DE102013109504B4

DE102013109504B4 - Mechanisches Prüfverfahren für Komponenten der Elektronik

Info

Publication number: DE102013109504B4
Application number: DE102013109504.6A
Authority: DE
Inventors: c/o Universität Wien Golta Khatibi; c/o Universität Wien Weiss Brigitte; Agnieszka Betzwar Kotas
Original assignee: Technische Universitaet Wien
Current assignee: Technische Universitaet Wien
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2033-08-31
Also published as: EP3039396A1; WO2015027266A1; DE102013109504A1

Abstract

Vorrichtung zum Prüfen von mikroelektronischen Komponenten; die Vorrichtung umfasst folgendes:
einen langgestreckten Probenhalter (10), auf dem mindestens eine der zu prüfenden mikroelektronischen Komponenten (15, 15‘) befestigt ist;
einen Ultraschallaktor umfassend einen Ultraschalltransducer (21) zur Erzeugung von Ultraschallwellen und ein mit diesem verbundenes mechanisches Koppelelement (23), das die Ultraschallwellen in eine mechanische Schwingung überführt und den Ultraschalltransducer (21) mechanisch an den Probenhalter (10) koppelt,
wobei der Ultraschallaktor derart ausgebildet und mit dem Probenhalter (10) gekoppelt ist, dass der Probenhalter (10) zu einer Biegeschwingung angeregt wird,
wobei die Länge (L) des Probenhalters (10) derart gewählt ist, dass eine Resonanzfrequenz des Probenhalters (10) der anregenden Ultraschallfrequenz entspricht, und
wobei das Koppelelement (23) eine Sonotrode ist, deren Resonanzfrequenz der Ultraschallfrequenz entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der mechanischen Prüfverfahren für Elektronikkomponenten, insbesondere für sogenannte „mikroelektronische Komponenten“ (MK).
Elektronische Komponenten erfahren Beanspruchungen während ihrer Nutzung, welche ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit stark beeinträchtigen können. Insbesondere können Belastungen, die durch das Einwirken mechanischer Kräfte (z.B. Druck- und Zugbeanspruchungen aufgrund thermischer, thermomechanischer oder zyklischer Belastungen) auftreten, zu Beschädigungen der Komponenten führen. Insbesondere Komponenten, die aus mehreren Teilen (z.B. Schichten, Chips, Kontakten etc.) zusammengesetzt sind, leiden unter solchen Stresseinflüssen. Dabei können Delamination von Schichten und Rissbildung auftreten, die die Komponenten schädigen und schließlich einen kompletten Ausfall einer Komponente mit sich bringen. Es ist daher wichtig, elektronische Komponenten, die in ihrem Einsatzgebiet mit mechanischen Belastungen zu rechnen haben, auf deren Belastbarkeit und infolgedessen auf die Ermüdungserscheinungen hin zu testen, um mögliche Schwachstellen bei der Entwicklung neuer Komponenten berücksichtigen zu können.
JP 2005 189 064 A beschreibt eine Prüfvorrichtung für elektronische Komponenten unter Biegebelastung. In US 2004 0020293 A1 ist ein Verfahren zur Prüfung der Ermüdungsfestigkeit von dünnen Platten publiziert. Außerdem ist in JP 2007 273 580 A eine quasistatische Biegeprüfvorrichtung beschrieben, die es erlaubt ein Halbleiterbauteil mechanisch zu prüfen.
Prüfverfahren zur Simulation solcher Beanspruchung sind z.B. Biegetests, bei denen die Proben eingespannt und dann mittels gezielter Krafteinleitung gebogen werden. Derartige Biegetests sind jedoch nicht geeignet, das Ermüdungsverhalten der zu prüfenden Elektronikkomponenten zu ermitteln. Ganz allgemein sind Ultraschallprüfverfahren bekannt, um mit hoher Frequenz eine mechanische Wechselbelastung zu simulieren (die in der Realität z.B. durch eine thermische Wechselbelastung verursacht wird) und das Ermüdungsverhalten einer Probe abhängig von der Zahl der Lastwechsel zu ermitteln. Mikroelektronische Komponenten (MK) sind aufgrund ihrer kleinen Abmessungen (z.B. im Submillimeterbereich bis hin zu ca. 10 mm) jedoch nicht für derartige Prüfverfahren geeignet. Die Aufgabe besteht also darin, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren bereitzustellen, mit der/dem kleine Proben, konkret elektrische Komponenten, Belastungstests unterzogen werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst dabei eine Vorrichtung zum Prüfen von mikroelektronischen Komponenten (MK) folgendes: einen langgestreckten Probenhalter zur Aufnahme von mindestens einer zu prüfenden elektronischen Komponente und einen Ultraschallaktor, der einen Ultraschalltransducer zur Erzeugung von Ultraschallwellen und ein mit diesem verbundenes mechanisches Koppelelement aufweist, das die Ultraschallwellen in eine mechanische Schwingung transformiert und den Ultraschalltransducer mechanisch an den Probenhalter koppelt. Der Ultraschallaktor ist dabei derart ausgebildet und mit dem Probenhalter gekoppelt, dass der Probenhalter zu einer Biegeschwingung angeregt wird.
Ein weiteres Beispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von elektronischen Komponenten. Dabei wird ein langgestreckter Probenhalter mit mindestens einer darauf angebrachten zu prüfenden elektronischen Komponente mit Hilfe eines Ultraschallaktors zum Schwingen angeregt. Der Ultraschallaktor ist dabei mit dem Probenhalter über ein Kopplungselement derart mechanisch gekoppelt; dass der Probenhalter zu einer Biegeschwingung angeregt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer zu prüfenden elektrischen Komponente im Querschnitt,
2 ein Ausführungsbeispiel der Prüf-Vorrichtung in der Seitenansicht,
3 ein Ausführungsbeispiel des Probenhalters mit darauf angebrachten elektronischen Komponenten in der Seitenansicht,
4 ein vom Ultraschallaktor erzeugte Biegungsmode des Probenhalters in der Seitenansicht,
5A–C drei mögliche Schwingungsmoden im Probenhalter, und
6 Platzierung der elektronischen Komponenten auf dem Probenhalter mit Berücksichtigung der angeregten Mode.
In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
1 zeigt ein als illustratives Beispiel eine mikroelektronische Komponente, wie sie im Rahmen der Erfindung auf Ermüdungserscheinungen geprüft werden soll.
Die elektronische Komponente (ein MK) ist eine zusammengesetzte Struktur, die sich aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (z.B. Young’s Modul, Schubmodul, Wärmeausdehnungskoeffizient, Textur, etc.) und Formen im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik zusammensetzt. Das Ausführungsbeispiel in 1 umfasst dabei eine Multilayer-Struktur 50, d.h. mehrere übereinander angebrachte Schichten unterschiedlicher Materialien (Multilayer) sowie eingeschlossene Metallisierungen 56, Durchbohrungen bzw. Vias 57 (auch PTH, plated through-hole) und Halbleiter-Chips 54 und 52, die in die Multilayer-Struktur 50 integriert (Chip 54) oder an der Oberfläche der Multilayer-Struktur 50 montiert sein können (Flip-Chip 52). An der Oberfläche können zudem SMD-Bauelemente 53 angeordent sein. Die Vielzahl von Schichten hat eine große Zahl an Grenzflächen (z.B. an der Klebeschicht 55) zur Folge, welche Schwachpunkte in der elektronischen Komponente im Hinblick auf mechanische Belastungen darstellen. Die dort auftretenden Beanspruchungen können zur Delamination der Schichten führen. Des Weiteren können Risse auftreten, die sich dann bei fortschreitender Beanspruchung ausbreiten und letztendlich zur Zerstörung der elektronischen Komponente (MK) führen können.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung in der Seitenansicht dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei einen Ultraschallaktor 20, der für die Erzeugung der gewünschten Schwingung genutzt wird. Der Ultraschallaktor 20 umfasst dabei einen Ultraschalltransducer 21, der Ultraschallwellen einer bestimmten gewählten Frequenz erzeugt. Der Transducer 21 ist beispielsweise ein Piezotransducer, bei dem durch eine angelegte hochfrequente Wechselspannung mechanische Schwingungen erzeugt werden. Der Transducer ist mit einem mechanischen Wandler 22 verbunden, der eine Longitudinalschwingung ausführt, wobei die Schwingungsfrequenz der Ultraschallfrequenz des Aktors entspricht. Mit dem mechanischen Wandler 22 ist ein mechanisches Kopplungselement 23 verbunden, dessen Funktion darin besteht, den Ultraschallaktor 20 mit einem langgestreckten Probenhalter 10 derart zu verbinden, sodass dieser mit der Schwingungsfrequenz – idealerweise resonant – zu einer Biegeschwingung angeregt wird. Das Kopplungselement wird auch als Sonotrode bezeichnet. Diese ist derart ausgestaltet, dass die angelegte Schwingungsfrequenz ihrer eigenen Resonanzfrequenz entspricht. Der Probenhalter 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel nur schematisch angedeutet um die Verbindung zwischen ihm und dem Ultraschallaktor zu verdeutlichen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Probenhalters 10. Dieser ist zur Vereinfachung in verkürzter Form dargestellt. Innerhalb der Vorrichtung ist er von langgestreckter Geometrie (in Relation zur Dicke) um Biegeschwingungen besser ausführen zu können. Im Wesentlichen handelt es sich um einen (statisch bestimmt gelagerten) Biegebalken. Der Probenhalter besitzt eine Oberseite 11 und eine der Oberseite vertikal gegenüberliegende Unterseite 12. Auf dem Probenhalter 10 ist zumindest eine zu prüfende elektronische Komponente 15 kraftschlüssig befestigt, wobei jene sowohl auf der Oberseite 11 als auch auf der Unterseite 12 des Probenhalters 10 befestigt sein können. Die Anbringung der elektronischen Komponenten erfolgt dabei auf eine Art und Weise, bei der sie der Biegeschwingung des Probenhalters folgen. Beispielsweise können die elektrischen Komponenten auf den Probenhalter aufgeklebt werden. Die am Probenhalter 10 (Biegebalken) z.B. aufgeklebten Proben erfahren dann eine wechselnde Zug-/Druckbelastung entsprechend der Biegeschwingung des Probenhalters.
Andere Varianten der festen aber schadensfreien Anbringung seien hier allerdings nicht ausgeschlossen. Grundsätzlich können die elektronischen Komponenten an belieben Positionen auf den beiden Probenhalterseiten 11 und 12 und auch an den beiden Seitenflächen 13, die entlang der Längsrichtung des Probenhalters verlaufen und die Probenhalterseiten 11 und 12 miteinander verbinden, angebracht werden, wobei sich bestimmte Positionen als vorteilhaft erweisen werden, wie anhand von nachfolgenden Figuren noch erläutert wird. Eine elektronische Komponente 15’, die an einer der Seitenflächen 13 angebracht ist, ist in 3 schematisch angedeutet. Die Position der Anregung, d.h. der Ort, an dem der Ultraschallaktor bzw. dessen Kopplungselement 23 (z.B. Sonotrode) mit dem Probenhalter 10 verbunden ist, kann ebenfalls beliebig sein, wobei diese so gewählt werden und mit der Schwingfrequenz abgestimmt werden kann, dass der Probenhalter auf einer Eigenfrequenz in einem bestimmten Schwingungsmode schwingt.
4 zeigt das Ausbilden der ersten Schwingungsmode der möglichen Biegeschwingungen im (beidseitig gelagerten) Probenhalter, wobei das Koppelelement 23 annähernd in der Mitte des Probenhalters 10 mechanisch angekoppelt ist. Wie anhand von 5A–C noch erläutert wird, besitzt der so angeregte erste Schwingungsmode eine maximale Auslenkung in der Mitte des Probenhalters, wo in diesem Ausführungsbeispiel auch die Anregung erfolgt. Die Biegeschwingung des Probenhalters und die daraus folgende Biegung resultiert an der Oberfläche des Probenhalters in einer wechselnden Zug-/Druckbelastung entlang der Längsachse des Probenhalters. Diese wird durch die stoffschlüssige Befestigung der elektronischen Komponenten 15 mit dem Probenhalter 10 auf diese übertragen. Damit können selbst jene sehr kleinen elektronischen Komponenten 15 durch das Ultraschallsystem einer Vielzahl von Belastungszyklen ausgesetzt und damit effektiv geprüft werden.
Wie bereits erwähnt wird durch die Biegeschwingung eine wechselnde Zug-/Druckbelastung in dem Probenhalter und auch in den daran befestigten Proben erzeugt. Die Darstellung in 4 zeigt also nur eine Momentaufnahme zum Zeitpunkt maximaler Auslenkung in Richtung Oberseite 11 des Probenhalters.
5A–C zeigen drei mögliche Schwingungsmoden im Probenhalter. Betrachtet man den Probenhalter 10, so entscheiden im Wesentlichen zwei Einflussfaktoren über die Wellenlängen, der sich im Resonanzfall ausbildenden Schwingungsmoden. Zum einen liegt die Art der Einspannung des Probenhalters fest, wo sich fest vorgegebene Knoten (Orte, an denen die Auslenkung des Probenhalters stets Null ist) befinden. Wellen mit solchen ausgezeichneten Orten werden als stehende Wellen bezeichnet. Folglich besitzen stehende Wellen neben den Knoten 40 auch Punkte maximaler Auslenkung (sog. Schwingungsbäuche 41). Dabei ist zu beachten, dass an diesen Punkten nicht stets eine maximale Auslenkung herrscht, diese Punkte unterliegen ebenso der Schwingung und nehmen daher zu gewissen Zeitpunkten ebenfalls den Wert Null. Allerdings ist in diesen Punkten die Auslenkung relativ zu allen anderen Punkten zu bestimmten Zeitpunkten extremal (d.h. maximal in beide Schwingungsrichtungen). In allen Ausführungsbeispielen sind diese Orte der Einspannung an den beiden jeweiligen Enden des Probenhalters; somit gibt es keine Auslenkung an diesen Punkten. Zum Anderen entscheidet die Länge des Probenhalters 10 über die Wellenlänge der sich ausbildenden stehenden Wellen. Jeder Wellenlänge einer Welle in einem Medium (hier das Material des Probenhalters) ist über die physikalische Beziehung c_p = λ·ν eine (Eigen-)Frequenz ν zugeordnet. Entscheidend dafür ist die sogenannte Phasengeschwindigkeit c_p der Welle innerhalb des Mediums. Diese Größe ist materialspezifisch und wird dadurch durch den Probenhalter 10 vorgegeben. Somit sind durch den Probenhalter 10 selbst, seine Einspannung und seine Länge die Schwingungsmoden (d.h. deren Wellenlänge λ und somit auch deren Resonanzfrequenz) festgelegt. Wird der Probenhalter nun mit einer Frequenz angeregt, die einer seiner Eigenfrequenz entspricht, so bildet sich in ihm eine Schwingungsmode aus, der zu dieser Eigenfrequenz passt. Es ist also möglich bei Kenntnis aller relevanten Größen gezielt sowohl die Punkte mit Knoten 40 als auch mit Bäuchen 41 vor dem eigentlich Prüfverfahren zu ermitteln, was später noch einen wichtigen Aspekt für das eigentliche Verfahren darstellt, da die Proben an den Stellen maximaler Auslenkung angeordnet werden können.
Das Einbringen der Anregung ist an jedem Punkt des Probenhalters möglich, jedoch sind Punkte, an denen sich die Schwingungsbäuche 41 befinden, effizienter, da hierbei der größte Energieübertrag auf den Probenhalter 10 gewährleistet und somit das Verfahren am effizientesten ist.
In 5A ist die erste mögliche Schwingungsmode 30 (oder auch Grund schwingung) dargestellt, wobei die Wellenlänge λ der Schwingung hierbei das Doppelte der Länge L des Probenhalters 10 beträgt (L = λ/2). Das (einzige) Schwingungsmaximum 41 befindet sich hierbei genau in der Mitte des Probenhalters, weshalb als Anregungsposition hierbei die Mitte am sinnvollsten ist.
5B zeigt die zweite mögliche Schwingungsmode 31 (oder auch erste Oberschwingung). Diese Mode besitzt bereits einen weiteren Knoten 40 (in der Mitte des Probenhalters) sowie zwei Maxima 41 bei jeweils ¼ bzw. ¾ der Probenhalterlänge L. Es ist daher sinnvoll, in der Nähe dieser beiden Punkte anzuregen.
Analog zeigt 5C einen weitere Schwingungsmode 32 (siebte Oberschwingung). Das gezielte Anregen einer Resonanzfrequenz kann also über das Anpassen der Anregungsfrequenz geschehen (also der Ultraschallfrequenz). Will oder kann man diese jedoch nicht variieren, besteht die Möglichkeit, die Länge des Probenhalters 10 anzupassen, um eine bestimmte Resonanzfrequenz des Systems einzustellen. Man wählt die Probenhalterlänge also derart, dass die fixe Anregungsfrequenz genau einer Resonanzfrequenz entspricht.
6 zeigt den Probenhalter 10 mit darauf angebrachten auf der Oberseite 11 und Unterseite 12 sowie elektronischen Komponenten 15’ an beiden Seitenflächen 13 sowie eine mögliche angeregte Schwingungsmode im Probenhalter 10. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Ultraschallaktor hier nicht dargestellt. Um neben der maximalen Anregungsenergie auch die maximale Zug- bzw. Druckbeanspruchung den aufgebrachten elektronischen Komponenten 15 zuzuführen, ist es sinnvoll, jene ebenfalls an Punkten mit Bäuchen anzubringen, was dank der festgelegten Position dieser Punkte bereits vor dem Prüfverfahren durchgeführt werden kann.

Claims

Vorrichtung zum Prüfen von mikroelektronischen Komponenten; die Vorrichtung umfasst folgendes: einen langgestreckten Probenhalter (10), auf dem mindestens eine der zu prüfenden mikroelektronischen Komponenten (15, 15‘) befestigt ist; einen Ultraschallaktor umfassend einen Ultraschalltransducer (21) zur Erzeugung von Ultraschallwellen und ein mit diesem verbundenes mechanisches Koppelelement (23), das die Ultraschallwellen in eine mechanische Schwingung überführt und den Ultraschalltransducer (21) mechanisch an den Probenhalter (10) koppelt, wobei der Ultraschallaktor derart ausgebildet und mit dem Probenhalter (10) gekoppelt ist, dass der Probenhalter (10) zu einer Biegeschwingung angeregt wird, wobei die Länge (L) des Probenhalters (10) derart gewählt ist, dass eine Resonanzfrequenz des Probenhalters (10) der anregenden Ultraschallfrequenz entspricht, und wobei das Koppelelement (23) eine Sonotrode ist, deren Resonanzfrequenz der Ultraschallfrequenz entspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die zu prüfende(n) mikroelektronische(n) Komponente(n) (15, 15‘) auf einer Ober- und/oder einer Unterseite sowie an beiden Seitenflächen (13) des Probenhalters (10) angeordnet ist (sind), sodass die zu prüfende(n) mikroelektronische(n) Komponente(n) (15, 15‘) einer oszillierenden Zug-Druck Belastung ausgesetzt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Probenhalter (10) mit einer Eigenfrequenz angeregt wird sodass der Probenhalter (10) in einem zur Eigenfrequenz passenden Schwingungsmode schwingt.
Vorrichtung gemäß einer der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Ultraschalltransducer (21) dazu ausgebildet und derart mit dem Koppelelement (23) verbunden ist, dass sich in diesem eine Schwingung entlang seiner Längsrichtung ausbildet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die mindestens eine der zu prüfenden mikroelektronischen Komponenten (15, 15‘) kraftschlüssig auf dem Probenhalter (10) befestigt ist, sodass die aufgeklebten Proben eine wechselnde Zug-/Druckbelastung entsprechend der Biegeschwingung des Probenhalters (10) erfahren.
Verfahren zum Prüfen von mikroelektronischen Komponenten; umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines langgestreckten Probenhalters (10) mit mindestens einer darauf angebrachten zu prüfenden mikroelektronischen Komponente (15, 15‘); Bereitstellen eines Ultraschallaktors, der mit dem Probenhalter (10) über ein Kopplungselement mechanisch gekoppelt ist, wobei die durch den Ultraschallaktor erzeugten Ultraschallwellen in eine mechanische Schwingung überführt werden, die durch das Kopplungselement auf den Probenhalter (10) übertragen wird, sodass dieser zu einer Biegeschwingung angeregt wird, wobei die Länge (L) des Probenhalters (10) derart gewählt ist, dass eine Resonanzfrequenz des Probenhalters (10) der anregenden Ultraschallfrequenz entspricht, und wobei das Koppelelement (23) eine Sonotrode ist, deren Resonanzfrequenz der Ultraschallfrequenz entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Kopplung an einer Position maximaler Auslenkung des Probenhalters (10) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die mikroelektronischen Komponenten (15, 15‘) an Positionen maximaler Auslenkung des Probenhalters (10) auf dem Probenhalter (10) angebracht sind.