Metallografische Zielpräparation von elektronischen und mikroelektronischen Bauteilen mit dem neuen TargetSystem

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1 Metallografische Zielpräparation von elektronischen und mikroelektronischen Bauteilen mit dem neuen TargetSystem Katja Reiter, Jan Lähn, Fraunhofer Institute für Siliziumtechnologie, Itzehoe Struers Zeitschrift für Materialografie 7/2005

2 Structure e-7 7/2005 Schriftleitung: Knud Foldschack (verantwortlich) Bente Freiberg Michael Rückert Structure wird an Leser im Feld der Materialografi e weitergegeben. Metallografische Zielpräparation von elektronischen und mikroelektronischen Bauteilen mit dem neuen TargetSystem Struers A/S Pederstrupvej 84 DK-2750 Ballerup Denmark Telefon Telefax application@struers.dk Internet: Wir fordern unsere Leser dazu auf, schriftliche Beiträge über die Präparation von metallografi schen, mineralogischen und keramischen Proben und damit verwandte Gebiete einzusenden. Geeignete Artikel werden kostenlos in Structure aufgenommen, einschliesslich dazugehörender Abbildungen in Farbe oder Schwarz/Weiss. Die Beiträge sollten in Form einer Papierkopie oder vorzugsweise auch elektronisch an die Schriftleitung von Structure geschickt werden. Wird ein Artikel in elektronischer Form zur Verfügung gestellt sollten Text und Illustrationen in separaten Dateien gespeichert werden. Wir bevorzugen die folgenden Formate: Text: MS Word Bilder: TIF oder JPG in hoher Aufl ösung Zeichnungen: Corel Draw (CDR 10 oder früher) oder Adobe Illustrator (AI 9 oder früher) Katja Reiter, Jan Lähn, Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie, Itzehoe Einleitung Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauteile stellt immer größere Anforderungen an die metallografi sche Präparation. Proben von dünnen Golddrähten, μ-vias in Mehrlagenleiterplatten oder Area Array Packages wie z.b. BGA-, CSP- und Flip Chip-Bauteile werden für Forschung und Entwicklung sowie Fehleranalysen metallografi sch untersucht. Hierfür wird große metallografi sche Erfahrung benötigt, da die Zielebenen häufi g durch Verguss verborgen sind. Eine Zielpräparation ist nur durch vorsichtiges Herantasten an die Zielebene möglich. Als Hilfsmittel dienen meistens nur Zeichnungen und Röntgenaufnahmen. Hierbei kann es passieren, dass man über die Zielebene hinausschleift oder, dass sie in der Endpolitur verloren geht. Um Proben einfacher, ohne Probenverluste und reproduzierbar erstellen zu können, ist ein Schleif- und Polierautomat, das TargetSystem, entwickelt worden. Im Folgenden wird das TargetSystem qualifi ziert und Probenrezepte werden entwickelt, um die Zielpräparation reproduzierbar durchführen zu können. Versuchsbeschreibung Um z.b. einen 20 μm dicken Golddrahtbond in einem integrierten Schaltkreis automatisch zu präparieren, muss der Bond zunächst mit einer Mikrofokusröntgenanlage lokalisiert werden. Gemessen werden muss der Abstand von der Probenkante bis zur Zielebene. Berechnet werden muss der, der in den einzelnen Schleifund Polierschritten erfolgt. Hierbei ist die Verformungstiefe in den einzelnen Schritten zu beachten. Während des Schleifvorgangs muss die srate überprüft werden. Von besonderer Bedeutung ist die Auswahl der geeigneten Polierunterlagen, Poliersuspensionen und der Anpressdruck bei der Politur. Diese Faktoren sind entscheidend für die Darstellung sauberer und randscharfer Schliffoberfl ächen. Diese Schritte werden bisher von Personen mit metallografi scher Erfahrung von Hand durchgeführt. Das TargetSystem beruht auf den oben genannten Präparationsschritten und sollte reproduzierbare Messergebnisse liefern.

3 3 Gerätebeschreibung Das TargetSystem ist ein modular aufgebautes Gerätekonzept und besteht aus folgenden Komponenten: Mikropoliersystem TargetMaster Automatisches Dosiersystem TargetDoser Kippbarer Probenhalter TargetGrip Set-up Station für sichtbare Ziele TargetZ Set-up Station für unsichtbare Ziele (mit Steuereinheit für Röntgendurchstrahlung) TargetX TargetMaster Das Basismodul, TargetMaster ist ein Mikropoliersystem. Ein integriertes Laser-Messsystem misst den Probenabtrag während des Poliervorgangs und garantiert eine Genauigkeit von +/- 5 μm. Ein zweites, integriertes elektronisches Messsystem kontrolliert kontinuierlich den Schleifvorgang. Das automatische Dosiersystem TargetDoser ist mit dem Target- Master verbunden. Es kann bis zu sieben verschiedene Flüssigkeiten, wie Suspensionen und Schmiermittel aufnehmen und enthält eine Datenbank mit Standardpräparationen in der zusätzlich benutzerdefi nierte Methoden abgespeichert werden können. TargetDoser TargetGrip ist ein Probenhalter der bis 5 gekippt werden kann. Die Probe wird auf einen Träger (Probenstuhl genannt) geklebt, der wiederum in den TargetGrip eingesetzt und festgeschraubt wird. Zur Suche und Auswahl von sichtbaren Zielen wird dieser Probenhalter in das TargetZ, für unsichtbare Ziele in das TargetX eingespannt. TargetZ wird zum Ausrichten und Messen von sichtbaren Zielen mit bis zu 680-facher Vergrößerung verwendet. TargetX wird für nicht sichtbare verwendet und besteht aus einer Ausrichtstation und einer Steuereinheit. Die Ausrichtstation wird in das Röntgengerät eingebracht und mit der Steuereinheit kann die Probe von außen in Echtzeit im Röntgengerät ausgerichtet und vermessen werden. TargetX TargetZ TargetGrip

4 Zeit TargetMaster bietet drei Präparationsmodi, die auch miteinander kombiniert werden können. 1. Zielmodus: die Probe wird bis zur vermessenen Ebene geschliffen und poliert. 2. modus: der swert wird von Hand eingegeben, z.b. wenn verschiedene Reihen von μ-vias in einer Leiterplatte nacheinander anpräpariert werden sollen. 3. Zeitmodus: die Polierzeit wird vorgegeben Ziel 4 Entwicklung von Präparationsmethoden: Für die metallografi sche Präparation wurden die elektronischen Bauteile in zwei Gruppen eingeteilt: Gruppe 1: Bauteile mit Aluminiumoxid- Keramik (z.b. SMD-Widerstände, unbestückte Leiterplatten) Gruppe 2: Bauteile mit brüchigen, artefaktgefährdeten Bestandteilen ( Kondensatoren, Glasdioden, Silizium etc.) Bild 2: TargetZ mit Probenhalter Für die Präparation sind folgende Faktoren von Bedeutung: Einbettmittel Schleif-/Polierunterlage Poliermittel Anpressdruck Die Entwicklung für Proben der Gruppe 1 wird exemplarisch an einem MELF-Widerstand mit Keramikkern vorgestellt (Proben 1 + 2). Zunächst wird die Probe mit einem Schnellkleber mittig auf einen Probenstuhl aufgeklebt. Dieser wird in den Probenhalter TargetGrip eingeschraubt und anschließend im TargetZ ausgerichtet und vermessen. Die Daten werden an den TargetMaster weitergeleitet. Die Probe wird nun in Epoxidharz eingebettet. Bild 2 zeigt den im TargetZ eingespannten Probenhalter. Für die Entwicklung der Präparationsmethode wurde der Anpressdruck variiert sowie verschiedene Polierunterlagen und Suspensionen getestet. Hier wurde von den herkömmlich verwendeten Verbrauchsmaterialien ausgegangen. Die besten Ergebnisse wurden mit den in Tabelle 1 aufgelisteten Schleif/Polierparametern erzielt. Bild 3: Probe 1 mit SiC-Papier geschliffen Bild 4: Probe 2 mit Diamond Pad 20 μm geschliffen Bilder 3 und 4 zeigen die Ergebnisse verschiedener Schleifmethoden.

5 Stufe Unterlage Diamond Pad MD-Largo MD-Dur MD-Dur MD-Chem Schleifmittel Diamond DiaPro Largo DiaPro Dur DiaPro NapR OP-S Körnung/ 20 μm 9 μm 3 μm 1 μm Korngrösse Schmiermittel Wasser U/Min. 300/ / / / /150 Kraft 35 N 20 N 15 N 15 N 10 N Zeit 1 Min. 0,5 Min. 20 μm 10 μm Probe 1 zeigt deutliche Kantenabrundungen, so dass der Übergang Lot /Keramik nicht deutlich dargestellt werden kann. Tabelle 1: Präparationsmethode Gruppe 1 5 Bei Probe 2 kann der Übergang vom Lot zur Keramik dargestellt werden. Der Unterschied liegt im Schleifschritt: Probe 1 wurde mit 800er SiC- Papier angeschliffen und Probe 2 mit einem Diamond Pad 20 μm. Daraus ergibt sich eine Präferenz für Diamond Pad als Schleifunterlage für elektronische Teile der Gruppe 1. Welche Wirkung verschiedene Polierunterlagen hervorrufen, zeigt die Entwicklung der Versuchsparameter für die Proben der Gruppe 2. Bild 5: Probe 3 mit Dac-Tuch poliert (Hellfeld) Hier wurde die Probe, ein Wafer-Level-Package bestehend aus Siliziumsubstrat mit SnPb-Lotkugeln, mit einem Dur-Tuch im Vergleich zu einem Dac-Tuch poliert (Proben 3+4). Das Poliermittel ist jeweils DiaPro-Dur. Bei der Politur mit dem Dac-Tuch ist ein Artefakt entstanden. Der Si-Chip ist nahe der Grenzfl äche gebrochen. Die Politur mit Dur-Tuch zeigt diesen Artefakt im Schliffbild nicht. (Siehe Bilder 5 und 6). Die Versuche zeigen, dass man mit den auf die Poliertücher abgestimmten Suspensionen sehr gute Präparationsergebnisse erzielen kann. Dies zeigt unter anderem die Darstellung im Polarisationskontrast von Probe 4, welche die Kornstruktur zeigt (Bild 6b). Der richtige Anpressdruck ist besonders bei brüchigen Materialien entscheidend. Ein zu hoher Anpressdruck erzeugt Ausbrüche im Material, die zu Fehlinterpretationen führen können. Bild 6a: Probe 4 mit Dur-Tuch poliert (Hellfeld) Tabelle 2 zeigt die beste Poliermethode für Proben der Gruppe 2. Stufe Unterlage MD-Fuga MD-Fuga MD-Largo MD-Dur MD-Dur MD-Chem Schleifmittel SiC SiC DiaPro Largo DiaPro Dur DiaPro NapR OP-S Körnung/ μm 3 μm 1 μm Korngrösse Schmiermittel Wasser Wasser U/Min. 300/ / / / / /150 Kraft 30 N 30 N 20 N 15 N 15 N 10 N Zeit 1 Min. 0,5 Min. 300 μm 20 μm 10 μm Tabelle 2: Präparationsmethode für Gruppe 2 Bild 6b: Probe 4 mit Dur-Tuch poliert (Polarisationskontrast)

6 Bild 8: Durchkontaktierung im Querschliff Bild 7: Übersicht der Leiterplatte (Pfeile zeigen Schliffebene) Probe Tabelle 3 SiC # SiC # MD-Largo 9 μm MD-Dur 3 μm 2 Min. 2 Min. 2 Min. 2 Min. 2 Min. 2 Min. MD-Dur 1 μm 1 Min. 1 Min. 1 Min. 1 Min. 1 Min. 1 Min. OP-Chem 0.25 μm 0,5 Min. 0,5 Min. 0,5 Min. 0,5 Min. 0,5 Min. 0,5 Min. Zielwert Abweichung von der Zielebene Zeit 44 m 26 s 44 m 52 s 45 m 1 s 46 m 25 s 41 m 52 s 42 m 56s Target Plane 6 Bild 9a: Röntgenbild eines auf der Leiterplatte montierten Chips mit Dünndrahtbondierung, Durchm. 20 μm, vermessen mit TargetX Um die Reproduzierbarkeit der Genauigkeit der erzielten Präparationsebenen zu überprüfen, wurden Sechs Querschliffe an Leiterplatten mit jeweils einer Durchkontaktierung angefertigt. (Bild 7 und 8) Tabelle 3 zeigt die Versuchsprotokolle zu sechs verschiedenen Proben die vom TargetSystem automatisch erstellt wurden; verwendet wurde Präparationsmethode 2. Die Abweichung von der Zielebene (Distance to Target) wies im Durchschnitt etwa 2 μm auf. Präparationsebenen lassen sich somit reproduzierbar darstellen. Die Unterschiede in der Prozesszeit ergeben sich aus der Abnutzung des Diamond Pad und der Poliertücher sowie der Entfernung zur Zielebene. Bild 9b: Dünndrahtbondierung (Gold-Ball-Wedge) im Querschliff Die folgenden Bilder zeigen weitere Proben, die mit dem Target- System bearbeitet wurden. Die Querschliffe sind Beispiele aus einem breiten Spektrum der Aufbau- und Verbindungstechnik in der Elektronik. Bild 10 a: CSP-Bauteil in der Röntgendurchstrahlungausgerichtet und vermessen mit TargetX (Pfeile zeigen Schliffebene) Bild 10b: Gelötete Ballbumps (eutektisches SnPb-Lot) im Querschliff (Detail von Bild 10a) Bild 10c: Querschliff eines Ballbumps, eutektisches SbPb-Lot, (Detail von Bild 10b)

7 7 Zusammenfassung Das TargetSystem wurde qualifi ziert und Präparationsrezepte wurden zur Erzielung guter Schliffoberfl ächen entwickelt. Das System eignet sich für die metallografi sche Fehleranalyse an elektronischen und mikroelektronischen Bauelementen. Die gewünschten Präparationsebenen konnten in mehreren gleichartigen Proben genau und reproduzierbar getroffen werden. Manuell ist es schwierig, zeitaufwendig und nur für erfahrene Metallografen möglich, solche Proben in guter Qualität zu präparieren. Grundsätzlich liegt eine Gefahr darin, über das Zielgebiet hinaus zu schleifen, wodurch die Probe unwiderrufl ich verloren ist. Mit dem TargetSystem ist es nach kurzer Einarbeitung möglich, schwierige Proben in kurzer Zeit, hoher Präzision und guter Reproduzierbarkeit zu präparieren. Bild 11a: RF-Transponder-Chip (Flex-Si, 50μm) in Smart Card Literatur Prospekt TargetSystem, Struers A/S, Kopenhagen, Dänemark Structure Sonderdruck, Metallografi sche Präparation und Gefüge von elektronischen und mikroelektronischen Bauteilen, F.W. Wulff, T.Ahrens, K.H. Reiter, Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie, Modulintegration, Itzehoe, Deutschland Bild 11b: Kontaktzone zur Verbindung von Flex-Si-Chip (Stud-Bump) und Chipkarten-metallisierung (Cu-Ni-Au) Bild 12 a: Überblicksaufnahme von thermisch gezykeltem Si Chip der mit leitendem Kleber mit der Hauptplatte verbunden ist, Gold Ballbonds auf Si Chip 12b: Detail von 12a: Gold Ballbonds (20μm); Al-Metallisierung durch intermetallisches Phasenwachstum aufgezehrt