半导体失效分析 _C-SAM 扫描声学显微镜工作原理介绍

山东c-sam超声波显微镜工作原理
C-SAM超声波显微镜是一种非破坏性的检测设备，主要应用于半导体产业、电子器件、航空航天、工业制造等领域，用于检测材料内部的缺陷、异物、裂纹等。

在实际应用中，
C-SAM超声波显微镜具有灵敏度高、分辨率高、无损检测等优点，因此，被广泛应用于各
个领域。

C-SAM超声波显微镜的工作原理是利用超声波在固体材料中的传播规律来检测材料内
部的缺陷。

超声波是一种机械波，其传播速度和反射特性因材料的声学性质而异。

当超声
波传播到材料的表面时，会被部分反射回来，当遇到材料内部的缺陷时，超声波将穿过缺
陷并产生相应的反射信号。

C-SAM超声波显微镜通过检测这些反射信号并对其进行分析，可以获得材料内部缺陷的信息。

C-SAM超声波显微镜主要包括超声发射器、超声接收器、控制器和图像处理软件等组
成部分。

超声发射器主要用于产生超声波信号，它将电能转换成机械波能量，使超声波信
号以一定频率和幅度在材料中传播。

超声接收器主要用于接收从材料中反射回来的超声波
信号，并将其转换为电能信号。

控制器主要用于控制发射器和接收器的工作状态，并将接
收到的信号传输到计算机中进行处理。

图像处理软件主要用于对信号进行处理和分析，并
将检测结果显示出来。

总之，C-SAM超声波显微镜是一种高精度、高可靠性的非破坏性检测设备，在材料检
测和质量控制方面具有广泛的应用前景。

其工作原理简单明了，通过利用超声波在固体材
料中的传播规律来检测材料内部的缺陷，具有灵敏度高、分辨率高、无损检测等优点，是
现代工业生产过程中不可或缺的一部分。

扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过使用聚焦的电子束来替代传统显微镜中使用的光束，从而能够观察到非常小尺寸的物体或细节。

SEM的构造和工作原理如下：构造：1.电子源：SEM使用热电子发射或场致发射的方式产生电子束。

常用的电子源是热丝电子枪，其中一个被称为热阴极的钨丝加热电子产生材料，产生电子束。

2. 电子透镜系统：SEM中有两个电子透镜，分别称为透镜1（即准直透镜）和透镜2（即聚经透镜）。

透镜1和透镜2的作用是使电子束呈现较小的束斑（electron beam spot），从而提高分辨率和放大率。

3. 检测系统：SEM的检测系统包括两个主要部分，即二次电子检测器（Secondary Electron Detector，SED）和回散射电子检测器（Backscattered Electron Detector，BED）。

SED主要用于表面形貌观察，它能够检测到由扫描电子激发的二次电子。

BED则用于分析样品的成分和区分不同物质的特性。

4.微控样品台：SEM中的样品台可以精确调整样品位置，使其与电子束的路径重合，并且可以在不同的方向上转动，以便于观察不同角度的样品。

5.显示和控制系统：SEM使用计算机控制系统来控制电子束的扫描和样品台的移动，并将观察结果显示在计算机屏幕上。

工作原理：1.电子束的生成：SEM中的电子源产生高能电子束。

电子源加热电子发射材料，如钨丝，产生高速电子束。

2.电子透镜系统的聚焦：电子束经过透镜1和透镜2的聚焦，使其呈现出较小的束斑。

3.样品的扫描：样品台上的样品被置于电子束的路径中，并通过微控样品台控制样品的位置和方向。

电子束扫描过样品表面，通过电磁透镜和扫描线圈控制电子束的位置。

4.二次电子和回散射电子的检测：电子束与样品相互作用时，会产生二次电子和回散射电子。

二次电子是由电子束激发样品表面产生的电子，可以用来观察样品的表面形貌。

随着电子电器行业的不断发展，消费者水平也在不断提升，人们已经不仅仅满足于产品的外观和功能，电子电器产品的可靠性已成为产品质量的重要部分。

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失效分析RTS.LTD 可靠性实验室配备了扫描电子显微镜、傅立叶转换红外光谱仪、能谱仪、切片、金相显微镜等精密设备提供失效分析，可进行切片测试、焊点拉伸强度、可焊性测试、镀层厚度测试、锡须观察、成分分析等实验。

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扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过感应信号形成显像的仪器。

其工作原理如下：
1. 电子源发射电子束：SEM中有一个电子枪，用于产生高能电子。

电子枪中通常会使用热阴极，通过加热或电子轰击方式将电子从阴极中释放出来。

2. 高能电子束聚焦：释放出来的电子会受到聚焦系统的控制，将电子束聚焦成一个非常细小的束斑。

聚焦系统通常包括透镜或电磁镜等。

3. 电子束扫描：经过聚焦的电子束被定向扫描到样品表面。

样品通常需要先制备成非导电表面或镀上导电层，以便电子束能够顺利地与样品相互作用。

4. 电子-样品相互作用：电子束与样品表面相互作用会产生多种效应，如散射、反射、透射等。

其中最常用的效应是二次电子发射（secondary electron emission）和后向散射电子（backscattered electron）的产生。

5. 信号收集：通过安装在SEM中的多种探测器，可以收集和测量与电子-样品相互作用相关的信号。

常用的探测器包括：二次电子探测器、后向散射电子探测器、X射线能谱仪等。

6. 信号转换和处理：收集到的信号会经过放大、滤波、数字化
等处理，并转化成图像或谱图。

7. 图像显示：最后，处理好的信号通过计算机和显示器进行图像重建和显示，使得研究人员可以观察到样品表面的微观结构和形貌。

扫描电子显微镜通过以上步骤实现样品表面的高分辨率成像，并能提供有关样品表面化学元素的分布信息。

它在材料科学、生物学、纳米学等领域发挥着重要作用。

芯片失效分析，你可以怎么办对于应用工程师，芯片失效分析是最棘手的问题之一。

之所以棘手，很无奈的一点便是：芯片失效问题通常是在量产阶段，甚至是出货后才开始被真正意识到，此时可能仅有零零散散的几个失效样品，但这样的比例足以让品质部追着研发工程师进行一个详尽的原因分析。

对于研发工程师，在排查完外围电路、生产工艺制程可能造成的损伤后，更多的还需要原厂给予支持进行剖片分析。

不管芯片是否确实有设计问题，但出于避免责任纠纷，最终原厂回复给你的报告中很可能都是把问题指向了“EOS”损伤，进而需要你排查自己的电路设计、生产静电防控。

由于缺乏专业的分析设备，芯片内部设计的保密性不可能让应用工程师了解太多，因此对于原厂给予的分析报告，应用工程师很多时候其实处于“被动接受”的处境。

虽然无法了解芯片内部的设计，但其实我们可以了解芯片厂商相关失效分析手法，至少在提供给你的报告上，该有的失效分析是否是严瑾，数据是否可靠，你可以做出一定的判断——手法一：电子显微镜查看表面异常失效的芯片样品到了芯片厂商手里后，首先要做的必然是用高放大倍数的电子显微镜查看芯片表面在物理层面上是否有异常问题，如裂痕、连锡、霉变等异常现象。

手法二：XRay查看芯片封装异常X射线在穿越不同密度物质后光强度会产生变化，在无需破坏待测物的情况下利用其产生的对比效果形成的影像可以显示出待测物的内部结构。

IC封装中如层剥离、爆裂、空洞、打线等问题都可以用XRay进行完整性检验。

手法三：CSAM 扫描声学显微镜扫描声学显微镜利用高频超声波在材料不连续界面上反射产生的振幅及相位与极性变化来成像，典型的SAM图像以红色的警示色表示缺陷所在。

SAM和XRay是一种相互补充的手法，X-Ray对于分层的空气不敏感，所得出的图像是样品厚度的一个合成体，而SAM可以分层展现样品内部一层层的图像，因此对于焊接层、填充层、涂覆层等的完整性检测是SAM的优势。

手法四：激光诱导定位漏电结给IC加上电压，使其内部有微小电流流过，在检测微电流是否产生变化的同时在芯片表面用激光进行扫描。

扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一
种利用电子束与样品相互作用，通过控制电子束扫描样品来获得高分辨率图像的仪器。

其工作原理可以概括如下：
1. 电子枪和聚焦系统：SEM中的电子枪产生高能量的电子束，通常使用热阴极或冷阴极发射电子。

聚焦系统根据需要将电子束聚焦成细束。

2. 射线系统：聚焦后的电子束进入射线系统，经过一系列的电磁透镜和偏转磁铁来控制和定位电子束的位置。

3. 样品台和扫描系统：待观察的样品放置于样品台上，样品台可以进行高精度的位置调整。

电子束从顶部进入，并通过电磁透镜附近的扫描线圈来控制水平和垂直方向的束斑位置，从而实现对样品表面的扫描。

4. 信号检测和图像重建：当电子束与样品相互作用时，会产生多种不同的信号。

最常用的信号有二次电子（SE）和背散射
电子（BSE）。

二次电子是由被电子束激发的表面原子或分子
所发射的电子。

背散射电子是由高能电子与样品原子核的相互作用而散射产生的电子。

这些信号被探测器捕捉，并转换为电信号传输到图像处理系统。

通过组合并处理这些信号，最终形成高分辨率的样品图像。

5. 系统控制和图像显示：扫描电子显微镜通常配备有相应的系统控制软件，可以实时调整电子束的参数、样品扫描范围和扫
描速度等。

图像可以通过电子束的扫描和控制以及信号检测系统的输出，转化为显示在显示器上的图像。

总结起来，扫描电子显微镜通过利用电子束与样品相互作用并检测所产生的信号，通过电子束的扫描和控制，最终生成高分辨率的样品图像。

超声波扫描显微镜工作原理超声波扫描显微镜，英文是：Scanning Acoustic Microscope，简称SAM，由于它的主要工作模式是C模式，因此也简称：C-SAM。

现在做失效分析的实验室里，这个设备直接被通称为C-SAM，就像X射线透射机被通称为X-Ray一样。

超声波扫描显微镜有两种工作模式：基于超声波脉冲反射和透射模式工作的。

反射模式是主要的工作模式，它的特点是分辨率高，对待测样品厚度的没有限制。

透射模式只在半导体企业中用作器件筛选。

超声显微镜的核心就是带压电陶瓷的微波链，压电陶瓷在射频信号发生的激励下，产生短的声脉冲，随后这些声脉冲被声透镜聚焦在一起，超声波扫描显微镜的这个带压电陶瓷的部件叫换能器，英文是：Transducer。

换能器既能把电信号转换成声波信号，又能把从待测样品反射或透射回来的声波信号转换成电信号，送回系统进行处理。

换能器负责将电磁脉冲转换成声脉冲，离开换能器后，声波被声透镜通过耦合介质（一般是去离子水或无水酒精等）聚焦在样品上。

耦合介质是为了防止超声波信号快速衰减，因为超声波信号在一些稀疏介质中传播是，会快速衰减。

样品置于耦合介质中，只要声波信号在样品表面或者内部遇到声波阻抗介面（如遇到孔隙、气泡、裂纹等），就会发生反射。

换能器接收到反射信号后，会将其转换成电脉冲，超声波信号转换成电脉冲后表征为256级灰度值。

每只换能器都有其特定的超声波频率，凯斯安公司可以针对用户的需要特别配置。

这个过程就是超声波扫描显微镜反射工作模式的基本过程。

另一种超声显微镜的工作模式叫透射模式。

透射扫描时，样品下方要安装另外一只换能器，这只换能器会接收所有完全穿透样品的超声波信号。

根据接收的信号就能还原出各种超声波C扫图像。

超声波显微镜在失效分析中的应用•晶圆面处分层缺陷•锡球、晶圆、或填胶中的开裂•晶圆的倾斜•各种可能之孔洞（晶圆接合面、锡球、填胶…等）超声波显微镜的在失效分析中的优势•非破坏性、无损检测材料或IC芯片内部结构•可分层扫描、多层扫描•实施、直观的图像及分析•缺陷的测量及缺陷面积和数量统计•可显示材料内部的三维图像•对人体是没有伤害的•可检测各种缺陷（裂纹、分层、夹杂物、附着物、空洞、孔洞等）超声波扫描显微镜的应用领域•半导体电子行业：半导体晶圆片、封装器件、大功率器件IGBT、红外器件、光电传感器件、SMT贴片器件、MEMS等;•材料行业：复合材料、镀膜、电镀、注塑、合金、超导材料、陶瓷、金属焊接、摩擦界面等；•生物医学：活体细胞动态研究、骨骼、血管的研究等.。