Характеристика связи пластин

Характеристика соединения пластин основана на различных методах и испытаниях. Высокое значение пластины придается успешному соединению пластин без дефектов. Эти дефекты могут быть вызваны образованием пустот в интерфейсе из-за неровностей или примесей . Соединение характеризуется для развития соединения пластины или оценки качества изготовленных пластин и датчиков.

Обзор

Связи пластин обычно характеризуются тремя важными параметрами инкапсуляции: прочностью связи, герметичностью инкапсуляции и напряжением, вызванным склеиванием. [1]

Прочность связи можно оценить с помощью двухконсольных балочных или шевронных испытаний соответственно микрошевронных испытаний. Другие испытания на растяжение, а также испытания на разрыв, прямой сдвиг или испытания на изгиб позволяют определить прочность связи. [2] Герметичность упаковки характеризуется с помощью мембранных испытаний, испытаний на утечку гелия, резонаторных испытаний/испытаний на давление. [1]

Три дополнительных возможности оценки связи связи - это оптические, электронные и акустические измерения и приборы . Во-первых, оптические методы измерения используют оптический микроскоп , ИК-микроскопию пропускания и визуальный осмотр. Во-вторых, электронное измерение обычно применяется с использованием электронного микроскопа , например, сканирующей электронной микроскопии (SEM), высоковольтной пропускающей электронной микроскопии (HVTEM) и сканирующей электронной микроскопии 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 образцов является сложной, а механические и электронные свойства важны для характеристики и сравнения технологий соединения. [3]

Инфракрасная (ИК) трансмиссионная микроскопия

Инфракрасная (ИК) визуализация пустот возможна, если анализируемые материалы прозрачны для ИК-излучения, например, кремний . Этот метод обеспечивает быстрое качественное исследование [4] и очень удобен благодаря своей чувствительности к поверхности и скрытому интерфейсу. Он позволяет получить информацию о химической природе поверхности и интерфейса.

Схема установки 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 «Схематическая установка инфракрасной просвечивающей микроскопии»).

Система ИК-визуализации позволяет анализировать волну связи и дополнительно микромеханические структуры, а также деформации в кремнии. Эта процедура также позволяет анализировать многослойные связи. [3] Контрастность изображения зависит от расстояния между пластинами . Обычно при использовании монохроматического цветного ИК-излучения центр пластин отображается ярче в зависимости от близости. Частицы в интерфейсе связи создают хорошо видимые пятна с различным контрастом из-за интерференционных (волновых) полос. [5] Несвязанные области могут быть показаны, если отверстие пустоты (высота) ≥ 1 нм. [4]

Фурье-ИК-спектроскопия (FT-IR)

Фурье -преобразование инфракрасной (FT-IR) спектроскопии является неразрушающим методом определения герметичности. Поглощение излучения позволяет проводить анализ с определенной длиной волны для газов. [6]

Ультразвуковая микроскопия

Ультразвуковая микроскопия использует высокочастотные звуковые волны для визуализации связанных интерфейсов. Деионизированная вода используется в качестве акустической соединительной среды между электромагнитным акустическим преобразователем и пластиной. [4] [7]

Этот метод работает с ультразвуковым преобразователем, сканирующим соединение пластин. Отраженный звуковой сигнал используется для создания изображения. Латеральное разрешение зависит от ультразвуковой частоты, диаметра акустического луча и соотношения сигнал/шум (контрастности).

Несвязанные области, т.е. примеси или пустоты, не отражают ультразвуковой луч, как склеенные области, поэтому возможна оценка качества соединения. [3]

Испытание двойной консольной балки (DCB)

Испытание двойной консольной балки , также называемое методом раскрытия трещины или лезвия бритвы, является методом определения прочности связи. Это достигается путем определения энергии связанных поверхностей. Лезвие определенной толщины вставляется между парой связанных пластин. Это приводит к разделению соединения связи. [3] Длина трещины равна расстоянию между кончиком лезвия и кончиком трещины и определяется с помощью ИК-пропускаемого света. ИК-свет способен освещать трещину при использовании материалов, прозрачных для ИК- или видимого света. [8] Если прочность поверхности разрушения очень высока, очень трудно вставить лезвие, и пластины подвергаются опасности сломаться при скольжении лезвия. [3] Л {\displaystyle L}

Вставка лезвия между склеенными пластинами. [3]

Испытание DCB характеризует прочность, зависящую от времени, путем оценки механического разрушения и, следовательно, хорошо подходит для прогнозирования срока службы. [9] Недостатком этого метода является то, что между вводом лезвия и временем получения ИК-изображения результаты могут быть подвержены влиянию. Кроме того, погрешность измерения увеличивается с высокой вязкостью разрушения поверхности, что приводит к меньшей длине трещины или сломанным пластинам при вставке лезвия, а также к влиянию четвертой степени измеренной длины трещины. Измеренная длина трещины определяет поверхностную энергию по отношению к прямоугольному образцу в форме балки. γ {\displaystyle \гамма}

γ = 3 т б 2 Э 1 т ж 1 3 Э 2 т ж 2 3 16 Л 4 ( Э 1 т ж 1 3 + Э 2 т ж 2 3 ) {\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})}}}

При этом модуль Юнга , толщина пластины, толщина лезвия и измеренная длина трещины. [10] В литературе упоминаются различные модели DCB, т.е. подходы к измерению по Мазаре, Джиллису и Гилману, Сроули и Гроссу, Каннинену или Уильямсу. Наиболее часто используемые подходы — по Мазаре или Джиллису и Гилману. [8] E {\displaystyle E} t w {\displaystyle t_{w}} t b {\displaystyle t_{b}} L {\displaystyle L}

Модель Мазара

Модель Maszara не учитывает касательное напряжение, а также напряжение в нерасколотой части для полученных длин трещин. Податливость симметричного образца DCB описывается следующим образом:

C = 8 L 3 E ∗ w t 3 {\displaystyle C={\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}}

Податливость определяется из длины трещины , ширины и толщины балки . определяет модуль Юнга. Энергия разрушения поверхности равна: L {\displaystyle L} w {\displaystyle w} t {\displaystyle t} E ∗ {\displaystyle E^{*}} G I C {\displaystyle G_{IC}}

G I C = 3 E ∗ δ 2 t 3 16 L 4 {\displaystyle G_{IC}={\frac {3E^{*}\delta ^{2}t^{3}}{16L^{4}}}}

с перемещением точки нагрузки. δ {\displaystyle \delta }

Модель Джиллиса и Гилмана

Подход Джиллиса и Гилмана учитывает изгибающие и сдвигающие силы в балке. Уравнение податливости имеет вид:

C = 8 L 3 E ∗ w t 3 ( 1 + 3 c ( t L ) 2 − n + α s E ∗ 4 μ ( t L ) 2 ) {\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 член описывает энергию деформации в консоли из-за изгиба. Второй член представляет собой вклад упругих деформаций в нерасщепленной части образца, а третий член учитывает деформацию сдвига. Таким образом, и зависят от условий закрепленного конца консоли. Коэффициент сдвига зависит от геометрии поперечного сечения балки. 8 L 3 E ∗ w t 3 {\displaystyle {\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}} n {\displaystyle n} c {\displaystyle c} α S {\displaystyle \alpha _{S}}

Шевронный тест

Тест шеврона используется для определения вязкости разрушения хрупких строительных материалов. Вязкость разрушения является основным параметром материала для анализа прочности связи. K I C {\displaystyle K_{IC}}

В шевронном тесте используется специальная геометрия надреза для образца, который нагружается с возрастающей силой растяжения. Геометрия шевронного надреза обычно имеет форму треугольника с различными схемами связи. При определенной нагрузке растяжения трещина начинается на кончике шеврона и растет с непрерывной приложенной нагрузкой до тех пор, пока не будет достигнута критическая длина. [11] Рост трещины становится нестабильным и ускоряется, что приводит к разрушению образца. [8] Критическая длина зависит только от геометрии образца и условий нагрузки. Вязкость разрушения обычно определяется путем измерения зарегистрированной нагрузки разрушения испытания. Это улучшает качество и точность испытания и уменьшает разброс измерений. [11] K I C {\displaystyle K_{IC}}

Для объяснения метода шевронного испытания можно использовать два подхода, основанные на скорости высвобождения энергии или коэффициенте интенсивности напряжений . [8] Разрушение происходит, когда или достигают критического значения, описывающего вязкость разрушения или . Преимущество использования образца с шевронным надрезом обусловлено образованием заданной трещины четко определенной длины. [12] Недостатком подхода является то, что склеивание, необходимое для нагрузки, занимает много времени и может привести к разбросу данных из-за несоосности. [8] G I {\displaystyle G_{I}} K I {\displaystyle K_{I}} K I {\displaystyle K_{I}} G I {\displaystyle G_{I}} K I C {\displaystyle K_{IC}} G I C {\displaystyle G_{IC}}

Шевронный тест

Микрошевронный (MC) тест

Микрошевронный (MC) тест является модификацией шевронного теста с использованием образца определенного и воспроизводимого размера и формы. Тест позволяет определить критическую скорость высвобождения энергии и критическую вязкость разрушения . [13] Он обычно используется для характеристики прочности связи пластины, а также надежности. Характеристика надежности определяется на основе механической оценки разрушения критического отказа. [9] Оценка определяется путем анализа вязкости разрушения, а также сопротивления распространению трещин. [10] G I C {\displaystyle G_{IC}} K I C {\displaystyle K_{IC}}

Вязкость разрушения позволяет сравнивать прочностные свойства независимо от конкретной геометрии образца. [12] Кроме того, можно определить прочность связи связанного интерфейса. [11] Образец шеврона разработан из связанных полос в форме треугольника. Пространство вершины треугольника шевронной структуры используется в качестве плеча рычага для приложенной силы. Это уменьшает силу, необходимую для инициирования трещины. Размеры микрошевронных структур находятся в диапазоне нескольких миллиметров и обычно имеют угол шевронной выемки 70 °. [13] Этот шевронный рисунок изготавливается с помощью влажного или реактивного ионного травления. [12]

Испытание MC проводится с помощью специального штампа образца, наклеенного на не склеенный край обработанных конструкций. Образец загружается в испытательную машину на растяжение, и нагрузка прикладывается перпендикулярно склеенной области. Когда нагрузка достигает максимально допустимых условий, на кончике шевронного надреза образуется трещина. [13]

При увеличении механического напряжения посредством более высокой нагрузки можно наблюдать два противоположных эффекта. Во-первых, сопротивление расширению трещины увеличивается на основе увеличения сцепления треугольной формы первой половины шевронного рисунка. Во-вторых, плечо рычага становится длиннее с увеличением длины трещины . От критической длины трещины начинается нестабильное расширение трещины и разрушение образца. [13] Критическая длина трещины соответствует максимальной силе на диаграмме сила-длина-диаграмма и минимуму геометрической функции . [14] a {\displaystyle a} a c {\displaystyle a_{c}} a c {\displaystyle a_{c}} F m a x {\displaystyle F_{max}} Y M I N {\displaystyle Y_{MIN}}

Вязкость разрушения можно рассчитать с учетом максимальной силы, ширины и толщины : K I C {\displaystyle K_{IC}} w {\displaystyle w} t {\displaystyle t}

K I C = F M A X t ⋅ w ⋅ Y M I N {\displaystyle K_{IC}={\frac {F_{MAX}}{t\cdot {\sqrt {w}}}}\cdot Y_{MIN}}

Максимальная сила определяется во время испытания, а минимальный коэффициент интенсивности напряжения определяется методом конечных элементов. [15] Кроме того, скорость высвобождения энергии может быть определена с помощью модуля упругости и коэффициента Пуассона следующим образом. [13] F M A X {\displaystyle F_{MAX}} Y M I N {\displaystyle Y_{MIN}} G I C {\displaystyle G_{IC}} E {\displaystyle E} v {\displaystyle v}

G I C = K I C 2 E ⋅ ( 1 − v 2 ) {\displaystyle G_{IC}={\frac {K_{IC}^{2}}{E}}\cdot (1-v^{2})}

Преимущество этого теста заключается в высокой точности по сравнению с другими испытаниями на растяжение или изгиб. Это эффективный, надежный и точный подход для разработки соединений пластин, а также для контроля качества производства микромеханических устройств. [12]

Тестирование облигаций

Измерение прочности связи или испытание связи выполняется двумя основными методами: испытание на растяжение и испытание на сдвиг. Оба могут быть выполнены разрушающим способом, что более распространено (также на уровне пластины), или неразрушающим способом. Они используются для определения целостности материалов и производственных процедур, а также для оценки общей производительности каркаса связи, а также для сравнения различных технологий связи друг с другом. Успех или неудача связи основывается на измерении приложенной силы, типа отказа из-за приложенной силы и визуального вида остаточной используемой среды.

Развитием в испытании прочности соединения клееных композитных структур является лазерная проверка связи (LBI). LBI обеспечивает относительный коэффициент прочности, полученный из уровня потока лазерной энергии, подаваемой на материал для испытания на прочность, по сравнению с прочностью соединений, ранее механически испытанных при том же потоке лазерной энергии. LBI обеспечивает неразрушающий контроль соединений, которые были надлежащим образом подготовлены и соответствуют инженерному замыслу. [16]

Тестирование на растяжение

USB-пинцет для выполнения холодного ударного натяжения (CPB) на тестере соединений

Измерение прочности связи путем испытания на разрыв часто является наилучшим способом получить режим отказа, который вас интересует. Кроме того, и в отличие от испытания на сдвиг, по мере разделения связи поверхности разрыва оттягиваются друг от друга, что позволяет провести точный анализ режима отказа. Для разрыва связи требуется, чтобы подложка и межсоединение были захвачены; из-за размера, формы и свойств материала это может быть сложно, особенно для межсоединения. В этих случаях набор точно сформированных и выровненных кончиков пинцета с точным контролем их открытия и закрытия, вероятно, будет иметь значение между успехом и неудачей. [17]

Наиболее распространенным типом испытаний на растяжение является испытание на растяжение проволоки. Испытание на растяжение проволоки прикладывает направленную вверх силу под проволокой, эффективно отрывая ее от подложки или матрицы.

Испытание на сдвиг

Испытание на сдвиг является альтернативным методом определения прочности, которую может выдержать соединение. Существуют различные варианты испытания на сдвиг. Как и в случае с испытанием на растяжение, цель состоит в том, чтобы воссоздать интересующий режим разрушения в испытании. Если это невозможно, оператор должен сосредоточиться на приложении максимально возможной нагрузки к соединению. [18]

Интерферометры белого света

Интерферометрия белого света обычно используется для обнаружения деформаций поверхности пластины на основе оптических измерений. Низкокогерентный свет от источника белого света проходит через оптическую верхнюю пластину, например, стеклянную пластину, к интерфейсу связи. Обычно существуют три различных интерферометра белого света:

  • дифракционные решетчатые интерферометры
  • вертикальные сканирующие или когерентные зондовые интерферометры
  • интерферометры с пластинчатым рассеивателем 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 обнаруживается спектрометром. Захваченный спектр используется для получения длины полости датчика. Длина полости d соответствует приложенному давлению и определяется спектром отражения света датчика. Это значение давления впоследствии отображается на экране. Длина полости определяется с помощью d {\displaystyle d}

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

с показателем преломления материала полости датчика и соседними пиками в спектре отражения. n {\displaystyle n} λ 1 {\displaystyle \lambda _{1}} λ 2 {\displaystyle \lambda _{2}}

Преимущество использования интерферометрии белого света в качестве метода характеризации заключается в снижении влияния потерь на изгиб. [20]

Ссылки

  1. ^ ab Khan, MF; Ghavanini, FA; Haasl, S.; Löfgren, L.; Persson, K.; Rusu, C.; Schjølberg-Henriksen, K.; Enoksson, P. (2010). "Методы характеризации инкапсуляции на уровне пластины, применяемой на кремнии для анодного соединения LTCC". Журнал микромеханики и микроинженерии . 20 (6): 064020. Bibcode : 2010JMiMi..20f4020K. doi : 10.1088/0960-1317/20/6/064020. S2CID  111119698.
  2. ^ Cui, Z. (2008). «Анодное связывание». В Li, D. (ред.). Энциклопедия микрофлюидики и нанофлюидики . Springer Science+Business Media, LLC. стр. 50–54. ISBN 978-0-387-48998-8.
  3. ^ abcdef Мак, С. (1997). Eine vergleichende Untersuruchung der Physikalisch-chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und anodischer verbundener Festkörper (Отчет). Йена: Институт Макса Планка. ISBN 3-18-343602-7.
  4. ^ abc Farrens, S. (2008). "Упаковка на уровне пластин на основе металла". Глобальный SMT и упаковка .
  5. ^ Weldon, MK; Marsico, VE; Chabal, YJ; Hamann, DR; Christman, SB; Chaban, EE (1996). «Инфракрасная спектроскопия как исследование фундаментальных процессов в микроэлектронике: очистка и склеивание кремниевых пластин». Surface Science . 368 (1–3): 163–178. Bibcode :1996SurSc.368..163W. doi :10.1016/S0039-6028(96)01046-1.
  6. ^ Lin, Y.-C.; Baum, M.; Haubold, M.; Fromel, J.; Wiemer, M.; Gessner, T.; Esashi, M. (2009). «Разработка и оценка соединения эвтектических пластин AuSi». Конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам, 2009. TRANSDUCERS 2009. Международная . стр. 244–247. doi :10.1109/SENSOR.2009.5285519.
  7. ^ Суд, С.; Томас, Р.; Адамс, Т. (2008). «Акустическая характеристика связанных пластин». ECS Transactions . 16 (8): 425–428. Bibcode : 2008ECSTr..16h.425S. doi : 10.1149/1.2982896. S2CID  137175862.
  8. ^ abcdefg {{cite journal \|author=Vallin, Ö. |author2=Jonsson, K. |author3=Lindberg, U. |title = Методы количественной оценки адгезии при склеивании пластин |journal = Materials Science and Engineering: R: Reports |year = 2005 |volume = 50 |pages = 109–165 |number = 4–5 |doi = 10.1016/j.mser.2005.07.002 }}
  9. ^ ab Nötzold, K.; Graf, J.; Müller-Fiedler, R. (2008). «Четырехточечный изгиб-испытание для оценки стабильности микродатчиков, связанных стеклянной фриттой». Microelectronics Reliability . 48 (8–9): 1562–1566. doi :10.1016/j.microrel.2008.07.001.
  10. ^ аб Вюнш, Д.; Мюллер, Б.; Вимер, М.; Гесснер, Т.; Мишке, Х. (май 2010 г.). «Активация 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 Берлин Оффенбах. стр. 66–71. ISBN 978-3-8007-3253-1.
  11. ^ abc Wiemer, M.; Frömel, J.; Chenping, J.; Haubold, M.; Gessner, T. (2008). «Технологии пластинчатых соединений и оценка качества». Electronic Components and Technology Conference, 2008. ECTC 2008. 58-й . С. 319–324. doi :10.1109/ECTC.2008.4549989.
  12. ^ abcde Petzold, M.; Knoll, H.; Bagdahn, J. (2001). "Оценка прочности микромеханических компонентов, соединенных пластинами, с использованием микрошевронного теста". Надежность, тестирование и характеристика MEMS/MOEMS . doi :10.1117/12.442994.
  13. ^ abcde Шнайдер, А.; Ранг, Х.; Мюллер-Фидлер, Р.; Виттлер, О.; Райхл, Х. (2009). «Stabilitätsbewertung eutektisch gebondeter Sensorstrukturen auf Waferlevel». В Германне, Г. (ред.). 9. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik . стр. 51–56.
  14. ^ Petzold, M.; Dresbach, C.; Ebert, M.; Bagdahn, J.; Wiemer, M.; Glien, K.; Graf, J.; Müller-Fiedler, R.; Höfer, H. (2006). «Исследование срока службы механических трещин датчиков со стеклянной фриттой». Десятая межобщественная конференция по тепловым и термомеханическим явлениям в электронных системах, 2006. ITHERM '06 . стр. 1343–1348. doi :10.1109/ITHERM.2006.1645501.
  15. ^ Фогель, К.; Вюнш, Д.; Шапорин, А.; Мехнер, Дж.; Биллеп, Д.; Вимер, Д. (2010). «Распространение трещин в микрошевронных тестовых образцах напрямую связанных кремний-кремниевых пластин». 9-й молодежный симпозиум по экспериментальной механике твердого тела . С. 44–47.
  16. ^ Арригони, Мишель. «Испытание адгезионных связей с помощью лазерно-индуцированных ударных волн».
  17. ^ Сайкс, Боб (май 2014 г.). «Достижения в тестировании на растяжение пинцетом». Обзор Chip Scale.
  18. ^ Сайкс, Боб (июнь 2010 г.). «Зачем тестировать связи?». Журнал Global SMT & Packaging.
  19. ^ Wyant, JC (2002). «Интерферометрия белого света». В H. John Caulfield (ред.). Голография: дань уважения Юрию Денисюку и Эммету Лейту . Том 4737. стр. 98–107. doi :10.1117/12.474947. S2CID  123532345.
  20. ^ Totsu, K.; Haga, Y.; Esashi, M. (2005). «Сверхминиатюрный волоконно-оптический датчик давления с использованием интерферометрии белого света». Журнал микромеханики и микроинженерии . 15 (1): 71–75. Bibcode : 2005JMiMi..15...71T. doi : 10.1088/0960-1317/15/1/011. S2CID  250923158.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wafer_bond_characterization&oldid=1224493579"