電子產品制造截面分析

2023-12-22 17:15:07 522閱讀次數

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如何為印刷電路板 (PCB)、總成組件 (PCBA)、集成電路 (IC) 和電池的質量控制 (QC) 進行橫截面分析

本文將討論印刷電路板 (PCB) 和總成 (PCBA)、集成電路 (IC) 和電池組件的橫截面為什么對質量控制 (QC)、故障分析 (FA) 和研發 (R&D) 有效，以及如何制備這些橫截面。要對電子元件進行可靠的質量控制、故障分析和研發，就必須進行橫截面分析，以檢查印刷電路板、PCBA、集成電路和電池內部的細節。橫截面分析有助于了解缺陷和故障。它涉及鋸、銑、磨、拋光以及顯微鏡和光譜分析。

什么是電子產品的橫截面制備和分析？

橫截面分析適用于電子設備和元件（如印刷電路板 (PCB) 和總成 (PCBA)、集成電路 (IC) 和電池）制造過程中的質量控制 (QC)，以及故障分析 (FA) 和研發 (R&D)^[1-5]。它有助于識別缺陷、異常和故障機制。橫截面分析可在微米和納米尺度上精確檢查構成印刷電路板（參見圖 1）、集成電路和電池組件的薄層堆棧，并檢查互連、導線接合、焊點、引線和封裝材料的完整性。為了進行橫截面分析，首先必須通過切割、研磨和拋光橫截面表面等多個步驟對橫截面進行仔細制備，然后才能對內部結構進行分析和評估。

圖 1：使用 EM TXP 制備的帶有焊接引腳的印刷電路板橫截面電子顯微鏡圖像。

為什么要進行橫截面分析？

橫截面分析用于識別缺陷和研究印刷電路板基板材料及其層^[4]、集成電路材料、電子和電池組件^[3,5]、焊點^[1,4]、空隙和裂紋^[1]的完整性。

通過對印刷電路板或集成電路的相關區域進行精確的垂直截面切割，可以使用多種方法檢查和分析體積的內部結構、不同層的厚度和均勻性以及潛在的缺陷和失效機制。例如，光學和電子顯微鏡、能量色散 X 射線光譜（EDS）和激光誘導擊穿光譜（LIBS）^[3-5]。

這些方法可對樣品橫截面內的特定內部區域進行精確的可視化和有針對性的化學分析。這些技術對于生產過程中的質量控制、進行 FA 時的失效分析調查或新部件的研發都非常重要。

制備橫截面的挑戰

印刷電路板、集成電路和電池組件是 "混合 "或 "多相復合 "材料（由金屬、陶瓷和聚合物組成），這給截面制備帶來了一定的挑戰。問題在于變形或損壞，因為每種材料都具有不同的機械特性，從而導致研磨、拋光和銑削行為的變化。因此，橫截面表面可能會出現劃痕或線條等缺陷、不規則且粗糙，或出現軟質材料的污點，這些污點可能會覆蓋和掩蓋相關結構，如孔隙和空隙。這些問題會導致質量不佳。

材料橫截面的制備

制備印刷電路板、集成電路和電池組件的橫截面涉及多種技術和以下步驟^[2-6]：

選擇電路板或元件的代表性區域

去除可能存在的封裝層和保護層

安裝樣品：

手工制備時，將其安裝在環氧樹脂或樹脂等合適的材料中，以便為切割和拋光提供穩定性

使用 Leica Microsystems 的機械打磨/拋光/研磨或離子束研磨系統時，將其粘在樣品支架上

對于脆性材料，通過機械鋸切或離子束研磨進行切割或切片，以獲得可接觸到所需層和內部結構的橫截面

對橫截面進行打磨、拋光或研磨，以獲得平整、光滑和干凈的表面（這對顯微鏡的高分辨率成像至關重要）：

手工制備時，如使用轉盤，可在軟布上使用碳化硅紙、金剛石膏或懸浮液等逐漸變細的磨料

使用機械研磨/拋光/銑削或離子束研磨系統時，請遵循制造商提供的建議

選擇性蝕刻以突出特定晶粒、元素和層

使用顯微鏡和光譜儀對橫截面進行視覺和化學分析

機械研磨/拋光/銑削或離子束研磨系統的優勢

使用機械研磨/拋光/銑削或離子束研磨系統制備橫截面與手工研磨和拋光相比，有一定的優勢 ^[5,6]:

使用機械或離子束研磨系統所需的總時間通常為 1 到 2 小時，而手工制備可能需要幾個小時甚至 1 到 2 天。

機械系統的橫截面質量通常更高，因為與手工制備不同，機械系統的劃痕和缺陷更少。

離子束研磨的橫截面質量要高得多，因為與手工或機械系統制備不同，離子束銑削沒有劃痕和涂抹，人工痕跡也少得多。

圖 2：集成電路芯片橫截面的制備：A) 安裝在樣品支架上的芯片；B) 鋸開芯片，露出橫截面；C) 研磨和拋光芯片橫截面；D) 拍攝制備好的芯片橫截面的Z終圖像。

橫截面分析技術

光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡 (SEM)、LIBS 或 EDS 等技術可用于對橫截面進行詳細的視覺和化學分析。

帶有 LIBS 的光學顯微鏡可對橫截面的細節和微觀結構進行成像，并分析其成分（參見圖 3）。利用 LIBS 可以在幾秒鐘內對橫截面的特定小區域進行定性化學分析，而且不需要額外的樣品制備^[7,8]。

如果不需要微觀結構的成分信息，而且必須分析不同高度的多個樣品，那么使用倒置光學顯微鏡就能獲得實際優勢。

掃描電鏡的放大倍數比光學顯微鏡高。它還能提供圖像和元素能譜數據（EDS），以了解橫截面的細節和微觀結構。

圖 3：使用 DM6 M LIBS 2 法合一解決方案對集成電路芯片橫截面進行視覺和化學分析。

徠卡橫截面制備和分析解決方案

使用 EM TXP 快速可靠地制備印刷電路板、PCBA、集成電路和電池組件的橫截面：

用于銑削、鋸切、研磨和拋光的 EM TXP 解決方案可快速、輕松地制備樣品，以便用顯微鏡和光譜儀進行分析。

用于離子束研磨的 EM TIC 3X 方案需要進行掃描電鏡、EDS 和 EBSD（電子反向散射衍射）等要求更高的表面分析時，需要使用 TIC 3X 方案 ^[9]。

如果需要在惰性氣氛、真空或可控溫度下進行樣品制備和轉移，例如在電池研發過程中，則可以通過手套箱內的 TXP 系統以及與 VCT500 轉移系統結合使用的 TIC 3X 來實現這一目標。

利用結合了光學顯微鏡和 LIBS 的 DM6 M LIBS 2-Methods-in-1 解決方案，可以對橫截面進行高效、準確的視覺和化學分析。

總結和結論

橫截面分析適用于印刷電路板（PCB）和總成組件（PCBA）、集成電路（IC）和電池等電子元件的質量控制、故障分析和研發。它能準確評估層和材料的結構完整性，識別缺陷和潛在的失效機制。

橫截面分析是一個多步驟的過程，需要精確的樣品切割和制備，以獲得光滑、平整和干凈的表面。使用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電離輻射分析和液相色譜分析等方法進行觀察和分析，可獲得高分辨率圖像并確定元素組成。

相關產品

徠卡DM6 M LIBS

參考文獻：（上下滑動查看更多）

1.Why perform cross-sectional examination of circuit boards?, Element.com (2016).

2.Complete guide to PCB cross-section analysis or micro-sectional analysis, IBE Electronics (2022).

3.O. Grosshardt, B.á. Nagy, A. Laetsch, Applying microscopic analytic techniques for failure analysis in electronic assemblies, Appl. Microsc. (2019) vol. 49, art. 7, DOI: 10.1186/s42649-019-0009-1.

4.PCB Cross-Section Analysis: Technology You Want To Know, WellPCB Blog.

5.A. Lawson, K. Winkler, Cross Section Ion Beam Milling of Battery Components, Science Lab (2021) Leica Microsystems.

6.Introduction to Ion Beam Etching with the EM TIC 3X: Cross Sectioning and planar sample preparation for SEM and LM, Science Lab (2020) Leica Microsystems.

7.J. DeRose, K. Scheffler, Cleanliness Analysis with a 2-Methods-in-1 Solution, Science Lab (2022) Leica Microsystems.

8.J. DeRose, K. Scheffler, See the Structure with Microscopy - Know the Composition with Laser Spectroscopy, Science Lab (2018) Leica Microsystems.

9.L. Palasse, W. Grünewald, J. DeRose, High-Quality EBSD Sample Preparation: Preparing high-quality samples of microelectronics and composite materials with broad ion-beam milling for electron backscatter diffraction (EBSD) analysis, Science Lab (2023) Leica Microsystems.