焊點是微電子封裝的重要組成部分，因其既可用作機械互連，也可用作電氣互連。在過去，電子部件連接到印刷線路板的銅端子所用的焊料由錫和鉛的合金制成，后來出于對鉛造成的安全和環(huán)境污染方面的擔(dān)憂，人們提出使用無鉛合金，包括Sn-Ag和Sn-Cu等。
在微電子行業(yè)和失效分析實驗室，這類材料的拋光相對比較困難，通常需要很長時間才能獲得較好的拋光面。焊點的評估和可靠性測試通常廣泛應(yīng)用于失效分析和顯微結(jié)構(gòu)研究。
本文的目的在于為無鉛焊料的金相分析開發(fā)一種有效的試樣制備方法。對四種不同的焊料合金進行了光學(xué)偏振光顯微鏡測試和SEM分析，包括SnCu、SN100C、SAC305和Kester的新型合金K100LD（SnCu與Ni和Bi微合金化）。
1. 切割
焊料作為組件中混合材料的一部分用于提供接頭和導(dǎo)電路徑。制備以關(guān)注區(qū)域的取樣開始，通過合適的取樣方式確保待檢區(qū)域不會受損。以電路板為例，組件和電路板本身都是樣品的一部分，上面結(jié)合了硬質(zhì)材料和脆性材料，軟性材料和延性材料等等，這使得制備過程中的每個階段都非常重要，尤其是切割。
首先檢查通過不同的切割技術(shù)引入電路板的損傷深度是非常實用的，切割損傷可以多種形式出現(xiàn)——熱損傷、機械變形、脆性斷裂和分層等等。此外，切片損壞可以是內(nèi)部的也可以是外部的，并非始終易見。表1顯示了我們之前對此類樣品測量的典型損傷深度。與推薦的技術(shù)相比，更粗糙的切割技術(shù)可以對樣品造成高達100倍的損傷深度。去除這種損傷通常需要使用粗SiC砂紙對樣品進行長時間研磨，這本身會導(dǎo)致樣品較深的損傷。理想的情況是靠近關(guān)注區(qū)域進行切割，將損傷程度降低，這同時也有效地減少了所需的表面磨削量，提高了效率和結(jié)果質(zhì)量。
切割無鉛焊料的推薦方法是使用金剛石切割片。標樂提供了范圍廣泛的切割片，但在大多數(shù)情況下，建議使用中小粒徑的高強度切割片 - 通常為“15HC"型。
金剛石切割片為金屬粘合，可以輕松切割這些材料，且不會嵌入。相反，我們應(yīng)避免使用砂輪切割片，因為這種切割片容易污染焊料，隨著切割片的磨損容易嵌入樣品中。這種污染會導(dǎo)致過度摩擦，減慢切割速度并產(chǎn)生熱量。少量粘附在金剛石切割片切削刃上的焊料同樣可能有害，因此建議定期修整切割片。標樂會為每個切割片配備修整塊，用于溫和清潔和修整切割片表面。
在對這些材料進行切割時，我們通常會推薦使用精密切割機。在許多情況下，當(dāng)樣品量較小時，Isomet 1000（圖1）是理想選擇，因為它可以配備一個切割平臺，用戶可以將板材切割成規(guī)定尺寸。當(dāng)樣品量較大時，我們建議使用自動切割機，例如 Isomet高速型（圖2）——配置有T形槽臺，以便有效地夾持板材。Isomet高速型的切割長度可達7英寸，可以通過激光在板材上準確定位。全自動切割功能不僅節(jié)省了操作員的時間，而且大大提高了切割的速度和表面的再現(xiàn)性。
2. 鑲嵌
“鑲嵌"是一個使用聚合物樹脂封裝樣品的過程，以便在后續(xù)的制備過程中支撐和保護樣品。在某些情況下，需要對樣品先鑲嵌后切割，然后重新鑲嵌后進行研磨和拋光。這樣做可以確保切割損傷得到控制，在樣品特別容易受到切割過程影響的失效分析中尤其重要。在大多數(shù)情況下，鑲嵌是在樣品切割后完成的。對于焊接試樣，鑲嵌過程中的放熱情況也至關(guān)重要。鉛焊料應(yīng)使用可澆注冷鑲嵌樹脂進行鑲嵌，尤其要注意樹脂在固化過程中預(yù)期達到的放熱峰溫度。這通常意味著如SamplKwick之類的丙烯酸樹脂以及如EpoKwick FC之類的快速固化環(huán)氧樹脂（常用于其他電子產(chǎn)品制備領(lǐng)域）不適合這種應(yīng)用。低溫固化環(huán)氧樹脂對于確保焊料結(jié)構(gòu)不受干擾至關(guān)重要。低放熱溫度通常需要更長的固化時間。標樂的EpoThin 2是這些應(yīng)用的理想選擇，因為它結(jié)合了低放熱和低粘度特性，鑲嵌復(fù)雜形狀的樣品需要這種特性。如果要鑲嵌更硬的樣品，需要更快的固化速度并且可接受更高的粘度，則可使用EpoxiCure 2。為獲得最佳結(jié)果，請始終確保樣品在鑲嵌前保持清潔干燥。
無鉛焊料制備方法
3.1 研磨
初始研磨步驟是樣品制備的一個非常重要的階段，因為通過該步驟必須消除切割變形，且避免研磨的過度損傷。太粗磨料或使用不正確的磨料類型是此階段出現(xiàn)問題的常見原因。不建議對這些樣品使用金剛石研磨盤，因為這會導(dǎo)致軟材料過度變形。當(dāng)在觀察區(qū)域附近使用金剛石切割片進行切割時，很有可能只需要使用600粒度的SiC砂紙進行磨平。這是保證質(zhì)量和速度的*方法。對于其他切割方法，可能會需要使用更粗的砂紙——如此會導(dǎo)致在研磨和中間拋光步驟會花費更多的時間來恢復(fù)樣品平整性。為了保證研磨的效果，需要控制砂紙使用時間以保持其最佳性能。對于較粗的砂紙，可以使用幾分鐘，但對于600粒度砂紙，我們建議每使用1分鐘后更換一次。
研磨步驟后，將樣品放在超聲波清洗機中，用1%液體肥皂溶液清洗5分鐘。然后在50倍放大率下檢查樣品是否有SiC顆粒嵌入。如果發(fā)現(xiàn)任何SiC顆粒嵌入，則使用600粒度砂紙重復(fù)研磨步驟，但研磨前在SiC砂紙上涂上一層薄薄的石蠟。
3.2 中間拋光
對于拋光階段，我們使用了TexMet C拋光布搭配金剛石拋光膏。這種無紡壓纖布結(jié)合蠟質(zhì)膏體可在表面保留高強度磨料，同時具有高度的潤滑性。這些特性有助于在制備過程中防止顆粒嵌入焊料中，并確保較高的材料去除率。
在此制備階段，根據(jù)需要使用Metadi Fluid進行潤滑以保持表面濕潤。過多的潤滑劑會降低去除效率并引入嵌入，因此建議“少量多次"添加。在此階段之后，應(yīng)在超聲波清洗機中用1%液體肥皂再次清洗樣品。*沖洗，然后吹/晾干。建議在顯微鏡明場和暗場下進行檢查，以便確認此步驟成功完成。樣品應(yīng)具有大小一致的劃痕和良好的平整度（圖3），暗場中不存在代表金剛石嵌入的亮點。
3.3 精拋光
可以使用ChemoMet拋光布或MasterTex拋光布來完成機械精拋光階段，具體取決于需要制備的焊料。ChemoMet是一種無絨毛合成布，具有出色的平整度，但可能會在極軟的材料上留下細小的劃痕。MasterTex是一種致密的絨毛布，適用于柔軟的材料，但會留下稍多的拋光浮凸。機械拋光步驟應(yīng)盡可能縮短，因為較長時間往往會導(dǎo)致拋光浮凸和倒角。拋光浮凸會致使難以發(fā)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)中的細節(jié)，如果嚴重，還會導(dǎo)致視覺假象。
3.4 振動拋光
振動拋光可提供出色的表面光潔度，不會產(chǎn)生變形且難度最小。無需使用危險化學(xué)品，適用于任何材料或材料混合物。VibroMet 2 拋光機（圖4）可產(chǎn)生高頻的水平振動，但不會產(chǎn)生垂直運動。樣品拋光時不會產(chǎn)生應(yīng)力，對于軟材料（如焊料），振動拋光可以完成*無劃痕地制備，邊緣清晰，不會產(chǎn)生拋光浮凸。
該步驟中，樣品裝夾在重400g的樣品夾具中，無額外配重。MasterTex布與MasterMet二氧化硅拋光液一起使用。使用前用水潤濕拋光布表面，加入MasterMet以*覆蓋布面。將樣品放在拋光盤上，設(shè)置振幅，以使樣品每分鐘繞拋光盤轉(zhuǎn)動6圈左右。圖5顯示了振動拋光對焊料拋光效果的改善情況。仔細觀察細節(jié)和對比度的改善情況，即使機械拋光效果良好（無大劃痕），也仍然存在次表面變形以及掩蓋的小劃痕，而振動拋光樣品提供了對比度和細節(jié)。
4. 光學(xué)檢驗
最好先用光學(xué)顯微鏡觀察焊點的特征，建議在制備過程中檢查樣品。顯微鏡明場可顯示不同區(qū)域的相對反射率，應(yīng)用于測量尺寸和形狀特征。暗場顯微鏡非常適合檢查裂縫和邊緣，以及劃痕和嵌入顆粒。
結(jié)論
高質(zhì)量且高效率地制備無鉛焊料需要以下關(guān)鍵步驟：
• 使用精密切割機和精密切割片以降低樣品切割損傷
• 開始時使用盡量細的SiC砂紙進行研磨
• 去除磨削變形所選用的拋光布和金剛石懸浮液非常關(guān)鍵
• 盡量減少機械拋光時間以免產(chǎn)生拋光浮凸
• 經(jīng)過振動拋光的表面無變形，可以快速準確地分析晶粒結(jié)構(gòu)
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