焊點(diǎn)是微電子封裝的重要組成部分，因其既可用作機(jī)械互連，也可用作電氣互連。在過(guò)去，電子部件連接到印刷線(xiàn)路板的銅端子所用的焊料由錫和鉛的合金制成，后來(lái)出于對(duì)鉛造成的安全和環(huán)境污染方面的擔(dān)憂(yōu)，人們提出使用無(wú)鉛合金，包括Sn-Ag和Sn-Cu等。

在微電子行業(yè)和失效分析實(shí)驗(yàn)室，這類(lèi)材料的拋光相對(duì)比較困難，通常需要很長(zhǎng)時(shí)間才能獲得較好的拋光面。焊點(diǎn)的評(píng)估和可靠性測(cè)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(wú)鉛焊料的金相分析開(kāi)發(fā)一種有效的試樣制備方法。對(duì)四種不同的焊料合金進(jìn)行了光學(xué)偏振光顯微鏡測(cè)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(kāi)始，通過(guò)合適的取樣方式確保待檢區(qū)域不會(huì)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(guò)程中的每個(gè)階段都非常重要，尤其是切割。 

首先檢查通過(guò)不同的切割技術(shù)引入電路板的損傷深度是非常實(shí)用的，切割損傷可以多種形式出現(xiàn)——熱損傷、機(jī)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(jiàn)。表1顯示了我們之前對(duì)此類(lèi)樣品測(cè)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(duì)樣品造成高達(dá)100倍的損傷深度。去除這種損傷通常需要使用粗SiC砂紙對(duì)樣品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間研磨，這本身會(huì)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(jìn)行切割，將損傷程度降低，這同時(shí)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(wú)鉛焊料的推薦方法是使用金剛石切割片。標(biāo)樂(lè)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(qiáng)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(huì)嵌入。相反，我們應(yīng)避免使用砂輪切割片，因?yàn)檫@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(huì)導(dǎo)致過(guò)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(biāo)樂(lè)會(huì)為每個(gè)切割片配備修整塊，用于溫和清潔和修整切割片表面。

在對(duì)這些材料進(jìn)行切割時(shí)，我們通常會(huì)推薦使用精密切割機(jī)。在許多情況下，當(dāng)樣品量較小時(shí)，Isomet 1000（圖1）是理想選擇，因?yàn)樗梢耘鋫湟粋€(gè)切割平臺(tái)，用戶(hù)可以將板材切割成規(guī)定尺寸。當(dāng)樣品量較大時(shí)，我們建議使用自動(dòng)切割機(jī)，例如 Isomet高速型（圖2）——配置有T形槽臺(tái)，以便有效地夾持板材。Isomet高速型的切割長(zhǎng)度可達(dá)7英寸，可以通過(guò)激光在板材上準(zhǔn)確定位。全自動(dòng)切割功能不僅節(jié)省了操作員的時(shí)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(gè)使用聚合物樹(shù)脂封裝樣品的過(guò)程，以便在后續(xù)的制備過(guò)程中支撐和保護(hù)樣品。在某些情況下，需要對(duì)樣品先鑲嵌后切割，然后重新鑲嵌后進(jìn)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(guò)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(duì)于焊接試樣，鑲嵌過(guò)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(shù)脂進(jìn)行鑲嵌，尤其要注意樹(shù)脂在固化過(guò)程中預(yù)期達(dá)到的放熱峰溫度。這通常意味著如SamplKwick之類(lèi)的丙烯酸樹(shù)脂以及如EpoKwick FC之類(lèi)的快速固化環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂對(duì)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(zhǎng)的固化時(shí)間。標(biāo)樂(lè)的EpoThin 2是這些應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗Y(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(qǐng)始終確保樣品在鑲嵌前保持清潔干燥。

無(wú)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(gè)非常重要的階段，因?yàn)橥ㄟ^(guò)該步驟必須消除切割變形，且避免研磨的過(guò)度損傷。太粗磨料或使用不正確的磨料類(lèi)型是此階段出現(xiàn)問(wèn)題的常見(jiàn)原因。不建議對(duì)這些樣品使用金剛石研磨盤(pán)，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致軟材料過(guò)度變形。當(dāng)在觀(guān)察區(qū)域附近使用金剛石切割片進(jìn)行切割時(shí)，很有可能只需要使用600粒度的SiC砂紙進(jìn)行磨平。這是保證質(zhì)量和速度的*方法。對(duì)于其他切割方法，可能會(huì)需要使用更粗的砂紙——如此會(huì)導(dǎo)致在研磨和中間拋光步驟會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)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(shí)間以保持其最佳性能。對(duì)于較粗的砂紙，可以使用幾分鐘，但對(duì)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(jī)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(duì)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(wú)紡壓纖布結(jié)合蠟質(zhì)膏體可在表面保留高強(qiáng)度磨料，同時(shí)具有高度的潤(rùn)滑性。這些特性有助于在制備過(guò)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(jìn)行潤(rùn)滑以保持表面濕潤(rùn)。過(guò)多的潤(rùn)滑劑會(huì)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(jī)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(chǎng)和暗場(chǎng)下進(jìn)行檢查，以便確認(rèn)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(chǎng)中不存在代表金剛石嵌入的亮點(diǎn)。

3.3 精拋光

可以使用ChemoMet拋光布或MasterTex拋光布來(lái)完成機(jī)械精拋光階段，具體取決于需要制備的焊料。ChemoMet是一種無(wú)絨毛合成布，具有出色的平整度，但可能會(huì)在極軟的材料上留下細(xì)小的劃痕。MasterTex是一種致密的絨毛布，適用于柔軟的材料，但會(huì)留下稍多的拋光浮凸。機(jī)械拋光步驟應(yīng)盡可能縮短，因?yàn)檩^長(zhǎng)時(shí)間往往會(huì)導(dǎo)致拋光浮凸和倒角。拋光浮凸會(huì)致使難以發(fā)現(xiàn)微觀(guān)結(jié)構(gòu)中的細(xì)節(jié)，如果嚴(yán)重，還會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)假象。

3.4 振動(dòng)拋光

振動(dòng)拋光可提供出色的表面光潔度，不會(huì)產(chǎn)生變形且難度最小。無(wú)需使用危險(xiǎn)化學(xué)品，適用于任何材料或材料混合物。VibroMet 2 拋光機(jī)（圖4）可產(chǎn)生高頻的水平振動(dòng)，但不會(huì)產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)。樣品拋光時(shí)不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，對(duì)于軟材料（如焊料），振動(dòng)拋光可以完成*無(wú)劃痕地制備，邊緣清晰，不會(huì)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(wú)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(rùn)濕拋光布表面，加入MasterMet以*覆蓋布面。將樣品放在拋光盤(pán)上，設(shè)置振幅，以使樣品每分鐘繞拋光盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)6圈左右。圖5顯示了振動(dòng)拋光對(duì)焊料拋光效果的改善情況。仔細(xì)觀(guān)察細(xì)節(jié)和對(duì)比度的改善情況，即使機(jī)械拋光效果良好（無(wú)大劃痕），也仍然存在次表面變形以及掩蓋的小劃痕，而振動(dòng)拋光樣品提供了對(duì)比度和細(xì)節(jié)。

4. 光學(xué)檢驗(yàn)

最好先用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察焊點(diǎn)的特征，建議在制備過(guò)程中檢查樣品。顯微鏡明場(chǎng)可顯示不同區(qū)域的相對(duì)反射率，應(yīng)用于測(cè)量尺寸和形狀特征。暗場(chǎng)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(wú)鉛焊料需要以下關(guān)鍵步驟： 

• 使用精密切割機(jī)和精密切割片以降低樣品切割損傷

• 開(kāi)始時(shí)使用盡量細(xì)的SiC砂紙進(jìn)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(jī)械拋光時(shí)間以免產(chǎn)生拋光浮凸

• 經(jīng)過(guò)振動(dòng)拋光的表面無(wú)變形，可以快速準(zhǔn)確地分析晶粒結(jié)構(gòu)