天游线路检测中心 无铅焊料与铜接合面的三维元素映射
IB2021-03
使用 FIB-SEM 进行三维观察和分析
图。 1 JIB-4700F的外观
组合束加工观察系统（FIB-SEM）是将聚焦离子束加工观察系统（FIB）与扫描电子显微镜（SEM）组合在一起的装置。图1所示为最新复合光束加工观测装置JIB-4700F的外观。通过FIB-SEM，可以在同一样品室中使用SEM观察FIB处理的表面，而无需移动样品。通过扩展该功能，使用FIB以等间隔重复切片，收集并重建每个切片横截面的SEM图像，可以三维观察样品的内部结构（图2）。该功能称为三维视图（3D-View），无论材料还是生物学，它都应用于广泛的领域。此外，FIB-SEM可以安装各种SEM分析附件，并且可以通过安装能量色散X射线光谱仪(EDS)来进行元素分析。通过在 3D-View 功能中使用此功能，可以执行 3D-EDS，收集每个切片的元素图。 3D-EDS 自动重复 FIB 处理、SEM 观察和 EDS 测量的循环（图 3）。 3D-EDS利用样品的各构成元素的图来构建三维图像，因此在仅从SEM图像难以区分成分分布的情况下，这是一种极其有效的方法。
图。 2 使用FIB-SEM进行三维测量的测量原理
图。图3：使用FIB-SEM的3D-EDS示意图
无铅焊料和铜接合面的3D-EDS
近年来，出于环境和健康方面的考虑，除了要求高可靠性的领域外，出现了从共晶焊料向无铅焊料的重大转变。当将焊料焊接至铜基材时，铜和锡的接合表面由于反应扩散现象而通过形成金属间化合物而接合。在评估无铅焊料时，了解金属间化合物和焊料合金的状态是重要的一点之一。FIB-SEM用于处理无铅焊点的横截面，使用背散射电子成分图像观察的结果如图4所示。背散射电子成分图像的对比度由平均原子序数决定，原子序数越大则显得越亮，原子序数越小则显得越暗。左边的暗层是铜，右边的亮层是焊锡（锡），中间铜面的暗中间色调是Cu3锡，焊料侧较亮的半色调是铜6锡5然而，锡或铜6锡5内，但由于平均原子序数接近于锡，对比度差异较小，因此难以判断。图5显示了与图4相同视场的元素映射结果。通过元素映射可以清楚地识别金属间化合物的形状和银颗粒的分布。接下来，该样品的3D-EDS测量结果（三维重建图像）如图6所示。各图像是背散射电子成分图像（左上）、Ag-L线的EDS图（右上，青色）、Cu-L线的EDS图（左下，红色）和Sn-L线的EDS图（右下，绿色）的三维重建图像。使用 3D-EDS，我们能够清楚地观察银颗粒的三维分布，这是使用背散射电子成分图像难以区分的。
图。 4 无铅焊料与铜接合面的背散射电子成分图像
图。 5 无铅焊料与铜接合面的EDS图
红色：Cu-Lα EDS 图，绿色：Sn-Lα EDS 图，蓝色：Ag-Lα EDS 图
图。 6 粘合表面的背散射电子图像和 EDS 图的 3D 重建图像
背散射电子成分图像（左上），Ag-Lα线的EDS图（右上，蓝色）Cu-Lα线的EDS图（左下，红色），Sn-Lα线的EDS图（右下，绿色）
引用
Hideki Matsushima、Yuji Hasebe：“使用离子束制备电子显微镜样品的进展”表面技术，卷。 71，第 4 期，第 288-290 页，(2020)
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