Характеристики межфланцевого соединения - Wafer bond characterization

Вафля характеристика облигаций основан на разных методах и тестах. Принято считать, что вафли имеют большое значение, так как безупречные склеенные вафли. Эти недостатки могут быть вызваны пустота образование на границе раздела из-за неровностей или примеси. Связующее соединение используется для развития соединения пластин или оценки качества изготовленных пластин и датчиков.

Обзор

Межфланцевые соединения обычно характеризуются тремя важными параметрами инкапсуляции: прочность соединения, герметичность инкапсуляции и склеивания вызванных напряжений.^[1]

Прочность сцепления можно оценить с помощью тестов с двойной консолью или шевроном, соответственно, микро-шеврона. Прочие испытания на растяжение, а также на разрыв, прямые испытания на сдвиг или испытания на изгиб позволяют определить прочность сцепления.^[2] Упаковка герметичность характеризуется использованием мембранных, гелиевых, резонаторных / герметичных испытаний.^[1]

Три дополнительных возможности оценить соединение соединения - оптические, электрон и Акустические измерения и приборы. Сначала в оптических методах измерения используется оптический микроскоп, ИК просвечивающая микроскопия и визуальный контроль. Во-вторых, измерение электронов обычно применяется с помощью электронный микроскоп, например сканирующая электронная микроскопия (SEM), электронная микроскопия с высоким коэффициентом пропускания (HVTEM) и сканирующая электронная микроскопия высокого разрешения (HRSEM). И, наконец, типичные подходы к акустическим измерениям: сканирующий акустический микроскоп (SAM), сканирующий лазерный акустический микроскоп (SLAM) и сканирующий акустический микроскоп C-режима (C-SAM).

Подготовка образца сложна, а механические и электронные свойства важны для характеристики и сравнения технологии склеивания.^[3]

Инфракрасная (ИК) просвечивающая микроскопия

Инфракрасный (ИК) визуализация пустот возможна, если анализируемые материалы прозрачны в ИК-диапазоне, т.е. кремний. Этот метод дает быстрое качественное обследование^[4] и очень подходит из-за его чувствительности к поверхности и скрытому интерфейсу. Он получает информацию о химической природе поверхности и интерфейса.

Схема установки для инфракрасной просвечивающей микроскопии.

Инфракрасный проходящий свет основан на том факте, что кремний является полупрозрачным при длине волны ≥ 1,2 мкм. Оборудование состоит из инфракрасной лампы в качестве источника света и инфракрасной видеосистемы (сравните с рисунком «Схема установки инфракрасной просвечивающей микроскопии»).

Система ИК-визуализации позволяет анализировать волны связи и дополнительно микромеханические структуры, а также деформации в кремнии. Эта процедура позволяет также анализировать многослойные связи.^[3] Контрастность изображения зависит от расстояния между вафли. Обычно при использовании монохромный цвет ИК центр пластин отображается ярче в зависимости от близости. Частицы на границе раздела связей образуют хорошо заметные пятна с разным контрастом из-за интерференция (распространение волн) бахрома.^[5] Незакрепленные области могут быть показаны, если размер пустот (высота) ≥ 1 нм.^[4]

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FT-IR)

В Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FT-IR) неразрушающий метод определения герметичности. Поглощение излучения позволяет проводить анализ газов на определенной длине волны.^[6]

Ультразвуковая микроскопия

Ультразвуковая микроскопия использует высокочастотные звуковые волны для изображения связанных интерфейсов. Деионизированная вода используется в качестве акустической соединительной среды между электромагнитный акустический преобразователь и вафля.^[4][7]

Этот метод работает с ультразвуковым датчиком, сканирующим соединение пластины. Отраженный звуковой сигнал используется для создания изображения. Поперечное разрешение зависит от ультразвуковой частоты, диаметра акустического пучка и соотношение сигнал шум (контраст).

Несвязанные участки, то есть загрязнения или пустоты, не отражают ультразвуковой луч, как склеенные участки, поэтому возможна оценка качества склеивания.^[3]

Испытание на двойную консольную балку (DCB)

Испытание двойной консольной балки, также называемый методом раскрытия трещин или методом лезвия бритвы, является методом определения прочности соединения. Это достигается путем определения энергии склеиваемых поверхностей. Между парой склеенных пластин вставляется лезвие определенной толщины. Это приводит к разрыву связи облигаций.^[3] Длина трещины ${\displaystyle L}$ равняется расстоянию между вершиной лопасти и вершиной трещины и определяется с использованием проходящего инфракрасного света. ИК-свет может освещать трещину при использовании материалов, прозрачных для ИК или видимого света.^[8] Если вязкость поверхности излома очень высока, очень трудно вставить лезвие, и пластины могут сломаться при скольжении лезвия.^[3]

Вставка лезвия между склеенными пластинами.^[3]

Испытание DCB характеризует прочность, зависящую от времени, путем оценки механического разрушения и поэтому хорошо подходит для прогнозов срока службы.^[9] Недостатком этого метода является то, что между входом лезвия и временем получения ИК-изображения можно повлиять на результаты. Кроме того, неточность измерения увеличивается с высокой вязкостью поверхности излома, что приводит к меньшей длине трещины или поломке пластин при установке лезвия, а также к влиянию четвертой степени измеренной длины трещины. Измеренная длина трещины определяет поверхностную энергию ${\displaystyle \gamma }$ по отношению к прямоугольному образцу в форме балки.

${\displaystyle \gamma ={\frac {3t_{b}^{2}E_{1}t_{w1}^{3}E_{2}t_{w2}^{3}}{16L^{4}(E_{1}t_{w1}^{3}+E_{2}t_{w2}^{3})}}}$

Таким образом ${\displaystyle E}$ то Модуль для младших, ${\displaystyle t_{w}}$ толщина пластины, ${\displaystyle t_{b}}$ толщина клинка и ${\displaystyle L}$ измеренная длина трещины.^[10] В литературе упоминаются различные модели DCB, то есть подходы к измерению Maszara, Gillis and Gilman, Srawley and Gross, Kanninen или Williams. Чаще всего используются подходы Maszara или Gillis and Gilman.^[8]

Модель Maszara

Модель Maszara не учитывает напряжение сдвига, а также напряжение в неразрезанной части для полученных длин трещин. Соответствие симметричного образца DCB описывается следующим образом:

${\displaystyle C={\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}}$

Податливость определяется по длине трещины. ${\displaystyle L}$, ширина ${\displaystyle w}$ и толщина балки ${\displaystyle t}$. ${\displaystyle E^{*}}$ определяет модуль Юнга. Энергия разрушения поверхности ${\displaystyle G_{IC}}$ является:

${\displaystyle G_{IC}={\frac {3E^{*}\delta ^{2}t^{3}}{16L^{4}}}}$

с ${\displaystyle \delta }$ как смещение точки нагрузки.

Модель Гиллиса и Гилмана

Подход Гиллиса и Гилмана учитывает изгибающие и поперечные силы в балке. Уравнение соответствия:

${\displaystyle C={\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}\left(1+3c\left({\frac {t}{L}}\right)^{2-n}+{\frac {\alpha _{s}E^{*}}{4\mu }}\left({\frac {t}{L}}\right)^{2}\right)}$

Первый срок ${\displaystyle {\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}}$ описывает энергию деформации кантилевера из-за изгиба. Второй член представляет собой вклад от упругих деформаций в неотколотой части образца, а третий член учитывает деформацию сдвига. Следовательно, ${\displaystyle n}$ и ${\displaystyle c}$ зависят от состояния закрепленного конца кантилевера. Коэффициент сдвига ${\displaystyle \alpha _{S}}$ зависит от геометрии поперечного сечения балки.

Шеврон тест

В шеврон тест используется для определения вязкости разрушения ${\displaystyle K_{IC}}$ хрупких строительных материалов. Вязкость разрушения является основным параметром материала для анализа прочности связи.

В шевронном тесте используется особая геометрия надреза для образца, который нагружается с возрастающей силой растяжения. Геометрия шевронного паза обычно имеет форму треугольника с различными узорами скрепления. При определенной растягивающей нагрузке трещина начинается на вершине шеврона и растет при непрерывной приложенной нагрузке, пока не будет достигнута критическая длина.^[11] Рост трещины становится неустойчивым и ускоряется, что приводит к разрушению образца.^[8] Критическая длина зависит только от геометрии образца и условий нагружения. Вязкость разрушения обычно ${\displaystyle K_{IC}}$ определяется путем измерения зарегистрированной нагрузки на разрушение при испытании. Это улучшает качество и точность теста и уменьшает разброс измерений.^[11]

Два подхода, основанные на скорости выделения энергии ${\displaystyle G_{I}}$ или коэффициент интенсивности напряжений ${\displaystyle K_{I}}$, можно использовать для объяснения метода проверки шевроном.^[8] Перелом происходит при ${\displaystyle K_{I}}$ или же ${\displaystyle G_{I}}$ достичь критического значения, описывающего вязкость разрушения ${\displaystyle K_{IC}}$ или же ${\displaystyle G_{IC}}$.Преимущество использования образца с шевронным надрезом связано с образованием заданной трещины четко определенной длины.^[12] Недостатком этого подхода является то, что склейка, необходимая для загрузки, занимает много времени и может вызвать разброс данных из-за несовпадения.^[8]

Шеврон тест

Схема шевронной испытательной установки.^[8]

Схема образца шевронной насечки.^[8]

Схема шевронного образца с надрезом и трещиной по Багдану.^[12]

Тест на микрошеврон (MC)

В микрошевронный (MC) тест представляет собой модификацию шевронного теста с использованием образца определенного и воспроизводимого размера и формы. Тест позволяет определить критическую скорость выделения энергии. ${\displaystyle G_{IC}}$ и критическая вязкость разрушения ${\displaystyle K_{IC}}$.^[13] Он обычно используется для характеристики прочности соединения пластин, а также надежности. Характеристика надежности определяется на основании механической оценки критического разрушения.^[9] Оценка определяется путем анализа вязкости разрушения, а также сопротивления распространению трещин.^[10]

Вязкость разрушения позволяет сравнивать прочностные характеристики независимо от конкретной геометрии образца.^[12] Кроме того, может быть определена прочность сцепления на стыке.^[11] Образец шеврона выполнен из склеенных полос в форме треугольника. Пространство вершины треугольника шевронной структуры используется как плечо рычага для приложенной силы. Это снижает усилие, необходимое для возникновения трещины. Размеры микрошевронных структур находятся в диапазоне нескольких миллиметров и обычно составляют шевронную выемку под углом 70 °.^[13] Этот шевронный узор изготавливается с помощью влажного или реактивного ионного травления.^[12]

MC-тест наносится специальным штампом-образцом, наклеиваемым на незакрепленный край обрабатываемых конструкций. Образец загружается в прибор для испытания на растяжение, и нагрузка прикладывается перпендикулярно склеиваемой области. Когда нагрузка соответствует максимально допустимым условиям, на конце шевронной выемки образуется трещина.^[13]

Увеличивая механическое напряжение за счет более высокой нагрузки, можно наблюдать два противоположных эффекта. Во-первых, сопротивление расширению трещины увеличивается за счет увеличения сцепления первой половины шевронного рисунка треугольной формы. Во-вторых, плечо рычага удлиняется с увеличением длины трещины. ${\displaystyle a}$. От критической длины трещины ${\displaystyle a_{c}}$ начинается неустойчивое расширение трещины и разрушение образца.^[13] Критическая длина трещины ${\displaystyle a_{c}}$ соответствует максимальной силе ${\displaystyle F_{max}}$ в диаграмме сила-длина и минимум геометрической функции ${\displaystyle Y_{MIN}}$.^[14]

Вязкость разрушения ${\displaystyle K_{IC}}$ можно рассчитать с максимальной силой, шириной ${\displaystyle w}$ и толщина ${\displaystyle t}$:

${\displaystyle K_{IC}={\frac {F_{MAX}}{t\cdot {\sqrt {w}}}}\cdot Y_{MIN}}$

Максимальная сила ${\displaystyle F_{MAX}}$ определяется в процессе испытания и минимальный коэффициент интенсивности напряжений ${\displaystyle Y_{MIN}}$ определяется FE Simulation.^[15] Кроме того, скорость выделения энергии ${\displaystyle G_{IC}}$ можно определить с помощью ${\displaystyle E}$ как модуль упругости и ${\displaystyle v}$ как коэффициент Пуассона следующим образом ».^[13]

${\displaystyle G_{IC}={\frac {K_{IC}^{2}}{E}}\cdot (1-v^{2})}$

Преимущество этого испытания - высокая точность по сравнению с другими испытаниями на растяжение или изгиб. Это эффективный, надежный и точный подход к разработке соединений пластин, а также к контролю качества производства микромеханических устройств.^[12]

Тестирование облигаций

Измерение прочности сцепления или испытание сцепления выполняется двумя основными методами: испытание на растяжение и испытание на сдвиг. И то, и другое может быть выполнено деструктивно, что более распространено (также на уровне пластины), или неразрушающим образом. Они используются для определения целостности материалов и производственных процессов, а также для оценки общих характеристик склеивающего каркаса, а также для сравнения различных технологий склеивания друг с другом. Успешность или неудача соединения основывается на измерении приложенной силы, типа разрушения из-за приложенной силы и внешнего вида использованной остаточной среды.

Разработка испытаний прочности сцепления композитных конструкций с клеевым соединением. лазерная проверка связи (LBI). LBI обеспечивает коэффициент относительной прочности, полученный из уровня плотности энергии лазерного излучения, подаваемого на материал для испытания на прочность, по сравнению с прочностью соединений, предварительно испытанных механически при той же плотности энергии лазера. LBI обеспечивает неразрушающий контроль соединений, которые были должным образом подготовлены и соответствуют техническим требованиям.^[16]

Тестирование методом вытягивания

USB-пинцет для выполнения холодного отжима (CPB) на тестере сцепления

Измерение прочности сцепления путем испытания на разрыв часто является лучшим способом определить интересующий вас режим разрушения. Кроме того, в отличие от испытания на сдвиг, когда соединение отделяется, поверхности излома отрываются друг от друга, что обеспечивает точный анализ характера отказа. Чтобы натянуть соединение, необходимо захватить подложку и межсоединение; из-за размера, формы и свойств материала это может быть затруднительно, особенно для межсоединений. В этих случаях набор точно сформированных и выровненных наконечников пинцета с точным контролем их открытия и закрытия, вероятно, будет иметь значение между успехом и неудачей.^[17]

Самый распространенный тип испытаний на отрыв - испытание на отрыв проволоки. Испытание на растяжение проволоки прикладывает направленную вверх силу под проволоку, эффективно отрывая ее от подложки или матрицы.

Испытание на сдвиг

Испытание на сдвиг - это альтернативный метод определения прочности, которую может выдержать соединение. Существуют различные варианты испытаний на сдвиг. Как и в случае тестирования по запросу, цель состоит в том, чтобы воссоздать интересующий режим отказа в тесте. Если это невозможно, оператору следует сосредоточиться на максимально возможной нагрузке на связку.^[18]

Интерферометры белого света

Интерферометрия белого света обычно используется для обнаружения деформаций поверхности пластины на основе оптических измерений. Свет с низкой когерентностью от источника белого света проходит через верхнюю оптическую пластину, например стеклянная пластина к границе соединения. Обычно существует три разных интерферометра белого света:

• интерферометры с дифракционной решеткой
• интерферометры вертикального сканирования или когерентного зонда
• пластинчатые интерферометры рассеяния белого света

Для интерферометра белого света положение интерференционной полосы нулевого порядка и расстояние между интерференционными полосами не должны зависеть от длины волны.^[19]Интерферометрия белого света используется для обнаружения деформаций пластины. Свет с низкой когерентностью от источника белого света проходит через верхнюю пластину к датчику. Белый свет генерируется галогенной лампой и модулируется. Спектр отраженного света полости датчика регистрируется спектрометром. Захваченный спектр используется для определения длины полости датчика. Длина полости d соответствует приложенному давлению и определяется спектром отражения света датчика. Это значение давления впоследствии отображается на экране. Длина полости ${\displaystyle d}$ определяется с использованием

${\displaystyle d={\frac {\lambda _{1}\lambda _{2}}{2n(\lambda _{2}-\lambda _{1})}}}$

с ${\displaystyle n}$ как показатель преломления материала полости датчика, ${\displaystyle \lambda _{1}}$ и ${\displaystyle \lambda _{2}}$ как соседние пики в спектре отражения.

Преимущество использования интерферометрии в белом свете в качестве метода определения характеристик заключается в уменьшении влияния потерь на изгибе.^[20]

Рекомендации

1. Хан, М. Ф., Гаванини, Ф. А., Хаасл, С., Лёфгрен, Л., Перссон, К., Русу, К., Шьёльберг-Хенриксен, К., и Энокссон, П. (2010). «Методы определения характеристик инкапсуляции на уровне пластины, применяемой на кремнии для анодного соединения LTCC». Журнал микромеханики и микротехники. 20 (6): 064020. Дои:10.1088/0960-1317/20/6/064020.
2. Цуй, З. (2008). «Анодное соединение». В Ли Д. (ред.). Энциклопедия микрофлюидики и нанофлюидики. Springer Science + Business Media, LLC. стр.50 –54. ISBN  978-0-387-48998-8.
3. Мак, С. (1997). Eine vergleichende Untersuchung der physikalisch-chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und anodischer verbundener Festkörper (Отчет). Йена: Институт Макса Планка. ISBN  3-18-343602-7.
4. Фарренс, С. (2008). "Упаковка уровня вафель на металлической основе". Глобальный SMT и упаковка.
5. Велдон, М. К., Марсико, В. Е. и Чабал, Ю. Дж., Хаманн, Д. Р., Кристман, С. Б. и Чабан, Е. Е. (1996). «Инфракрасная спектроскопия как исследование фундаментальных процессов в микроэлектронике: очистка и соединение кремниевых пластин». Наука о поверхности. 368 (1–3): 163–178. Дои:10.1016 / S0039-6028 (96) 01046-1.
6. Линь, Ю.-К. и Баум, М., Хобольд, М., Фромель, Дж. и Вимер, М., и Гесснер, Т., и Эсаши, М. (2009). «Разработка и оценка эвтектического склеивания пластин AuSi». Конференция по твердотельным датчикам, исполнительным элементам и микросистемам, 2009. ДАТЧИКИ 2009. International. С. 244–247. Дои:10.1109 / ДАТЧИК.2009.5285519.
7. Суд, С., Томас, Р. и Адамс, Т. (2008). «Акустическая характеристика склеенных пластин». Транзакции ECS. 16 (8): 425–428. Дои:10.1149/1.2982896.
8. Валлин, О. и Йонссон, К., Линдберг, У. (2005). «Методы количественного определения адгезии для склеивания пластин». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты. 50 (4–5): 109–165. Дои:10.1016 / j.mser.2005.07.002.
9. Нётцольд, К., Граф, Дж. И Мюллер-Фидлер, Р. (2008). «Испытание на четырехточечный изгиб для оценки стабильности формованных микросенсоров со стеклянной фриттой». Надежность микроэлектроники. 48 (8–9): 1562–1566. Дои:10.1016 / j.microrel.2008.07.001.
10. Вюнш, Д., Мюллер, Б., Вимер, М., Гесснер, Т., и Мишке, Х. (май 2010 г.). "Aktivierung mittels Niederdruckplasma zur Herstellung von Si-Verbunden im Niedertemperatur-Bereich und deren Charakterisierung mittels Mikro-Chevron-Test". Technologien und Werkstoffe der Mikrosystem- und Nanotechnik (GMM-Fachbereicht Band 65). Дармштадт: VDE Verlag GmbH Berlin Offenbach. С. 66–71. ISBN  978-3-8007-3253-1.
11. Вимер, М., Фромель, Дж., Ченпинг, Дж., Хаубольд, М., и Гесснер, Т. (2008). «Вафельные технологии и оценка качества». Конференция по электронным компонентам и технологиям, 2008 г. ECTC 2008. 58-е. С. 319–324. Дои:10.1109 / ECTC.2008.4549989.
12. Петцольд, М., Кнолль, Х. и Багдан, Дж. (2001). «Оценка прочности микромеханических компонентов, скрепленных пластинами, с помощью теста Micro-Chevron-Test». Надежность, тестирование и характеристика MEMS / MOEMS. Дои:10.1117/12.442994.
13. Шнайдер, А., Ранк, Х., Мюллер-Фидлер, Р., Виттлер, О., Райхль, Х. (2009). "Stabilitätsbewertung eutektisch gebondeter Sensorstrukturen auf Waferlevel". В Hermann, G. (ред.). 9. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik. С. 51–56.
14. Петцольд, М., Дресбах, К., Эберт, М., Багдан, Дж., И Вимер, М., и Глиен, К., и Граф, Дж., И Мюллер-Фидлер, Р. и Хёфер, Х. (2006). «Исследование механического ресурса разрушения сенсоров со стеклянной фриттой». Десятая международная конференция по тепловым и термомеханическим явлениям в электронных системах, 2006 г. ITHERM '06. С. 1343–1348. Дои:10.1109 / ITHERM.2006.1645501.
15. Фогель, К., Вюнш, Д., Шапорин, А., Менер, Дж., Биллеп, Д., Вимер, Д. (2010). "Распространение трещин в образцах микрошевронных испытаний кремний-кремниевых пластин с прямым соединением". 9-й Молодежный симпозиум по экспериментальной механике твердого тела. С. 44–47.
16. https://www.academia.edu/3698271/Adhesive_Bond_Testing_By_Laser_Induced_Shock_Waves
17. Сайкс, Боб (май 2014 г.). «Достижения в испытании на вытягивание пинцетом». Обзор шкалы чипов.
18. Сайкс, Боб (июнь 2010 г.). "Зачем тестировать облигации?". Журнал Global SMT & Packaging.
19. Вайант, Дж. К. (2002). «Интерферометрия белого света». Труды SPIE. 4737: 98–107. Дои:10.1117/12.474947. S2CID  123532345.
20. Тоцу, К., Хага, Ю. и Эсаши, М. (2005). «Ультраминиатюрный волоконно-оптический датчик давления с использованием интерферометрии белого света». Журнал микромеханики и микротехники. 15 (1): 71–75. Дои:10.1088/0960-1317/15/1/011.