Microelectrónica

Preparación metalográfica de componentes microelectrónicos

Debido a su tamaño y complejidad, la preparación de los componentes microelectrónicos para el análisis metalográfico puede suponer un reto. Esta guía destaca las técnicas especiales y los equipos requeridos para garantizar un control de eliminación de material preciso y eficaz en muestras microelectrónicas, con resultados reproducibles.

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Características principales de microelectrónica

En los últimos 25 años, el desarrollo y la producción de equipos electrónicos ha avanzado rápidamente. Con anterioridad, los equipos electrónicos eran de gran tamaño y volumen, con la mayoría de los componentes electrónicos conectados individualmente por cable sobre grandes placas de circuito impreso.

El desarrollo de circuitos integrados (CI) ha hecho posible la miniaturización de los componentes microelectrónicos. Dichos circuitos integrados son más pequeños y fiables, y su producción es más barata, con un rendimiento mejorado frente a las versiones por cable. Los CI combinan componentes activos (como transistores y diodos) con componentes pasivos (como resistencias y condensadores) para crear un circuito electrónico completo en una sola pieza de material semiconductor (normalmente de silicio), denominada oblea. Estos chips microelectrónicos se ensamblan en placas de circuito impreso que se conectan a una unidad electrónica.

Metalografía de los componentes microelectrónicos

La mayoría de los componentes microelectrónicos se producen en masa, de modo que el control de calidad normalmente se limita a ensayos del ciclo térmico para detectar partes defectuosas. Sin embargo, la metalografía juega un papel importante en:
  • el desarrollo, el diseño y el análisis de errores de los componentes basados en chips: Las secciones transversales de los componentes se estudian para identificar posibles microvías, fracturas, huecos, esferas de soldadura, capas conductoras o conexiones.
  • Comprobaciones de fallos: Estas se realizan en diferentes etapas de producción

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Fig. 1: Detalle de un circuito integrado lineal con terminales de conexión, resistencias, vías y condensadores en el centro

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Fig. 2: Sección transversal de una oblea de silicio con terminales de conexión de un circuito integrado

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Fig. 3: Componentes ensamblados en una placa de circuito impreso

Los componentes microelectrónicos contienen varios materiales como: cristal, cerámica, metal y polímeros. Cada uno de ellos con propiedades muy diversas. Por lo tanto, la preparación de la muestra requiere un control de eliminación de material para revelar las características individuales de estos materiales.

Las comprobaciones habituales incluyen:
  • Tamaño y distribución de defectos tales como huecos, inclusiones y fracturas
  • Conexión y adhesión de los materiales y sus interfaces
  • Dimensiones y forma de las diferentes partes del encapsulado: grosor de capas, alambres, forma cóncava de la soldadura
  • Porosidad y fracturas en cerámica
  • Planitud y retención de bordes (las capas muy finas entre los diversos materiales se deben inspeccionar con una gran magnificación)

Debido a su tamaño y complejidad, la preparación de los componentes microelectrónicos para el análisis metalográfico puede suponer un reto. Por ello se requieren técnicas de preparación y equipos especiales que garanticen el nivel adecuado de precisión durante el control de eliminación de material.

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Fig. 4: Ejemplo de la composición del material en los componentes microelectrónicos 

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Fig. 5: Condensador multicapa (1) soldado a metalización de cobre del circuito impreso (2); fractura de fatiga (3) propagada a través de la soldadura

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Fig. 6 a y b: Cerámica con cobre a gran amplificación para mostrar diferencias de planitud: a) esmerilado fino inicial con lámina/papel de carburo de silicio; b) esmerilado fino inicial con diamante en disco de esmerilado finoMD-Largo 

Tipos de muestras microelectrónicas

Desde el punto de vista materialográfico, la microelectrónica se divide en tres tipos de muestras.

Obleas de silicio
El rendimiento de la oblea de silicio semiconductora está estrechamente vinculado a las propiedades del material en cuanto a microestructura y composición química. Por lo tanto, el análisis materialográfico de las obleas de silicio es importante para el desarrollo de los componentes electrónicos y el control de calidad.
A través del control de eliminación de material, las láminas finas del bloque de silicio cilíndrico están preparadas materialográficamente para el análisis, normalmente con un microscopio de rayos infrarrojos y una espectrometría de FTIR.
La inspección de las secciones paralelas o transversales de la oblea de silicio, en su forma no encapsulada, se realiza tras un pulido materialográfico preciso. Los detalles del circuito integrado se estudian con un microscopio óptico o electrónico, dependiendo de la escala y del tipo de análisis.

Circuitos integrados y componentes
Las obleas individuales se encapsulan en componentes o circuitos impresos compactos, utilizando diferentes tecnologías de interconexión y recubrimiento. Las secciones transversales materialográficas de estos pequeños y sumamente complejos componentes microelectrónicos se utilizan en el desarrollo, el diseño, la comprobación de fallos y el análisis de errores. El objetivo del examen es buscar indicios de fractura, hueco, bolas de soldadura, conductividad, capas aislantes, conexiones, etc.

El examen metalográfico a menudo se centra en un área concreta del encapsulado. Por ello, el control de eliminación de material se utiliza para identificar y revelar este objetivo. Los componentes discretos, tales como condensadores, resistencias, etc., también se someten a un examen materialográfico para analizar su geometría y posibles imperfecciones microestructurales.

Las placas de circuito impreso (PCB)
constan de una lámina metálica de epoxi/fibra de vidrio o cerámica, capas metálicas chapadas de cobre y orificios chapados (también denominados "vías").
La preparación de la muestra de los materiales de la PCB se realiza para localizar defectos en el material del sustrato.
Según los estándares líderes en la industria, la calidad de una placa de circuito impreso metalizada se debe inspeccionar materialográficamente. A este fin, el cupón de prueba se produce y prepara de modo que el centro de la placa metalizada se pueda inspeccionar con un microscopio. Además, las conexiones, la coherencia del recubrimiento y el grosor se estudian principalmente en las secciones transversales.

Retos de la preparación de muestras microelectrónicas

Existen tres retos principales al realizar un control de eliminación de material y la preparación del objetivo en las muestras microelectrónicas.

Las dimensiones diminutas requieren equipos especializados y accesorios adecuados para el manejo de muestras pequeñas. Pasos como el corte y el esmerilado requieren mayor precisión de lo normal, debido a las dimensiones, que normalmente se encuentran en un rango de µm.

La composición compleja del material es algo común en microelectrónica donde metales blandos, cerámica y compuestos a menudo se encuentran en una misma pieza. Esto compromete la elección de los métodos de preparación y los parámetros, seleccionados cuidadosamente para cumplir los requisitos específicos.

El control de eliminación de material y su preparación precisa es esencial cuando los objetivos pequeños se someten a examen. Una inspección metalográfica de la muestra a menudo incluye la búsqueda de un área concreta en el interior del encapsulado de chips interconectados. Esto puede requerir mucho tiempo, ya que normalmente implica un control de eliminación de material manual conocido como "esmerilado y observación" (i.e. esmerilado reiterado y posterior comprobación del objetivo hasta que esté listo para el pulido).

En investigación o análisis de fallos, la pérdida del objetivo durante el proceso de "esmerilado y observación" puede suponer la pérdida de una muestra única y/o costosa. Por lo tanto, las soluciones automatizadas u optimizadas se utilizan con gran frecuencia debido a su alta precisión mecánica, unidades de medición óptima y paradas mecánicas.

Las dificultades más habituales en la preparación de elementos microelectrónicos son:
  • El corte: Desconchado y fractura de obleas de silicio, cristal o cerámica
  • La embutición: Deformación mecánica y daños térmicos
  • El esmerilado: Fractura de componentes quebradizos como fibras de cristal o cerámica
  • El pulido: Aparición de manchas en capas del metal blando; relieve debido a la variación de dureza de los distintos materiales; carburo de silicio y partículas de diamante restantes en la soldadura


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Fig. 7: Detección de una fractura en un diodo 

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Fig. 8: Sección en condensador cerámico multicapa envejecido con fracturas de fatiga en la conexión soldada 

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Fig. 9: Gran hueco en la conexión del agujero pasante metalizado (50 aumentos)

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Fig. 10: Hueco y fractura en la conexión de soldadura del agujero pasante metalizado (200 aumentos)

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Fig. 11: Sección transversal de esferas de soldadura, DIC (Contraste Diferencial de Interferencia)

 

Preparación de microelectrónica: corte y embutición

Corte de nuestras microelectrónicas

Dependiendo del tamaño y la fragilidad del componente microelectrónico o ensamblado, puede que sea necesario realizar la embutición antes de cortar para sujetar las piezas o los componentes juntos y evitar daños mecánicos.

Al cortar, asegúrese de que el corte se distancia lo suficiente del área de observación para evitar daños mecánicos. Una vez cortada la muestra, someta el material restante a un esmerilado meticuloso. Este enfoque limitará el riesgo de introducir fracturas en la cerámica, chips en el cristal o delaminación de las capas, así como defectos de soldadura.

Al cortar componentes microelectrónicos, puede elegir diferentes máquinas de corte de precisión, dependiendo del tipo de muestra microelectrónica sometida a observación:
  • Para el corte de plásticos: Se recomienda utilizar un disco de corte de diamante galvanizado (E1D20) o un disco de diamante con ligante de resina (B0D20)
  • Si los componentes son de gran tamaño: Se recomienda utilizar Secotom con un disco de corte de diamante galvanizado (de 200 mm de diámetro, o de 150 mm para un corte más fino)
  • Para cortar componentes individuales, pequeños o frágiles: Se recomienda utilizar Accutom, aunque también se pueden usar discos de corte más pequeños
  • Para un teléfono móvil o una placa provista de componentes microelectrónicos: Se recomienda utilizar una máquina de tamaño medio, como Secotom

Embutición de muestras microelectrónicas

Debido a su naturaleza compuesta y frágil, los componentes microelectrónicos no son aptos para la embutición en caliente. Por consiguiente, siempre se realiza la embutición en frío. No obstante, las resinas de embutición en frío acrílicas deben evitarse ya que desarrollan temperaturas de curado elevadas que pueden afectar a la soldadura y los polímeros, y la contracción elevada de las resinas puede fracturar las obleas de silicio.
Los métodos de embutición difieren según el método analítico utilizado:
  • En una embutición normal con microscopio óptico: utilice resinas epoxi transparentes (ProntoFix,EpoFix, SpeciFix-20)
  • Para rellenar huecos y agujeros: se recomienda la impregnación al vacío
  • Al usar un filtro azul de paso largo y uno naranja de paso corto en el microscopio óptico: mezcle un tinte fluorescente (EpoDye) con la resina epoxi, ya que ofrece un contraste excelente de los huecos y las fracturas
  • En vías muy pequeñas: se recomienda utilizar una resina transparente de baja viscosidad que fluya fácilmente en los huecos
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Preparación de microelectrónica: Esmerilado y pulido

Dependiendo del tamaño de los componentes microelectrónicos y del número de muestras requerido, existen tres métodos de esmerilado y pulido: manuales, semiautomáticos y totalmente automáticos.

Evite el esmerilado plano con abrasivos toscos, ya que puede dañar los materiales quebradizos y deformar los metales blandos.

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Fig. 12: Daños por fractura en diodo de cristal causados por lámina/papel SiC de esmerilado tosco

Proceso recomendado de tres pasos para el esmerilado y pulido de secciones paralelas y transversales

Paso 1
Para una planitud excelente, se recomienda el esmerilado fino con diamante en un disco rígido (MD-Largo), en vez del esmerilado con lámina/papel de carburo de silicio.

Paso 2
Para conservar la planitud tras el esmerilado, utilice el pulido de diamante con un paño de seda. Si existen partículas abrasivas en el metal blando, continúe con el pulido de diamante hasta su eliminación.

Paso 3
Realice un pulido final con sílice coloidal (OP-U NonDry), pero debe ser breve para evitar relieves.

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Fig. 13: Relieve de esmerilado debido a materiales de diferente dureza

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Fig. 14: Partículas de diamante en la soldadura

Preparación manual de muestras microelectrónicas

Para la preparación manual de obleas de silicio y paquetes no encapsulados, Tripod es una herramienta práctica para el método de control de eliminación de material y de "esmerilado y observación". En este método, las películas abrasivas con tamaños de grano de 30 µm a 0,05 µm se ensamblan sobre una lámina de cristal, y la muestra se somete a un esmerilado y pulido manual.

Preparación semiautomática de muestras microelectrónicas

En el control de eliminación de material semiautomático, utilice lámina/papel de carburo de silicio. Recomendamos utilizar soportes de muestra especiales, ya sea para componentes microelectrónicos embutidos o sin embutir, como AccuStop o AccuStop-T. Una vez se han esmerilado varias muestras a aproximadamente 50 µm antes del objetivo, estas se pueden retirar del soporte AccuStop y transferir a una máquina semiautomática para el esmerilado fino y pulido como muestras individuales.

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Tabla 1: Método de preparación de componentes microelectrónicos, ensamblados, de 30 mm de diámetro

Preparación totalmente automática de muestras microelectrónicas

Recomendamos utilizar una máquina automática, como  TargetSystem para un proceso de control de eliminación de material totalmente automático. El proceso de preparación total, incluyendo el corte, dura de 45 a 60 minutos.

TargetSystem alinea y mide la muestra antes de la preparación y después la somete al esmerilado y pulido automático, utilizando el vídeo para objetivos visibles y rayos-X para objetivos ocultos. Se puede utilizar para el control de eliminación de material tanto en secciones transversales como paralelas en muestras embutidas y sin embutir, con una precisión de ±5 μm.

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Fig. 15: Vídeo Target-Z para posicionamiento y medición de objetivos visibles

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Fig. 16: Rayos X de la muestra con objetivos ocultos

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Fig. 17: Muestra con objetivo visible, mostrado a través de vídeo

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Fig. 18: Soporte con muestra que indica las distancias tras su medición y cálculo automáticos

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Table 2: Método de preparación para llegar al objetivo de un componente microelectrónico

Obtención de métodos demostrados en nuestro e-Metalog

Su elección del esmerilado y pulido de superficies o de las suspensiones se debe definir según los requisitos de la tasa de eliminación, planitud, relieve, retención de bordes y manchas. Se dispone de unos 25 métodos demostrados en nuestro e-Metalog para los componentes electrónicos, que abarcan una amplia selección de combinaciones de material y requisitos de preparación.
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Ataque químico de muestras microelectrónicas

Los componentes microelectrónicos contienen diferentes materiales, cada uno de ellos con una reflexión distinta de la luz. Esto normalmente ofrece un contraste suficiente, de modo que el ataque químico no es necesario. No obstante, si el ataque químico fuese necesario, recomendamos un pulido final con sílice coloidal, ya que ofrece un ligero ataque en la soldadura y el cobre. En el paso de pulido final, utilice la suspensión OP-S NonDry con una pequeña cantidad de peróxido de hidrógeno (3 %). Compruebe su muestra después de 30 segundos para evitar un ataque químico excesivo. Si fuera necesario continuar más allá de este punto, hágalo de forma gradual.

Qué recomendamos como solución de ataque para el cobre y las aleaciones de cobre en microelectrónica:
25 ml de agua
25 ml de hidróxido de amonio
0,5-10 ml de peróxido de hidrógeno (3 %)

A fin de mejorar el contraste de la estructura, recomendamos las siguientes técnicas de iluminación:
  • Campo oscuro: para identificar fracturas en cerámica
  • Contraste diferencial de interferencia o luz polarizada: para aumentar el contraste o color en estructuras de material específicas
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Resumen

Los circuitos integrados, las obleas de silicio y las placas de circuito impreso son elementos de construcción clave en los dispositivos electrónicos modernos, y la metalografía juega un papel importante en el diseño, el desarrollo y el análisis de errores en dichos componentes electrónicos.

No obstante, los circuitos integrados, las obleas de silicio y las placas de circuito impreso suponen también un reto en la preparación del análisis metalográfico. Los circuitos integrados son diminutos, de geometría compleja y a menudo incluyen diferentes materiales como metal, cristal o cerámica. Esto hace que el control de eliminación de material requiera mucho tiempo, además de paciencia y aptitudes para esmerilar y pulir hasta un objetivo específico dentro del componente.

Existen herramientas especiales (AccuStop) que simplifican el proceso de control de eliminación de material manual y semiautomático. Para la preparación totalmente automática de objetivos, TargetSystem de Struers ofrece un esmerilado y pulido rápido y preciso de cada objetivo. Para evitar los relieves entre las capas blandas y duras y los materiales, se recomienda el esmerilado de diamante en discos rígidos y el pulido de diamante en paños duros.

Por lo general, el ataque químico no es necesario en los componentes microelectrónicos. No obstante, si el ataque químico fuese necesario, recomendamos un pulido final con sílice coloidal, ya que ofrece un ligero ataque en la soldadura y el cobre.

Infórmese sobre el resto de materiales

Obtenga más información sobre la materialografía de otros metales y materiales. Consulte nuestra página de materiales 

Holger Schnarr

Imágenes de Kelsey Torboli, ingeniero en aplicación, EE. UU.
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