扫描电子显微镜（SEM）在失效分析中的应用

 

No.1 引言
 

扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为SEM 。它利用细聚焦的电子束，轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等，对样品表面或断口形貌进行观察和分析。

在失效分析中，SEM有广泛的应用场景，其在确定失效分析模式、查找失效成因方面发挥着举足轻重的作用。

No.2 工作原理

扫描电镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大数百倍。由于图像景深大，因此扫描得出的电子像富有立体感，具有三维形态。相较于其他显微镜，能够提供更多的信息。

No.3 电子信号

二次电子（SEI）是指被入射电子轰击出来的核外电子。它主要来自于距离表面小于10nm的浅层区域，能有效地显示试样表面的微观形貌，且与原子序数的相关性不大，一般用来表征样品表面的形貌。

背散射电子（BEI）是指入射电子与样品相互作用之后，再次逸出样品表面的高能电子。相较于二次电子，背散射电子与组成样品的原子序数呈正相关，且采集的深度更深，主要用于反映样品的元素特征。

SEI与BEI图像对比

SEI

BEI

No.4 实际应用及案例

SEM在失效分析中主要的应用场景：

表面形貌观察（异物）

断面观察（IMC、富磷层等）

断口分析（金属断裂面纹路分析）

知识课堂

Q：什么是失效分析？

A：所谓失效分析就是基于失效现象，通过信息收集、外观检查、以及电气性能测试等，确定失效位置和可能的失效模式，即失效定位；

然后针对失效模式，采取一系列的分析手段展开原因分析，并进行根因验证；

最后根据分析过程所获得的测试数据，编制分析报告并提出改善建议。

实际分析应用案例

1.金属间化合物IMC观察与测量

焊接需要依靠在结合面上生成的合金层即IMC层，实现连接强度要求。因扩散形成的IMC，其生长形态多种多样，对于结合部的物理性能、化学性能，尤其是机械性能、抗蚀性能等，有着独特的影响。而且IMC过厚过薄都会影响焊接的强度。

2.富磷层观察与测量

经化学镍金（ENIG）处理过的焊盘，在Ni参与合金化后，多余的磷会富集下来，集中在合金层边缘，形成富磷层。如果富磷层足够厚，焊点的可靠性将会大打折扣。

3.金属断口分析

通过断口的形态，分析一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。

4.镍腐蚀（黑盘）现象观察

从断裂面观察到腐蚀裂纹（泥浆裂缝）以及剥金后的镍层表面，存在大量黑点和裂纹，即为镍腐蚀。观察镍层断面处的形貌，可以观察到连续的镍腐蚀，进一步确认该可焊性不良板存在镍腐蚀现象，且镍腐蚀处的IMC生长异常，致使其可焊性不良。

No.5 总结

从上述可见，在整个失效分析过程中，SEM分析的结果是重要的失效判断依据。依此，作出下一步的分析与推断，进而帮助失效分析工作找到针对性的改进或预防措施，最终在失效分析工作过程中形成闭环。

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审核编辑 黄昊宇