2021年3月17日 | 作者 Dr Rosie Jones

焊料、封装材料、互连材料和涂层等材料中可能存在的杂质、元素偏析或析出物会严重影响电子器件的性能。因此，准确测量电子器件中各种微量、痕量元素的含量至关重要。波谱仪（WDS）和AZtecWave在电子器件制造过程中的应用将促进了电子行业的质量提升。

WDS比能谱仪（EDS）有更高的峰背比，许多元素的检测限通常可达到100 ppm以下。此外，得益于和电子探针（EPMA）相似的结构设计，AZtecWave的能量分辨率比EDS优异10倍以上，可以完全区分包括所有过渡族元素在内的特征X射线（例如Ti Kβ和V Kα）的谱峰重叠 。因此，配置AZtecWave的扫描电子显微镜（SEM）能对微量和痕量元素进行准确定量，进而大幅度提升SEM平台的分析能力。Rosie使用现已集成在AZtec软件平台上的WDS模块测试了不同无铅焊料的成分，所得结果展示如下。

第一个案例是锡锑（Sn-Sb）焊料，其中Sn含量约为95％。通过合金化引入Sb可以提升焊料强度并阻止Sn在低温下退化（俗称“锡病”）。因此，在测试、评估焊料性能过程中，准确的成分定量分析不可或缺。值得注意的是，Sn Lβ线与Sb Lα线的能量非常接近（3.662 keV vs. 3.605 keV），导致二者在EDS谱图中产生严重的谱峰重叠（图1）。当希望获取低含量（Sb<5 wt.％）元素的准确定量结果时，谱峰重叠给EDS分析带来巨大挑战。其次，Sn和Sb在空间上的分布并不均匀，即某些区域的Sb含量较低。这些问题都使Sb元素的准确定量非常棘手。幸运的是，WDS凭借其更优异的能量分辨率可以完全区分Sn和Sb的特征 X射线，如图2所示。

图1：Sn-Sb焊料的EDS谱图，其中Sn Lβ线（3.662 keV）与 Sb Lα线（3.605 keV）有重叠。右侧迷你视窗中的点分析结果显示该样品的Sb含量低于5 wt.%。Sn与Sb的浓度分别由AZtecWave中集成的EDS和WDS模块同时测量获得。

图2：Sn-Sb焊料的WDS合成谱图。此处的横坐标采用了与图1相同的能量范围，读者可以看到WDS的能量分辨率明显优于EDS。

第二个案例展示了使用AZtecWave分析Sn-Cu和Sn-Ag-Cu焊料中痕量Ni元素的过程。Zhao等人在2019年提出，添加少量Ni（<0.5 wt.％）不仅可以改善焊料性能，还有助于减少焊接处孔洞的形成及Sn/Cu的相互扩散^[1]。Rosie分别通过EDS和AZtecWave波谱仪同时测量了以上两种焊料中主量-微量元素（Sn、Ag、Cu）和微量-痕量元素（Ni）的含量。如下表所示，Sn-Ag-Cu和Sn-Cu焊料中Ni含量分别为774 ± 122 ppm和229 ± 48 ppm。该案例充分说明AZtecWave可以轻松区分Ni含量低于800 ppm的不同焊料，在理想情况下测量误差仅为±50 ppm。

测量Ni含量时使用的加速电压、束流和衍射晶体分别为20 kV、23/30 nA和LiF。如图3所示，AZtecWave的“三项选择”功能将基于束流大小、样品的预估Ni含量（由预先采集的EDS数据获得）和目标质量百分比偏差（即可接受的测量不确定度）向用户推荐谱峰与背底计数采集需要的时间。这一新功能允许用户更准确、快速地确定两者的采集时间。

图3：AZtecWave界面截屏。软件会根据测量的吸收电流、估算的Ni含量和预期的定量不确定度自动计算谱峰与背底计数时间；或者在用户输入谱峰/背底采集时间后计算当前束流下可能得到的定量不确定度。

本文介绍了如何通过WDS和AZtecWave鉴别以及定量电子器件焊料中存在的量微-痕量元素。您可以联系我们以获得更多关于AZtecWave的信息。

Dr Rosie Jones
WDS 产品经理

Reference: 

Zhao, M., Zhang, L., Liu, Z.Q., Xiong, M.Y. and Sun, L., 2019. Structure and properties of Sn-Cu lead-free solders in electronics packaging. Science and technology of advanced materials, 20 (1), pp.421-444.