子二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可