EBSD技术在电子元器件中的应用

背散射电子衍射技术（简称为EBSD）自商业化以来就被应用于各领域中对材料进行全方位的显微组织分 析。在对电子电路的检测中，EBSD也被经常应用于诸如互联、焊料和镀膜等关键部件的精细结构研究。然而，随 着芯片日益高度集成化的发展趋势，无论是从灵敏性，还是从速度、分辨率等方面考虑，EBSD技术的应用都将 面临越来越严峻的考验。

牛津仪器全新发布的CMOS-光纤耦合的Symmetry S2 EBSD结合了快速、高灵敏性和低畸变等特点，可以在较低束流下实现超过4500点/秒的在线采集和分析速度，既提高了工作效率又有效地减少了样品可能受到的损伤，因而大大拓展了EBSD在电子电路中的应用场景。

EBSD探测器通常安装在扫描电镜（SEM）或双束显微镜（FIB）中，利用晶体样品的周期性微观结构对电子束有规律的衍射完成样品的结构解析。相较于其它分析手段（TEM、XRD、OM等），EBSD通过一次采集，就能获得从10nm到毫米量级的可视化结构信息，包括相分布、晶粒尺寸、晶界结构和织构等。EBSD与能谱仪（EDS）结合可以同时获得元素种类、分布与结构的多方位信息。

本文将通过几个实际案例介绍Symmetry S2 EBSD在半导体关键工艺中的应用。

样品1：微凸点

先进的集成电路是通过焊锡微凸点（ S o l d e r Micro-bumps）和硅通孔（TSVs）来实现芯片的垂直互联以减小器件尺寸和提高其电气性能。锡铅合金因其良好的机械强度、流动性和导电性等特性被大量应用于传统的焊料中，但是近来对环保和毒性的高要求，越来越多焊料需要选择无铅焊料。Cu/Ni/SnAg体系是一种常见的倒装铜柱凸点，具有焊料少、不易桥联、导电导热性能优良的特点，但是，随着铜柱凸点尺寸不断缩小，焊料极易完全合金化产生空洞、裂纹等缺陷，并带来新的热电、机械等可靠性问题。此外，焊料本身在工序过程中析出的第二相，由于其脆性大，也会影响芯片本身的抗震性和电气互联能力。因此，需要对倒装铜柱凸点界面行为（如焊盘溶解、焊料完全合金化等）和失效机理（如阴极镍镀层侵蚀和层状空洞的产生等）进行系统性研究，深入了解结构对性能的影响，以提高器件的可靠性和电气性。

以下是一个铜柱凸点的截面样品，通过EDS和EBSD的同步扫描（总扫描时间为12min）可以获得区域内的元素分布和诸如晶粒尺寸、第二相分布和织构等的结构信息。结果表明，原凸点上的Ni层晶粒沿着互联方向被拉长，两端的焊料帽（Cu）都与Sn盘在反应过程中生成了Cu₆Sn₅和Cu₃Sn两层第二相，其晶粒形貌和尺寸相差巨大；在Sn盘中观察到了少量的Ag₃Sn第二相，其形貌和大小均不相同。

上图为微凸点截面的背散射电子图像，红色框表示进行EDS和EBSD分析的区域

样品2：打线

打线是封装过程中的一个关键工序，金属线（通常为Cu，Ag，Au等）的微观结构、其与芯片和引线框架键合截面的结构都会影响键合的强度和电气性能。使用EBSD可以有效地对不同尺度的该结构进行高速表征，提供有关晶粒尺寸、择优取向、局部应力集中以及键合截面析出等显微组织信息。

以下案例展示的是打线后从芯片焊盘到引线再到引线框架的大面积EBSD分析，其结果显示，在芯片焊盘与引线键合的界面附近，铜引线的晶粒尺寸长大，局部变形增加。在更高放大倍率下对焊盘-引线键合界面的EBSD分析可以清晰地观察到应力集中的区域及程度，这可能就是键合处剥离的重要原因。

Cu引线-芯片键合界面的背散射电子图像，标尺10微米。

高倍下，键合界面的前置散射电子像（ FSE ），标尺 5微米。 红色框内为EBSD分析区域

以下是使用EBSD分析Al焊盘连接器件和铜引线的案例。 EBSD结果显示，Cu引线消耗Al焊盘并生成了Al2Cu和Al4Cu9 两层亚微米厚的第二相，且由于Al焊盘的消耗，在其与Cu引线 间形成了空隙，这为键合失效埋下了隐患。

从上至下不同相的衍射花样及标定示例，界面上存在的5个相的衍射花样示例 （采集及标定）。不同颜色对应于下面的EBSD的多个相图。

键合界面附近的EBSD相分析结果，结果中从上至下分别为Cu引线，Al4Cu9， Al2Cu，Al焊盘及芯片。图中叠加的三维晶胞示例可以更直观地显示晶粒的取向。

结 论

自高速、高灵敏度CMOS EBSD问世以来，EBSD已成为电子和半导体行业快速表征结构信息的有力手段。

新一代Symmetry S2 EBSD探测器，具有高灵敏性、高分辨率，且采集速度超过4500pps，这将对不导电样品、大面积分析、高空间分辨率等特殊要求的EBSD大有裨益。本文中的几个应用案例，着重介绍了EBSD在解决电子元器件设计、制造和品控等方面可能的应用，希望对读者有所启发，进一步拓展和深化EBSD在电子和半导体行业中的应用。