表貼元件鏡檢樣品制備

龔國(guó)虎，金洪斌，梁棟程，何志剛

（1.中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心，四川 綿陽(yáng) 621999；2.宏明電子科大新材料有限公司，四川 成都 610100）

0 引言

相比于插腳封裝和扁平封裝元件，表貼元件在印制板上沒(méi)有孔或窗口，而是直接緊貼在基板或者印制板上，縮短了引線，因而其電路裝配更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[1]。利用表面安裝元件可以節(jié)省大量的空間，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)而言，當(dāng)表貼元件裝在電路板的一側(cè)時(shí)，電路板的面積可以減小兩倍[2]，而且，由于表貼元件的高度一般較低，電路的密度可以增加兩倍，這就大大地減小了系統(tǒng)的體積[3]。使用表貼元件相對(duì)于插腳元件縮短了引線，可以大大地降低引線電感、寄生電容和電阻，各個(gè)元件的延遲時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地縮短，從而使電路有更快的響應(yīng)速度[4]，系統(tǒng)的電性能獲得較大的提高。表貼元件由于具有體積小、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為了表面組裝技術(shù) （SMT）不可或缺的元件[5]，其大量地應(yīng)用于混合集成電路中作為外貼分立元件和小型化的電子設(shè)備中，從而在武器裝備系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

為了提高表貼元件的使用可靠性，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效或潛在失效，武器系統(tǒng)的關(guān)鍵件、重要件在使用前都要進(jìn)行破壞性物理分析 （DPA），產(chǎn)品失效后還需要通過(guò)失效分析 （FA）試驗(yàn)，找出失效模式和原因[6]。通過(guò)制樣鏡檢來(lái)觀察表貼元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，首先要對(duì)樣品進(jìn)行鑲嵌固定，鑲嵌后通過(guò)研磨、拋光制備的剖面[7-8]觀察元件基體、端電極、內(nèi)電極和阻擋層等是否存在缺陷。元件的鑲嵌、研磨和拋光對(duì)所制備樣品的最終剖面效果都有至關(guān)重要的影響，不良的剖面制備效果會(huì)導(dǎo)致元件內(nèi)部的真實(shí)形貌無(wú)法有效地呈現(xiàn)，甚至還可能引入外來(lái)缺陷，給試驗(yàn)帶來(lái)干擾甚至造成誤判。本文通過(guò)對(duì)利用冷、熱鑲嵌方法制備樣品的最終效果進(jìn)行分析，確定了適合表貼元件的樣品制備方法，通過(guò)試驗(yàn)得到了研磨參數(shù)與研磨厚度的關(guān)系，砂紙粒度與損傷層厚度的關(guān)系，從而更加準(zhǔn)確地選擇了研磨條件和參數(shù)，最后將研究成果應(yīng)用于某批次MLCC失效分析案例中。

1 樣品制備

1.1 樣品制備的方法

樣品制備的方法主要有：熱鑲嵌和冷鑲嵌兩類(lèi)。熱鑲嵌是指樣品在有機(jī)粉末中通過(guò)儀器加熱、加壓固定成型，冷鑲嵌指樣品通過(guò)鑲嵌料和固化液混合后澆鑄固化而成。熱鑲嵌需要專(zhuān)門(mén)的鑲嵌儀器進(jìn)行加熱、加壓，熱鑲嵌料具有固化時(shí)間短、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)；冷鑲嵌的固化時(shí)間長(zhǎng)，鑲嵌料成本較高，但無(wú)需鑲嵌儀器，只需模具即可完成。冷、熱鑲嵌各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體使用時(shí)，需要結(jié)合試驗(yàn)效果和表貼元件的物理性能等來(lái)確定合適的鑲嵌方法。

1.2 鑲嵌方法的效果對(duì)比

選用熱固性環(huán)氧樹(shù)脂在125℃的加壓條件下采用熱鑲嵌方法制備樣品，鑲嵌及研磨后元件與鑲嵌料結(jié)合處容易產(chǎn)生如圖1中箭頭所示的空隙，在研磨、拋光的過(guò)程中空隙處容易產(chǎn)生應(yīng)力，由于空隙處鑲嵌料對(duì)元件支撐不足，因而所產(chǎn)生的應(yīng)力容易造成元件損傷。

圖1 熱鑲嵌及磨、拋后元件和鑲嵌料界面

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1只外部目檢合格的樣品，通過(guò)熱鑲嵌研磨后樣品邊緣出現(xiàn)如圖2中箭頭所示的延伸到樣品表面的裂紋，由于外部目檢并未觀察到樣品表面存在裂紋，并且裂紋出現(xiàn)處樣品與鑲嵌料存在一定的間隙，可以斷定是因?yàn)殍偳读蠈?duì)該處元件支撐不足，研磨過(guò)程中的應(yīng)力導(dǎo)致樣品邊緣出現(xiàn)裂紋。若基體裂紋延伸到樣品表面 （如圖2所示）或者造成樣品邊緣崩損，則可以通過(guò)外觀檢查等方法來(lái)確定缺陷是否由樣品制備和磨、拋過(guò)程引入；若樣品裂紋未延伸到樣品表面或者裂紋出現(xiàn)在被端電極包裹處，則就難以結(jié)合外觀檢查來(lái)斷定裂紋是樣品基體自身原本就存在，還是磨、拋過(guò)程中所引入的外來(lái)缺陷，給最終試驗(yàn)結(jié)果的判定帶來(lái)巨大的干擾。而且FA時(shí)樣品的數(shù)量有限，樣品損壞后難以重新抽樣復(fù)現(xiàn)，會(huì)出現(xiàn)該元件的FA無(wú)法完成的情況。

圖2 研磨時(shí)應(yīng)力產(chǎn)生裂紋形貌

使用PRESI的冷鑲嵌料制備樣品，冷鑲嵌制備研磨后的效果如圖3所示，由于冷鑲嵌樣品是由液體固化而成的，液體的流動(dòng)性就能保證元件鑲嵌后的樣品被鑲嵌料緊密地包裹，因而樣品與鑲嵌料接觸處不易出現(xiàn)空隙。

圖3 冷鑲嵌磨拋后的效果

但是，冷鑲嵌料和固化液混合后處理不當(dāng)容易產(chǎn)生氣泡，如果氣泡未出現(xiàn)在樣品周邊則影響不大。試驗(yàn)過(guò)程中，樣品鑲嵌后，當(dāng)氣泡出現(xiàn)在樣品與鑲嵌料結(jié)合處 （如圖4中箭頭處所示）時(shí)，在研磨過(guò)程中此處產(chǎn)生的應(yīng)力將導(dǎo)致電極和電阻基體出現(xiàn)分層 （圖4中左邊箭頭處），這種情況下也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于熱鑲嵌時(shí)難以區(qū)分缺陷來(lái)源的問(wèn)題，給試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)干擾。冷鑲嵌產(chǎn)生的氣泡可以通過(guò)合理的攪拌或制備過(guò)程中進(jìn)行抽真空等手段得到有效的控制。

圖4 冷鑲嵌料制備產(chǎn)生氣泡圖

1.3 鑲嵌效果分析

熱鑲嵌時(shí)在樣品和鑲嵌料結(jié)合處出現(xiàn)空隙的原因?yàn)椋憾卟牧系臒崤蛎浵禂?shù)相差較大。陶瓷基體主要由SiO2及硅酸鹽構(gòu)成，其熱膨脹系數(shù)α約為0.5×10-5/℃，而環(huán)氧樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)為 （6～7）×10-5/℃。

熱膨脹系數(shù)的計(jì)算公式為：

由此可得出：

式（1）-（2）中：α——線膨脹系數(shù)；

L——樣品初始長(zhǎng)度；

ΔL——溫度變化ΔT所引起的變化量。

在不考慮熱鑲嵌加壓的條件下，對(duì)于長(zhǎng)度為5 mm的元件， ΔT變化100℃時(shí)鑲嵌料和樣品界面處產(chǎn)生的空隙為：

ΔL= （7-0.5） ×10-5×100×5=32.5 μm。 熱鑲嵌過(guò)程中的壓力將使ΔL進(jìn)一步地變大。

PRESI提供的冷鑲嵌料在樣品制備過(guò)程中鑲嵌料和固化液混合后所釋放的熱量很小，基本可以忽略溫度變化所引起的熱膨脹變化，所以界面處不易出現(xiàn)空隙。

再者，采用熱鑲嵌制備樣品時(shí)需要通過(guò)一定的溫度和壓力將固體粉末與元件一起壓縮固定成型，而表貼元件一般采用低溫陶瓷燒結(jié)而成[5]，其基體脆性大，這種脆性來(lái)源于其化學(xué)鍵的種類(lèi)，陶瓷基體中大多都是方向性較強(qiáng)的離子鍵和共價(jià)鍵，多數(shù)晶體復(fù)雜，平均原子間距大因而表面能小，很容易由表面或內(nèi)部引起的應(yīng)力集中而產(chǎn)生破裂，這樣就難以保證樣品在溫度應(yīng)力和壓力應(yīng)力下不會(huì)引入缺陷。

綜上所述：冷鑲嵌制備過(guò)程中不用加溫、加壓，可以避免鑲嵌過(guò)程中溫度、壓力對(duì)元件產(chǎn)生應(yīng)力的情況；熱鑲嵌需要加熱、加壓成型，若元件和鑲嵌料的熱膨脹系數(shù)相差較大，升溫后界面處容易產(chǎn)生空隙，在研磨時(shí)空隙處所產(chǎn)生的應(yīng)力可能導(dǎo)致樣品引入缺陷；冷鑲嵌料具有較好的流動(dòng)性，制備的樣品在元件和鑲嵌料界面處包裹緊密，研磨時(shí)不易產(chǎn)生應(yīng)力損傷，故而，冷鑲嵌方法更加適合表貼元件樣品的制備。

2 樣品磨、拋效果與影響因素

2.1 樣品磨、拋簡(jiǎn)介

鑲嵌后的樣品需通過(guò)逐步研磨、拋光等步驟（如圖5所示）才能呈現(xiàn)出好的剖面[9]，以準(zhǔn)確地觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一個(gè)良好的剖面效果是制樣鏡檢的基礎(chǔ)，研磨和拋光都影響最終剖面效果，主要的影響因素包括砂紙粒度、轉(zhuǎn)速、夾持壓力和拋光液。研磨、拋光遵循 “先粗后細(xì)”的原則。若砂紙粒度選擇不合理，在相同的條件下砂紙跨度過(guò)大，研磨掉粗磨時(shí)留下劃痕的損傷層需要使用更多的細(xì)砂紙和更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到效果，跨度過(guò)大不僅會(huì)增加細(xì)砂紙的消耗，同時(shí)也會(huì)增加制樣時(shí)間，一般砂紙粒度越細(xì)價(jià)格越高，這樣就增加了成本。通過(guò)試驗(yàn)探究不同的研磨條件下研磨厚度的變化，確定各種研磨條件和研磨厚度的關(guān)系，可以半定量地得出一定試驗(yàn)條件下的研磨厚度值，也可以初步確定損傷層與研磨厚度的關(guān)系。

圖5 樣品磨、拋步驟示意圖

2.2 研磨厚度

研磨厚度 （損傷層總深度）指研磨過(guò)程中磨損掉的樣品厚度與劃痕所在的厚度層之和，表貼元件體積一般較小，砂紙粒度過(guò)大、轉(zhuǎn)速過(guò)快、夾持壓力過(guò)大或者研磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)研磨現(xiàn)象；轉(zhuǎn)速過(guò)慢、夾持壓力過(guò)小又會(huì)增加研磨時(shí)間，降低試驗(yàn)效率。若研磨參數(shù)選擇不合適，樣品表面留下的劃痕在后續(xù)拋光中也難以去除。為了確定研磨厚度與時(shí)間、壓力、轉(zhuǎn)速和砂紙等因素的關(guān)系，分別試驗(yàn)后得出了研磨厚度與各個(gè)條件之間的曲線關(guān)系，如圖6所示。

圖6 損傷層總深度與研磨條件的關(guān)系

上述曲線說(shuō)明：在一定的條件下，研磨厚度與研磨時(shí)間、壓力、轉(zhuǎn)速和砂紙粒度 （砂紙顆粒越大，砂紙標(biāo)號(hào)P越?。┏尸F(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)研磨時(shí)間、壓力和轉(zhuǎn)速超過(guò)一定的條件時(shí)，研磨厚度的增加量隨時(shí)間、壓力、轉(zhuǎn)速的增加而趨于平緩，可以通過(guò)上述曲線在研磨所需已知厚度時(shí)確定大概的試驗(yàn)條件，為研磨過(guò)程中參數(shù)條件的選擇提供參考，在最大程度上保證研磨效率的同時(shí)確保不出現(xiàn)過(guò)研磨現(xiàn)象。

2.3 研磨損傷層厚度

研磨損傷層厚度指劃痕層的厚度，樣品損傷層厚度與砂紙粒度、壓力、時(shí)間和轉(zhuǎn)速都有關(guān)系，但這些因素中砂紙粒度對(duì)損傷層的厚度影響最大，故主要研究砂紙粒度與損傷層厚度的關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)研究得到研磨后的損傷層厚度與砂紙粒度的關(guān)系，如圖7所示。從圖7中可以得出：砂紙粒度越小，研磨造成的損傷層的厚度深度越淺，樣品表面的粗糙度也越小，當(dāng)砂紙粒度大于P 400后，損傷層深度隨砂紙粒度增加的變化趨勢(shì)越加不明顯，當(dāng)粒度小于P 400以后損傷層的厚度隨砂紙的變細(xì)而急劇地變薄，所以粗磨后選擇粒度大于P 400的砂紙不能有效地減小樣品表面的劃痕，粗磨后選擇P 600左右的砂紙來(lái)研磨掉粗磨產(chǎn)生的損傷層能夠很大程度上減小粗磨留下的劃痕。砂紙粒度小于P 600后，砂紙?jiān)郊?xì)研磨時(shí)產(chǎn)生的損傷的層厚度變薄得越明顯，再逐步地選擇更小粒度的砂紙后得到的表面就只剩下微細(xì)的劃痕，這些微細(xì)劃痕可以通過(guò)拋光去除。正確的砂紙粒度選擇不僅能夠呈現(xiàn)一個(gè)良好的剖面，還能使試驗(yàn)時(shí)間、成本得到更加有效的控制。

圖7 損傷層厚度與砂紙粒度的關(guān)系

綜上所述：研磨時(shí)間、轉(zhuǎn)速、壓力和砂紙等條件都對(duì)研磨厚度有影響，在一定的條件下，研磨厚度隨著各個(gè)條件值的增加而變化明顯；達(dá)到一定的條件后，研磨厚度的增加值會(huì)隨著各個(gè)條件值的增加而變小。這主要是因?yàn)樯凹埵褂眠_(dá)到一定程度后漸漸地失去了研磨效果；研磨時(shí)產(chǎn)生的損傷層厚度直接體現(xiàn)了劃痕的大小，損傷層越厚劃痕越大，損傷層厚度與研磨時(shí)間、轉(zhuǎn)速、壓力和砂紙等條件都有關(guān)系，這些因素中砂紙粒度對(duì)損傷層厚度的影響最大，砂紙粒度大于P 400號(hào)時(shí)損傷層厚度不會(huì)因?yàn)樯凹堊兗?xì)而得到有效的減??；當(dāng)砂紙粒度小于P 400號(hào)時(shí)，隨著砂紙的變細(xì)損傷層的深度減小得越加明顯，劃痕也就越小，最后經(jīng)拋光去除小劃痕所在的微小損傷層即可得到光滑的表面。

3 樣品制備在元件失效分析中的應(yīng)用

某型號(hào)設(shè)備在整機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中先后有兩臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)異常，電測(cè)后確定均為相同位置所用的多層瓷介電容器絕緣下降或容量下降所致，對(duì)拆下的2只異常電容器進(jìn)行FA時(shí)發(fā)現(xiàn)：外觀檢查均未發(fā)現(xiàn)電容存在異常，樣品通過(guò)冷鑲嵌后按照前面所述的方法制備剖面后發(fā)現(xiàn)其端電極瓷體內(nèi)部均存在不同程度的裂紋，裂紋已貫穿整個(gè)端頭，如圖8所示。對(duì)電裝過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該電容器采用回流焊工藝，并且不存在返焊、共焊盤(pán)情況，故可以排除電裝過(guò)程中引入外應(yīng)力因素的可能性。進(jìn)一步地對(duì)該組件內(nèi)部印制板及元器件的安裝情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：該組件印制板采用雙面板設(shè)計(jì)，其中都有開(kāi)槽，槽口兩端各安裝1只該型號(hào)電容，兩只電容長(zhǎng)度的方向均與槽口長(zhǎng)度的方向垂直，同時(shí)，電容器所在位置的背面安裝了一個(gè)較大的器件，該器件在腔體中處于懸空狀態(tài)。使用前，該部位背面的器件不會(huì)使印制板產(chǎn)生明顯的形變，電容器未受到影響，但電容器一側(cè)存在開(kāi)槽，一定程度上影響了該區(qū)域印制板的強(qiáng)度，使該部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在進(jìn)行后續(xù)應(yīng)力、環(huán)境試驗(yàn) （如振動(dòng)）時(shí)，背面器件就會(huì)使印制板產(chǎn)生形變，盡管形變程度很小，但經(jīng)過(guò)反復(fù)的累積，會(huì)使印制板疲勞從而產(chǎn)生較大的形變，進(jìn)而對(duì)位于該部位的電容器產(chǎn)生彎曲應(yīng)力作用，導(dǎo)致電容器基體產(chǎn)生裂紋而失效。

圖8 電容基體裂紋形貌

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)確定冷鑲嵌方法更加適合表貼元件樣品的制備，冷鑲嵌在鑲嵌過(guò)程中不用施加溫度、氣壓等外加應(yīng)力，不會(huì)因?yàn)闇囟?、壓力等?yīng)力條件在鑲嵌過(guò)程中導(dǎo)致樣品損傷，鑲嵌后樣品被緊密地包裹，不易出現(xiàn)熱鑲嵌料和元件因?yàn)闊崤蛎浂诮缑嫣幃a(chǎn)生空隙的情況?？梢圆捎眠m當(dāng)?shù)臄嚢?、抽真空等方法?lái)解決冷鑲嵌制備過(guò)程中處理不當(dāng)易產(chǎn)生氣泡的情況，冷鑲嵌可以降低樣品制備的風(fēng)險(xiǎn)。冷鑲嵌后樣品經(jīng)過(guò)合理的參數(shù)研磨能將損傷層有效地控制，再經(jīng)過(guò)拋光處理就能得到理想的剖面，其已在DPA、FA中得到了應(yīng)用，制備的良好剖面能夠使相關(guān)研究人員更容易地觀察到樣品的缺陷從而更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)元件的工藝水平。