CN103196828A - 一种用于测量铜填充tsv孔界面强度的测试方法 - Google Patents
一种用于测量铜填充tsv孔界面强度的测试方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103196828A CN103196828A CN2013101344577A CN201310134457A CN103196828A CN 103196828 A CN103196828 A CN 103196828A CN 2013101344577 A CN2013101344577 A CN 2013101344577A CN 201310134457 A CN201310134457 A CN 201310134457A CN 103196828 A CN103196828 A CN 103196828A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tsv
- curve
- pressure head
- electro
- done
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
一种用于测量铜填充TSV孔界面强度的测试方法,属于三维电子封装测试领域。使用纳米压痕仪将TSV电镀铜柱从TSV通孔中压出,得到压出过程中压头上的载荷/位移曲线,并在压出的不同阶段进行卸载再加载,得到卸载、加载曲线。并使用原子力显微镜(AMF)得到卸载后铜柱顶端距TSV转接板上表面的距离。通过分析可以得到界面发生破坏所消耗的能量即界面开裂功,用界面开裂功除以发生破坏界面的面积既可以得到界面的临界应变能释放率。使用该方法可以得到TSV在实际生产过程中不同电镀工艺产生的界面的强度,通过对比选择最适合的电镀工艺,以提高TSV在服役过程中的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及先进三维电子封装技术中的TSV电镀铜界面强度测试技术以及复合材料增强纤维与基体界面强度测试技术。
背景技术
三维(3D)封装技术可以满足消费者对电子产品更小、更便捷、更高可靠性不断增长的需求,而在众多3D封装技术中,硅通孔(TSV)被认为是3D封装的核心。
在TSV制作的过程中,需要使用电镀的方法将TSV通孔中填充电镀铜,在TSV服役的过程中,电镀铜和TSV转接板之间的界面会因为热膨胀系数的不同而产生切应力,这个切应力可能会导致界面的破环而使TSV漏电失效。不同的电镀工艺产生的界面强度是不同的,因此需要通过实验方法得出不同电镀工艺下TSV电镀铜界面的强度,进而改进电镀工艺,从而提高TSV转接板在服役过程中的可靠性。
因为TSV 结构尺寸很小(直径只有30微米左右),目前针对TSV微结构力学性质(界面强度、电镀铜的弹性模量)的实验研究,主要是使用特制的式样,由于特制的式样为了便于实验,在结构上和TSV结构有很大的差别,使得实验的结果不能直观准确的表示其力学性能,因此,迫切需要找到一种可以直接对TSV转接板进行实验的实验方法和根据实验结果得到其准确力学性能的数据处理方法。
发明内容
本发明提出一种用于测量TSV-Cu在电镀铜之后界面强度的测试方法,包括实验方法和数据处理方法,实验方法解决了微米尺度的TSV-Cu结构不易进行实验的问题;数据处理方法针对TSV的结构特点和铜-硅特殊的材料属性,可以准确的将压头所做的不同的功分开,最后得到压头所做的界面开裂功,进而得到界面的临界应变能释放率。实验原理简单、操作方便、结果可靠。
本发明提出的测试方法拟使用纳米压痕仪对TSV转接板上面的电镀铜柱进行压出实验,实验时将TSV转接板放在特制的夹具上面,将纳米压痕仪的压头对准电镀铜柱的顶端,将电镀铜柱压出,在压出的过程中对压头进行卸载再加载,得到压头上的卸载加载曲线,结合压出过程中压头的载荷位移曲线,并使用原子力显微镜(AMF)得到卸载后铜柱顶端距TSV转接板上表面的距离。通过分析,可以得到电镀铜柱压出过程中压头做的总功、塑性功、弹性功、摩擦功,进而得到TSV-Cu界面破坏所消耗的界面开裂功。用上述得到的界面开裂功除以发生破坏的界面的总面积就得到了界面的临界应变能释放率。界面的临界应变能释放率可以作为判断界面是否发生破坏的判断准则,反映电镀铜过程中得到的界面的强度。
本发明提出的测试方法包括以下步骤:
1:将TSV转接板的电镀铜柱2的底端和载台4上面的通孔5对中并将TSV转接板夹紧,将纳米压痕仪的压头1和电镀铜柱2的顶端对中,缓慢加载将电镀铜柱2压出,压出过程中得到压头1上的载荷/位移曲线。
2:根据步骤1得到的曲线,预测电镀铜柱2的加载端即顶端的压入点和支撑端即底端的压出点在曲线上的位置。另取一个TSV转接板,重新进行对中和加载,在加载的过程中,分别在曲线将要到达和刚刚经过压入点和压出点时停止加载,取下TSV转接板,使用显微镜观察电镀铜柱2的加载端和支撑端的压入和压出的情况,如果观察的结果是在曲线将要到达压入点和压出点时加载端和支撑端没有出现压入和压出现象;在曲线刚刚经过压入点和压出点时加载端和支撑端出现了压入和压出的现象,说明预测正确。否则,重复步骤2直到预测正确。
3:另取一个未进行实验的TSV转接板进行对中和加载,在加载的过程中,在曲线接近加载端压入点和支撑端压出点时对式样进行卸载再加载。在得到的曲线中,支撑端压出点之前的曲线(忽略卸载加载曲线)和表示位移的坐标轴围成的面积是压头所做的总功W,在接近加载端压入点的卸载加载曲线围成的面积是压头所做的塑性功ΔEplast ,在接近支撑端压出点的卸载加载曲线围成的面积是压头所做的摩擦功ΔEfrict,在接近支撑端压出点的卸载曲线和表示位移的坐标轴围成的面积是压头所作的部分弹性功ΔEelast1。
4:取一个在支撑端压出点之前进行卸载之后还未加载的TSV转接板,使用原子力显微镜(AMF)测量电镀铜柱的加载端(即顶端)距TSV转接板上表面的距离Δl。
根据公式
得到另一部分弹性功ΔEelast2,式中,E为电镀铜柱2的弹性模量,r为电镀铜柱的半径,h为TSV通孔的高度,Δl为电镀铜柱的加载端(即顶端)距TSV转接板上表面的距离。
5:根据公式
W=ΔEelast1+ΔEelast2+ΔEplast+ΔEfrict+ΔEcrack
得到界面开裂功ΔEcrack, 式中,W是压头所做的总功,ΔEplast 是压头所做的塑性功,ΔEfrict 是压头所做的摩擦功,ΔEelast1是部分弹性功,ΔEelast2是压头所做的另一部分弹性功。
根据公式
得到界面的临界应变能释放率G,式中,r为TSV通孔半径,h为TSV通孔高度。
本发明可以取得如下有益效果:
1、本发明提出的实验方法解决了TSV-Cu微结构下界面强度测试困难的问题,可以直接对产品进行测试,不需要特制式样,可以用于对产品的界面强度进行测试。
2、本发明提出的数据处理方法可以根据实验所得的曲线和铜柱变形的测量,可以准确的得出压头做的总功、塑性功、摩擦功、弹性功和界面开裂功,进而准确的得到TSV-Cu界面的临界应变能释放率,可以较准确的表示界面的强度。
3、本发明提出的测试方法原理简单、可靠,保证了测试结果的准确性。
附图说明:
图1为实验原理示意图。
图2为实验使用的TSV式样的结构示意图。
图3为实验使用的TSV式样的剖面图。
图4为压头的载荷/位移曲线和卸载、加载曲线。
图5为卸载之后未进行加载时铜柱顶端位置和变形的示意图。
图中:
1—纳米压痕仪压头,2—电镀铜柱,3—基板,4—式样载台,5—载台通孔,6—硅板,7—电镀铜柱
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明:
图1为实验原理示意图,实验时将试样载台4放在纳米压痕仪的位移台上,将电镀铜柱2与纳米压痕仪压头1对中,并保证电镀铜柱2与载台上的通孔5对中,施加图示方向的力将电镀铜柱2从TSV通孔中压出,并在压出时记录载荷和位移的变化,得到载荷位移的曲线。图中,电镀铜柱2的顶端即与压头接触的一端为电镀铜柱2的加载端,电镀铜柱的底端为电镀铜柱2的支撑端。
如图4所示为实验中得到的压头1的载荷/位移曲线和卸载、加载曲线。在实验时,首先得到从加载开始到电镀铜柱2被完全压出过程总压头1上的载荷/位移曲线(即图4中的OABC曲线),根据曲线的走势判断,曲线上的A点为电镀铜柱2加载端的压入点,曲线上的B点为电镀铜柱2支撑端的压出点。
然后,另取一个式样重新进行压出,分别曲线到达A点和B点之前和经过A点和B点之后停止实验,使用显微镜观察电镀铜柱2的加载端和支撑端的压入和压出的情况。确定预测A点为压入点、B点为压出点的正确性。
最后再取一个式样进行压出,分别在曲线到达A点之前并且接近A点处和曲线到达B点之前并且接近B点处对式样进行卸载,到载荷为0时重新加载,得到卸载、加载曲线。
根据上述得到的曲线,通过分析可知,图中曲线OAB和表示压头1位移的坐标轴之间的面积为压头1所作的总功W,在接近B点处的卸载曲线与位移坐标轴之间的面积为压头1所作的弹性功ΔEelast1(即图4中十字线阴影部分),接近B点处的卸载曲线和加载曲线围成的面积为压头1所作的摩擦功ΔEfrict(图4中斜线阴影的部分),在接近A点的卸载曲线和曲线OA围成的面积为压头所作的塑性功(图4中竖线阴影的部分)。
图5为卸载之后未进行加载时铜柱顶端位置和变形的示意图。取一个在支撑端压出点B之前进行卸载之后还未加载的TSV转接板,使用原子力显微镜(AMF)测量电镀铜柱2的加载端(即顶端)距TSV转接板上表面的距离Δl。
根据公式
得到另一部分弹性功ΔEelast2,式中,E为电镀铜柱2的弹性模量,r为电镀铜柱2的半径,h为TSV通孔的高度,Δl为电镀铜柱的加载端(即顶端)距TSV转接板上表面的距离。
根据公式
W=ΔEelast1+ΔEelast2+ΔEplast+ΔEfrict+ΔEcrack
得到界面开裂功ΔEcrack ,式中,W是压头所做的总功,ΔEplast 是压头所做的塑性功,ΔEfrict 是压头所做的摩擦功,ΔEelast1是部分弹性功,ΔEelast2是压头所做的另一部分弹性功。
根据公式
得到界面的临界应变能释放率G,式中,r为TSV通孔半径,h为TSV通孔高度。
Claims (1)
1.一种用于测量铜填充TSV孔界面强度的测试方法,其特征在于:对TSV铜柱进行压出实验,并在电镀铜柱的加载端压入点之前靠近压入点处和支撑端压出点之前靠近压出点处进行卸载再加载,得到整个过程中压头上的载荷/位移曲线,使用原子力显微镜得到卸载后铜柱顶端距TSV转接板上表面的距离;通过分析得到界面开裂功,用界面开裂功除以发生破坏界面的面积得到界面的临界应变能释放率;其具体步骤如下:
步骤1:将TSV转接板的电镀铜柱2的底端和载台4上面的通孔5对中并将TSV转接板夹紧,将纳米压痕仪的压头1和电镀铜柱2的顶端对中,缓慢加载将电镀铜柱2压出,压出过程中得到压头1上的载荷/位移曲线;
步骤2:根据步骤1得到的曲线,预测电镀铜柱2的加载端即顶端的压入点和支撑端即底端的压出点在曲线上的位置;另取一个TSV转接板,重新进行对中和加载,在加载的过程中,分别在曲线将要到达和刚刚经过压入点和压出点时停止加载,取下TSV转接板,使用显微镜观察电镀铜柱2的加载端和支撑端的压入和压出的情况,如果观察的结果是在曲线将要到达压入点和压出点时加载端和支撑端没有出现压入和压出现象;在曲线刚刚经过压入点和压出点时加载端和支撑端出现了压入和压出的现象,说明预测正确;否则,重复步骤2直到预测正确;
步骤3:另取一个未进行实验的TSV转接板进行对中和加载,在加载的过程中,在曲线接近加载端压入点和支撑端压出点时对式样进行卸载再加载;在得到的曲线中,支撑端压出点之前的曲线和表示位移的坐标轴围成的面积是压头所做的总功W,在接近加载端压入点的卸载加载曲线围成的面积是压头所做的塑性功ΔEplast ,在接近支撑端压出点的卸载加载曲线围成的面积是压头所做的摩擦功ΔEfrict ,在接近支撑端压出点的卸载曲线和表示位移的坐标轴围成的面积是压头所作的部分弹性功ΔEelast1;
步骤4:取一个在支撑端压出点之前进行卸载之后还未加载的TSV转接板,使用原子力显微镜测量电镀铜柱的加载端距TSV转接板上表面的距离Δl;
根据公式
得到另一部分弹性功ΔEelast2,式中,E为电镀铜柱2的弹性模量,r为电镀铜柱的半径,h为TSV通孔的厚度,Δl为电镀铜柱的加载端距TSV转接板上表面的距离;
步骤5:根据公式
W=ΔEelast1+ΔEelast2+ΔEplast+ΔEfrict+ΔEcrack
得到界面开裂功ΔEcrack,式中,W是压头所做的总功,ΔEplast 是压头所做的塑性功,ΔEfrict 是压头所做的摩擦功,ΔEelast1是部分弹性功,ΔEelast2是压头所做的另一部分弹性功;
根据公式
得到界面的临界应变能释放率G,式中,r为TSV通孔半径,h为TSV通孔高度。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310134457.7A CN103196828B (zh) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | 一种用于测量铜填充tsv孔界面强度的测试方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310134457.7A CN103196828B (zh) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | 一种用于测量铜填充tsv孔界面强度的测试方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103196828A true CN103196828A (zh) | 2013-07-10 |
CN103196828B CN103196828B (zh) | 2015-08-12 |
Family
ID=48719520
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310134457.7A Expired - Fee Related CN103196828B (zh) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | 一种用于测量铜填充tsv孔界面强度的测试方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103196828B (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106595999A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-04-26 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 基于aml方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法 |
CN106596000A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-04-26 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 基于aml方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06102171A (ja) * | 1992-09-22 | 1994-04-15 | Mitsubishi Electric Corp | 塗膜パラメータ測定装置 |
US6026680A (en) * | 1999-06-30 | 2000-02-22 | Mann; George E. | Paint and adhesive test system |
CN101893545A (zh) * | 2010-07-14 | 2010-11-24 | 深南电路有限公司 | Pcb嵌入式金属基结合力的测试方法及测试设备 |
CN102607938A (zh) * | 2012-02-29 | 2012-07-25 | 上海交通大学 | 用于tsv铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样 |
CN102768148A (zh) * | 2012-07-17 | 2012-11-07 | 上海交通大学 | 用于tsv铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样 |
CN102818765A (zh) * | 2012-08-28 | 2012-12-12 | 北京工业大学 | 一种用于“硅通孔”TSV-Cu结构工艺残余应力的测试方法 |
CN102944336A (zh) * | 2012-11-15 | 2013-02-27 | 北京工业大学 | 一种用于测量tsv电镀铜残余应力的试样夹持与定位装置 |
-
2013
- 2013-04-17 CN CN201310134457.7A patent/CN103196828B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06102171A (ja) * | 1992-09-22 | 1994-04-15 | Mitsubishi Electric Corp | 塗膜パラメータ測定装置 |
US6026680A (en) * | 1999-06-30 | 2000-02-22 | Mann; George E. | Paint and adhesive test system |
CN101893545A (zh) * | 2010-07-14 | 2010-11-24 | 深南电路有限公司 | Pcb嵌入式金属基结合力的测试方法及测试设备 |
CN102607938A (zh) * | 2012-02-29 | 2012-07-25 | 上海交通大学 | 用于tsv铜互连材料力学性能测试的原位拉伸试样 |
CN102768148A (zh) * | 2012-07-17 | 2012-11-07 | 上海交通大学 | 用于tsv铜互连材料力学性能测试的原位压缩试样 |
CN102818765A (zh) * | 2012-08-28 | 2012-12-12 | 北京工业大学 | 一种用于“硅通孔”TSV-Cu结构工艺残余应力的测试方法 |
CN102944336A (zh) * | 2012-11-15 | 2013-02-27 | 北京工业大学 | 一种用于测量tsv电镀铜残余应力的试样夹持与定位装置 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106595999A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-04-26 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 基于aml方法的复合材料填孔拉伸强度设计许用值试验方法 |
CN106596000A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-04-26 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 基于aml方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法 |
CN106596000B (zh) * | 2016-11-29 | 2019-04-23 | 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 | 基于aml方法的复合材料填孔压缩强度设计许用值试验方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103196828B (zh) | 2015-08-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101819135B (zh) | 一种测定高强玻璃纤维筋与混凝土粘结强度的方法 | |
CN102818765B (zh) | 一种用于“硅通孔”TSV-Cu结构工艺残余应力的测试方法 | |
Owens et al. | Improved rheometry of yield stress fluids using bespoke fractal 3D printed vanes | |
CN203191265U (zh) | 一种实用于室内中型剪切试验的装置 | |
CN105203453B (zh) | 一种焊接接头微区力学性能的微冲剪测试装置及方法 | |
CN103196828B (zh) | 一种用于测量铜填充tsv孔界面强度的测试方法 | |
CN108414379A (zh) | 一种原位压入测试提取金属弹塑性参数的方法 | |
CN102944336A (zh) | 一种用于测量tsv电镀铜残余应力的试样夹持与定位装置 | |
CN203083520U (zh) | 埋入式电阻应变计 | |
KR101258073B1 (ko) | 기판 균열 유도를 통한 계면 분리 장치 | |
CN109297627B (zh) | Tsv成品界面残余应力测试方法及界面梁结构试样制作方法 | |
CN102147301A (zh) | 硬质合金顶锤的无损检测方法 | |
CN201464348U (zh) | 一种铸造型砂粘结剂的附着力测试装置 | |
CN109100497B (zh) | 一种水泥砂浆干缩性能的测试方法 | |
CN105606448A (zh) | 一种实际含裂纹结构断裂韧性的确定方法 | |
CN106896025A (zh) | 一种用于胶粘接头内部疲劳裂纹扩展试验测试系统 | |
US8113061B2 (en) | Materials testing | |
CN109458976A (zh) | 一种测定混凝土内部应变的装置及其测定方法 | |
CN106370529A (zh) | 一种沥青混合料的环形直剪试验装置及测试方法 | |
CN106501321B (zh) | 含水率动态测试装置以及含水率测试系统 | |
CN101936955A (zh) | 一种动态裂纹传播速度的测量装置及方法 | |
JP2007232717A (ja) | 円盤フロー装置及び流動性評価方法 | |
CN205910072U (zh) | 一种栓钉混凝土试验装置 | |
KR101655566B1 (ko) | 유리소재 안전성 평가 장치 및 평가 방법 | |
CN102506657A (zh) | 测量端盖的孔径的量具 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150812 Termination date: 20180417 |