低温等离子体剥蚀-电感耦合等离子体质谱联用对电路板镀层的深度分析.pdf

第43卷
分析化学( FENXI HUAXUE)研究报告
第5期
2015年5月
Chinese Joural of Analytical Chemistr
709~713
DOI:10.1I85/j.isnの3380.150070
低温等离子体剥蚀-电感耦合等离子体质谱联用
对电路板镀层的深度分析
杨萌李铭薛蛟赵欣2黄秀冯璐!邢志
(清华大学化学系,北京,100084)(聚光科技(杭州)股份有限公司,杭州,310052)
摘要建立了基于低温等离子体( Low temperature plasma)剥蚀系统将固体样品直接引人电感耦合等离子
体质谱(ICP-MS)并用于电路板镀层中Au,M和Cu的深度分析。此实验中采用介质阻挡放电(DBD)方式产
生低温等离子体探针,逐层剥蚀样品表面,由 ICPMS检测元素信号。对DBD所用放电气体种类、外加电场
功率、放电气体流速和采样深度等实验条件进行优化。在优化条件下,应用LTP- ICPMS在30s内完成电路
板镀层(20umAu/10umNi/Cu基底)的逐层剥蚀和深度分析,元素种类和分层顺序与X射线光电子能谱
(XPS)相吻合,镀层的分辨率可拓展至微米水平,表明此技术可直接用于固体样品的深度分析。
关键词低温等离子体;介质阻挡放电;剥蚀;深度分析;电路板;电感耦合等离子体质谱
1引言
金属镀层在电子设备产品中的应用已经越来越普遍和重要,在电子设备的电路板中,镀有稀有
金属的连接触头是各种模块互连的关键部件,如PCB金手指就是内存处理单元的所有数据流、电子流
与内存插槽的连接点。因此,其镀层的化学成分及镀层元素的纵向深度剖面分布与电路板的耐蚀性
导电性、内存连接等使用性能紧密相关2。
近年来,现有的检测技术通过光子、电子或离子与样品表面相互作用的原理已广泛应用于深度剖
面分析。例如,二次离子质谱技术(SIMS)、俄歇电子能谱(AES)、激光诱导击穿光谱(LIBS)5?,
辉光放电光谱(GD-OES)7,和激光烧蚀电感耦合等离子体质谱(ILA-ICP-MS)?。然而,这些技术存在
不同程度的缺陷,例如SIMS和AES对样品要求苛刻,所使用样品表面的光滑程度对分析结果影响很
大,分析较大厚度的样品(>10m)时耗费时间长の;LBS和GD-OES分辨率较低,光谱干扰较
多リ;LA-ICP-MS需要高功率设备,操作条件复杂,价格昂贵2]。所以,建立快速简便的深度分析
是目前的研究热点。
大气压下的惰性气体介质阻挡放电技术可以产生稳定的低温等离子体(LTP)「?,采用筒式结构即
可形成低温等离子体探针,直接用于固体样品表面剥蚀和溅射,与 ICPMS仪器联用,可以完成固体样
品元素的微区分析"3-1?。将LTP探针与三维样品移动平台数据软件控制系统,显微放大视频可见系
统相结合,制成LTP固体样品直接进样系统装置,此装置具有结构简单、易操作、无需真空环境、功耗
低、可用于绝缘的样品和导电的样品等优点,进一步提高了此技术的普遍实用性和应用范围。
本实验将LIP固体直接进样系统装置与ICP-MS联用,应用于电路板镀层深度分析。LTP可以逐
层有效剥蚀样品表面, ICPMS可以有较好的灵敏度分析痕量元素11?,二者联用可以达到深度分析所
需的灵敏度和分辨率,并能在短时间内(小于1s/pm)完成镀层的深度分析,目前尚未有将此系统用于
较大厚度范围多层镀膜分析的报道。
2实验部分
2.1仪器与试剂
实验采用了自行研制的低温等离子体固体样品直接引人ICP-MS联用系统装置(LTP- ICPMS)如
2015-01122收稿;20150309接受
本文系国家重大科学仪器设备开发专项(No.2011YQ06010002)和清华大学实验室创新基金(NO.0405)资助
E-mail: xingz@ mail. tsinghua. edu. on
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分析化学
第43卷
图1所示,此装置包括低温等离子体固体样品直接引入系统和 ICPMS(XI," Thermo Fisher,US)检测系
统两大部分。其中低温等离子体固体样品直接引入系统由LTP探针、样品池、三维样品移动平台、数据
软件控制系统和显微放大视频可见系统五部分组成。LTP探针采用筒式DBD放电结构,如图1中LTP
实物图,该结构主要包括石英管(0.8mmi.d.×1.3mmo.d.),管外壁缠绕导线和电极,管内通入He
气。CTP-2000K放电电源(南京苏曼电子有限公司),产生频率10kHz的准正弦高压,施加在金属电极
上作为外加电场。样品池为聚四氟乙烯材质,上下截面为圆形,内径为35mm,外径50mm;池体内部
高度为10mm,样品池腔体的侧壁上的相对位置处分别设有辅助气体进口和出气口,直径为4mm。石
英管与样品池盖体之间通过真空硅脂进行密封配合。三维样品移动平台由数据软件控制系统控制其移
动位移和速率(士±10pm),从而带动LTP探针到达所要分析的区域。显微放大视频可见系统由平板电
脑和摄像头实现,主要采集固体样品图像,使分析区域准确可靠。
图1低温等离子体固体样品直接引入ICP-MS联用系统装置
ig. I Schematic diagram of experiment setup of low temperature plasma(LTP)coupled ICP-MS system
1.摄像头;2.放电气进气管;3.石英管;4.LTP实物图(示意图虚线圆圈部分);5.外加电场;6.平板电脑;
7.LTP探针;8,载气进气管;9.样品:10.移动平台;11.载气出气管;12.样品池;13.金属电极。
1. Camera; 2. Electrical discharge air inlet pipe; 3. Quartz tube; 4. L TP photo(schematic diagram of the dotted circle
part); 5. Electric field; 6. Computer; 7. L TP probe; 8.Carrier gas inlet pipe; 9. Samples; 10. Mobile platform
11. Carrier gas outlet pipe: 12. Sample pool; 13. Electrodes
样品选用Au片(纯度>99.999%),低合金钢标样
(BHI315-1A和BH3061A,鞍山钢铁公司钢铁研究院),
市售电路板(型号:E132041),所使用试剂为氮气(纯度>
99.996%),氩气(纯度99.996%),乙醇(分析纯,北京化
工厂)。SEM4 pi Silicon Drift X- Ray Detector(SU8010
HITACHI)用于结果对照实验。
2.2实验步骤及条件
将Au片低合金钢标样及电路板镀层(此实验选取金
手指部分)用乙醇清洗表面,自然风干待测。将待测样品置
于样品池底部,用系统自带图像采集系统采集图像(图2),
设定所要分析的区域,调节仪器的各个参数进行检测。仪
器主要工作参数见表1。
图2样品图像(放大倍数10x10)
2.3实验方法
Fig 2 Image of sample(Magnification 10x10)
根据所要测定元素和剥蚀厚度选择放电功率,放电气
体流速和采样深度。将样品固定于样品池,然后用LTP- ICPMS装置的可视化程序进行剥蚀定位,通过

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