掃描電子顯微鏡（SEM）在失效分析中的應(yīng)用

No.1 引言

掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英文縮寫為SEM 。它利用細(xì)聚焦的電子束，轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等，對樣品表面或斷口形貌進行觀察和分析。

在失效分析中，SEM有廣泛的應(yīng)用場景，其在確定失效分析模式、查找失效成因方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。

掃描電鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍，比光學(xué)顯微鏡大數(shù)百倍。由于圖像景深大，因此掃描得出的電子像富有立體感，具有三維形態(tài)。相較于其他顯微鏡，能夠提供更多的信息。

二次電子（SEI）是指被入射電子轟擊出來的核外電子。它主要來自于距離表面小于10nm的淺層區(qū)域，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌，且與原子序數(shù)的相關(guān)性不大，一般用來表征樣品表面的形貌。

背散射電子（BEI）是指入射電子與樣品相互作用之后，再次逸出樣品表面的高能電子。相較于二次電子，背散射電子與組成樣品的原子序數(shù)呈正相關(guān)，且采集的深度更深，主要用于反映樣品的元素特征。

SEM在失效分析中主要的應(yīng)用場景：

• 表面形貌觀察（異物）

• 斷面觀察（IMC、富磷層等）

• 斷口分析（金屬斷裂面紋路分析）

Q：什么是失效分析？

A：所謂失效分析就是基于失效現(xiàn)象，通過信息收集、外觀檢查、以及電氣性能測試等，確定失效位置和可能的失效模式，即失效定位；

然后針對失效模式，采取一系列的分析手段展開原因分析，并進行根因驗證；

最后根據(jù)分析過程所獲得的測試數(shù)據(jù)，編制分析報告并提出改善建議。

焊接需要依靠在結(jié)合面上生成的合金層即IMC層，實現(xiàn)連接強度要求。因擴散形成的IMC，其生長形態(tài)多種多樣，對于結(jié)合部的物理性能、化學(xué)性能，尤其是機械性能、抗蝕性能等，有著獨特的影響。而且IMC過厚過薄都會影響焊接的強度。

經(jīng)化學(xué)鎳金（ENIG）處理過的焊盤，在Ni參與合金化后，多余的磷會富集下來，集中在合金層邊緣，形成富磷層。如果富磷層足夠厚，焊點的可靠性將會大打折扣。

通過斷口的形態(tài)，分析一些斷裂的基本問題：如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴展速率等。斷口分析現(xiàn)已成為對金屬構(gòu)件進行失效分析的重要手段。

從斷裂面觀察到腐蝕裂紋（泥漿裂縫）以及剝金后的鎳層表面，存在大量黑點和裂紋，即為鎳腐蝕。觀察鎳層斷面處的形貌，可以觀察到連續(xù)的鎳腐蝕，進一步確認(rèn)該可焊性不良板存在鎳腐蝕現(xiàn)象，且鎳腐蝕處的IMC生長異常，致使其可焊性不良。

從上述可見，在整個失效分析過程中，SEM分析的結(jié)果是重要的失效判斷依據(jù)。依此，作出下一步的分析與推斷，進而幫助失效分析工作找到針對性的改進或預(yù)防措施，最終在失效分析工作過程中形成閉環(huán)。

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