ZASTOSOWANIE MIKROSKOPII SKANINGOWEJ DO INSPEKCJI UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH WYKONANYCH W TECHNOLOGII SMT

Transkrypt

1 MECHANIK 7/2013 Mgr inż. Małgorzata BUŻANTOWICZ Muzeum i Instytut Zoologii PAN Mgr inż. Witold BUŻANTOWICZ Wojskowa Akademia Techniczna ZASTOSOWANIE MIKROSKOPII SKANINGOWEJ DO INSPEKCJI UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH WYKONANYCH W TECHNOLOGII SMT Streszczenie: Skaningowa mikroskopia elektronowa jest techniką obrazowania szeroko wykorzystywaną w wielu dziedzinach nauki. Niniejszy referat porusza zagadnienie zastosowania SEM do inspekcji układów elektronicznych wykonanych w technologii montażu powierzchniowego. USE OF SCANNING ELECTRON MICROSCOPY FOR INSPECTION OF SURFACE MOUNT ELECTRONIC COMPONENTS Abstract: The scanning electron microscopy technique (SEM) is widely used in many fields of science. This paper raises the question of its application for inspection of electronic circuits made in surface-mount technology (SMT). Słowa kluczowe: skaningowa mikroskopia elektronowa, montaż powierzchniowy Keywords: scanning electron microscopy (SEM), surface-mount technology (SMT) 1. SKANINGOWA MIKROSKOPIA ELEKTRONOWA Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM, ang. scanning electron microscopy) jest szeroko rozpowszechnioną metodą badawczo-pomiarową, w ujęciu klasycznym umożliwiającą obrazowanie struktur i morfologii analizowanych materiałów za pomocą zogniskowanej wiązki elektronów, skanującej linia po linii fragmenty powierzchni badanych próbek. W wyniku analogowo-cyfrowego przetworzenia sygnałów rejestrowanych przez układy detektorów jako rezultat oddziaływania emitowanych elektronów z badanym materiałem uzyskuje się obraz dwuwymiarowy lub widmo promieniowania rentgenowskiego. Prowadzone w ostatnich latach prace rozwojowe zmieniają te cechy, pozwalając na obserwację wymagających tego obiektów w atmosferze gazowej lub trójwymiarowe obrazowanie topografii ich powierzchni [2]. Elektronowe mikroskopy skaningowe zapewniają możliwość wykonywania zdjęć badanych materiałów w powiększeniach do 300 tysięcy razy w trzech podstawowych trybach pracy: niskonapięciowym oraz próżni wysokiej (HV, ang high vacuum) i niskiej (LV, ang. low vacuum). W szczególności stosowanie trybu próżni niskiej (LV) pozwala obrazować obiekty delikatne, narażone na uszkodzenia, umożliwiając tym samym pominięcie etapu typowej dla materiałów nieprzewodzących preparatyki. Dodatkowo mikroskopy SEM wyposaża się w systemy mikroanalizy rentgenowskiej do prowadzenia jakościowych i ilościowych pomiarów składu chemicznego próbek metodą dyspersji energii (EDS, ang. energy-dispersive X-ray spectroscopy) lub dyspersji długości fali (WDS, ang. wavelength-dispersive X-ray spectroscopy) promieniowania rentgenowskiego. 71

2 MECHANIK 7/2013 Rys. 1. Wybrane przykłady zastosowań i obrazów SEM: a) badania antropologiczne (ludzka brew), b) geologia (kokolit sprzed 150 mln lat), c) materiałoznawstwo (powierzchnia płytki niklowej), d) archeologia (brzeg monety z końca XIX w.), e) przemysł spożywczy (ziarno kawy), f) krystalografia (kryształ NaCl), g) weterynaria (badania na obecność pasożytów), h) zoologia (chrząszcz z rodzaju Tribolium) 72

3 MECHANIK 7/2013 Dzięki wyszczególnionym wyżej możliwościom aparatura laboratoryjna SEM charakteryzuje się bardzo szerokim zakresem stosowalności (por. rys. 1), obejmującym m.in. takie dziedziny nauki i techniki, jak: inżynieria materiałowa i materiałoznawstwo kontrola jakości, analiza wad, pęknięć, wtrąceń i korozji, analiza składu i mapowanie, metalurgia analiza fazowa stopów, efektów obróbki termicznej, chemicznej i defektów wyrobu, biologia i zoologia obserwacja struktur przekrojów i powierzchni próbek organicznych, chemia, medycyna i farmacja badanie składu chemicznego, dokumentowanie struktury implantów i elementów biomechanicznych, geologia i archeologia identyfikacja faz i skamieniałości, kryminalistyka identyfikacja próbek, analiza antropologiczna 2. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA SEM DO INSPEKCJI UKŁADÓW WYKONANYCH W TECHNOLOGII SMT Jednym z możliwych zastosowań SEM jest inspekcja układów elektronicznych wykonanych w technologii SMT wiodącej na rynku metody montażu elementów elektroniki. Zakres stosowalności SEM jest w tym przypadku szerszy w porównaniu do klasycznych (optycznych) metod weryfikacji, bowiem obok uwidaczniania typowych błędów montażowych (rys. 3) umożliwia ona m.in. detekcję trudnowykrywalnych w zakresie fal światła widzialnego mikrouszkodzeń elementów (rys. 2), obrazowanie struktury lutu (rys. 4 i rys. 5) oraz analizę jego składu chemicznego (rys. 6). Wspomniane mikropęknięcia, pojawiające się m.in. w strukturach kondensatorów tantalowych lub ceramicznych MLCC w wyniku gwałtownego nagrzania w procesie montażu, mogą skutkować obok ewidentnych uszkodzeń, takich jak zwarcie uszkodzeniami częściowymi, np. niewielką utratą pojemności bądź wzrostem rezystancji szeregowej (ESR). Defekty takie skomplikowane do wykrycia metodami klasycznymi kumulują się i propagują z czasem, fatalnie wpływając na niezawodność urządzeń. Skaningową mikroskopię elektronową szeroko stosuje się ponadto w pracach rozwojowych nad nowoczesnymi strukturami półprzewodnikowymi i elementami układów elektronicznych nowej generacji [1,5], a także w badaniach niezawodnościowych połączeń lutowanych i testach ich termicznej odporności zmęczeniowej [3,4]. Znajdujące się na wyposażeniu aparatury SEM mikroanalizatory rentgenowskie dodatkowo zwiększają spektrum stosowalności urządzenia w omawianym zakresie, umożliwiając prowadzenie analiz ilościowych i jakościowych składu chemicznego powierzchni lutowanych (punktowo i w mikroobszarach), tworzenie map pierwiastków (ang. chemical mapping) oraz śledzenie zmian zawartości tychże wzdłuż linii skanowania (por. rys. 6). 73

4 MECHANIK 7/2013 Rys. 2. Mikropęknięcia elementów elektronicznych SMD ujawnione w wyniku przeprowadzenia badania SEM Rys. 3. Zdjęcia wykonane w technologii SEM ukazują nie tylko ewentualne błędy montażu, ale i niewidoczne pod mikroskopami optycznymi niejednorodności struktury soldera 74

5 MECHANIK 7/2013 Rys. 4. Powierzchnia przekroju soldera obserwowana pod mikroskopem skaningowym w 420-krotnym powiększeniu Rys. 5. Struktura soldera w 1500-krotnym powiększeniu (wyraźnie widoczne jasne obszary o zwiększonej zawartości ołowiu) 75

6 MECHANIK 7/2013 liczba zliczeń detektora Rys. 6. Przykładowy wynik analizy EDS powierzchni przekroju soldera 3. PODSUMOWANIE Do wizyjnej inspekcji linii montażowych SMT na szeroką skalę wykorzystuje się optyczne mikroskopy cyfrowe, zapewniające trójwymiarowe obrazowanie kontrolowanych podzespołów. Stosowanie w tym celu SEM jest na etapie produkcji nieopłacalne, ponadto zaś złożone pod względem technicznym. Należy jednak brać pod uwagę możliwość wykorzystania prezentowanej techniki obrazowania podczas projektowania i realizacji procesu badawczorozwojowego układów elektronicznych jako metody wspomagającej do weryfikacji zjawisk i pomiaru parametrów trudnych do zmierzenia metodami klasycznymi. LITERATURA [1] Kiełbasiński K., Młożniak A., Jakubowska M.: Environmental friendly thick film resistors with wide resistance range, Materiały Elektroniczne, vol. 36, nr 4/2008, s [2] Słówko W., Krzysztof M.: System detekcyjny elektronów wtórnych i wstecznie rozproszonych do obrazowania 3D w niskopróżniowej SEM, Elektronika konstrukcje, technologie, zastosowania, vol. 53, nr 2/2012, s [3] So A.C., Chan Y.C.: Reliability Studies of Surface Mount Solder Joints Effect of Cu-Sn Intermetallic Compounds, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Part B, Vol. 19, No. 3, August 1996, pp [4] Tu P.L., Chan Y.C., Lai J.K.: Effect of Intermetallic Compounds on the Thermal Fatigue of Surface Mount Solder Joints, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Part B, Vol. 20, No. 1, February 1997, pp [5] Zynek J., Hejduk K., Klima K., Możdżonek M., Stonert A., Turos A., Rzodkiewicz W.: Azotek krzemu stosowany w technologii planarnych fotodiod wykonanych na bazie InP, Materiały Elektroniczne, vol. 36, nr 4/2008, s