硅通孔互連技術(shù)（TSV） 生電力芯片封裝中廣泛應(yīng)用。TSV可靠性研究尚不成熟，下面我們使用超快速氣流冷熱沖擊機(jī)，對TSV樣品經(jīng)過冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)后，使用 FIB 對 Cu/Si 界面進(jìn)行精細(xì)加工并觀察，研究 TSV 在冷熱沖擊條件下的可靠性表現(xiàn)及失效機(jī)理。
TSV封裝可靠性研究：
試驗(yàn)設(shè)備：環(huán)儀儀器 超快速氣流冷熱沖擊機(jī)
試驗(yàn)原理：采用冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)周期性急劇加熱和冷卻實(shí)現(xiàn)高溫差(-40℃~125℃)環(huán)境，TSV在劇烈溫度變化中累積的熱應(yīng)力損傷超過材料極限強(qiáng)度時(shí)會導(dǎo)致器件失效。
試驗(yàn)過程：
1.通過深反應(yīng)離子刻蝕法在5寸的硅片晶圓上刻蝕獲得 TSV孔，經(jīng)測量 TSV平均長度為70m平均直徑為 35 um。使用化學(xué)氣相沉積法在 TSV中生成約3um厚的絕緣層SiO2，使用電鍍法將Cu填充進(jìn)TSV孔。
2.硅片經(jīng)激光切割后拋光清洗，抽取真空并密封于石英管后放入超快速氣流冷熱沖擊機(jī)中。
3.冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間為-40℃~125℃，升降溫過程時(shí)間均為30s，樣品在最高和最低溫度的保溫時(shí)間均為30mim。
4.TSV樣品經(jīng)過 300周期-40℃~125℃冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)后，使用聚焦離子束技術(shù)對 CwSi 界面進(jìn)行精細(xì)加工，觀察 Cu/Si界面分離情況。在CuSi界面裂紋尖端處制備納米級厚度FIB 樣品，分析裂紋延展情況。使用電子背散射(electron back-scattered diffraction)技術(shù)分析TSV結(jié)構(gòu)變化和Cu晶粒尺寸變化。
試驗(yàn)分析：
下圖顯示了冷熱沖擊前后TSV表面的變化。在冷熱沖擊試驗(yàn)前，TSV的表面光滑清晰，Cu、Si兩種材質(zhì)結(jié)合緊密且界面無分離。
下圖顯示了冷熱沖擊前后TSV截面的變化。在冷熱沖擊試驗(yàn)前，TSV的截面Cu、si兩種材質(zhì)結(jié)合緊密且界面無分離，Cu柱上下兩端均與Si孔平齊。
如下圖所示，冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的裂紋可通過 FIB技術(shù)在其尖端處截取納米級厚度樣品，該FIB 樣品可以清楚地觀察到裂紋沿Cu/Si界面向下延伸，當(dāng)遇到不規(guī)則Cu組織后，裂紋擴(kuò)展所需剪切熱應(yīng)力增大，裂紋延伸受到阻擋。
試驗(yàn)總結(jié)：
1.Cu填充物體積增大，并溢出 TSV通孔，EBSD結(jié)果前后對比顯示，Cu晶粒尺寸在冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)后出現(xiàn)明顯增大。
2.通過樣品截面處理可發(fā)現(xiàn)CwSi界面存在開裂分離現(xiàn)象。
3.可在TSV樣品裂紋尖端處觀察到不規(guī)則的Cu晶粒，該晶粒加大了裂紋擴(kuò)展所需的剪切應(yīng)力，對裂紋延伸起到了阻擋作用。
以上就是TSV封裝可靠性研究，如有超快速氣流冷熱沖擊機(jī)的試驗(yàn)疑問，可以咨詢環(huán)儀儀器相關(guān)技術(shù)人員。
