Caracterización del enlace de oblea.

La caracterización del enlace de oblea se basa en diferentes métodos y pruebas. Se considera de gran importancia que la oblea se pegue con éxito y sin defectos. Esos defectos pueden ser causados ​​por la formación de huecos en la interfaz debido a desniveles o impurezas . La conexión de unión se caracteriza por el desarrollo de uniones de obleas o la evaluación de la calidad de obleas y sensores fabricados.

Descripción general

Los enlaces de oblea se caracterizan comúnmente por tres parámetros de encapsulación importantes: fuerza de unión, hermeticidad de la encapsulación y tensión inducida por la unión. ^[1]

La resistencia de la unión se puede evaluar mediante pruebas de doble viga en voladizo o de chevron, respectivamente, de microchevron. Otros ensayos de tracción, así como ensayos de rotura, de cizallamiento directo o de flexión, permiten determinar la fuerza de unión. ^[2] La hermeticidad del embalaje se caracteriza mediante pruebas de membrana, fuga de He y resonador/presión. ^[1]

Tres posibilidades adicionales para evaluar la conexión de enlace son las mediciones e instrumentación ópticas, electrónicas y acústicas . En un principio, las técnicas de medición óptica son el uso de microscopio óptico , microscopía de transmisión IR e inspección visual. En segundo lugar, la medición de electrones se aplica comúnmente utilizando un microscopio electrónico , por ejemplo, microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmitancia de alto voltaje (HVTEM) y microscopía electrónica de barrido de alta resolución (HRSEM). Y, por último, los enfoques típicos de medición acústica son el microscopio acústico de barrido (SAM), el microscopio acústico de barrido con láser (SLAM) y el microscopio acústico de barrido en modo C (C-SAM).

La preparación de la muestra es sofisticada y las propiedades mecánicas y electrónicas son importantes para la caracterización y comparación de la tecnología de unión. ^[3]

Microscopía de transmisión infrarroja (IR)

La obtención de imágenes de vacíos por infrarrojos (IR) es posible si los materiales analizados son transparentes a los rayos IR, es decir, silicio . Este método proporciona un examen cualitativo rápido ^[4] y es muy adecuado debido a su sensibilidad a la superficie y a la interfaz enterrada. Obtiene información sobre la naturaleza química de la superficie y la interfaz.

Configuración esquemática de microscopía de transmisión infrarroja.

La luz transmitida por infrarrojos se basa en el hecho de que el silicio es translúcido a una longitud de onda ≥ 1,2 μm. El equipo consta de una lámpara de infrarrojos como fuente de luz y un sistema de vídeo de infrarrojos (compárese con la figura "Configuración esquemática de microscopía de transmisión de infrarrojos").

El sistema de imágenes por infrarrojos permite el análisis de la onda de enlace y, además, de las estructuras micromecánicas y de las deformidades del silicio. Este procedimiento permite también analizar enlaces de múltiples capas. ^[3] El contraste de la imagen depende de la distancia entre las obleas . Por lo general, si se utiliza IR de color monocromático, el centro de las obleas se muestra más brillante según la vecindad. Las partículas en la interfaz de enlace generan puntos muy visibles con diferente contraste debido a las franjas de interferencia (propagación de ondas) . ^[5] Las áreas no adheridas se pueden mostrar si la abertura del vacío (altura) es ≥ 1 nm. ^[4]

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR)

La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) es un método de caracterización de hermeticidad no destructivo. La absorción de radiación permite el análisis con una longitud de onda específica para gases. ^[6]

Microscopía ultrasónica

La microscopía ultrasónica utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para obtener imágenes de interfaces unidas. El agua desionizada se utiliza como medio de interconexión acústica entre el transductor acústico electromagnético y la oblea. ^{[4] [7]}

Este método funciona con un transductor ultrasónico que escanea la unión de la oblea. La señal de sonido reflejada se utiliza para la creación de imágenes. Las resoluciones laterales dependen de la frecuencia ultrasónica, el diámetro del haz acústico y la relación señal/ruido (contraste).

Las áreas no adheridas, es decir, impurezas o huecos, no reflejan el haz ultrasónico como las áreas adheridas, por lo que es posible una evaluación de la calidad de la unión. ^[3]

Prueba de doble viga en voladizo (DCB)

La prueba de doble viga en voladizo , también conocida como método de apertura de grietas o de hoja de afeitar, es un método para definir la resistencia de la unión. Esto se logra determinando la energía de las superficies unidas. Se inserta una hoja de un espesor específico entre el par de obleas unidas. Esto conduce a una ruptura de la conexión de enlace. ^[3] La longitud de la grieta es igual a la distancia entre la punta de la cuchilla y la punta de la grieta y se determina utilizando luz transmitida por infrarrojos. La luz IR es capaz de iluminar la grieta, cuando se utilizan materiales transparentes a la luz IR o visible. ^[8] Si la tenacidad de la superficie de fractura es muy alta, es muy difícil insertar la cuchilla y las obleas corren el riesgo de romperse al deslizar la cuchilla. ^[3] ${\displaystyle L}$

Inserción de la cuchilla entre las obleas unidas. ^[3]

La prueba DCB caracteriza la resistencia dependiente del tiempo mediante evaluación de fractura mecánica y, por lo tanto, es muy adecuada para predicciones de vida útil. ^[9] Una desventaja de este método es que entre la entrada de la cuchilla y el momento de tomar la imagen IR, los resultados pueden verse influenciados. Además, la imprecisión de la medición aumenta con una alta tenacidad de fractura de la superficie, lo que da como resultado una longitud de grieta más pequeña o obleas rotas en la inserción de la cuchilla, así como la influencia de la cuarta potencia de la longitud de grieta medida. La longitud de grieta medida determina la energía superficial en relación con una muestra rectangular con forma de viga. ${\displaystyle \gamma }$

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

De este modo se mide el módulo de Young , el espesor de la oblea, el espesor de la hoja y la longitud de la grieta. ^[10] En la literatura se mencionan diferentes modelos DCB, es decir, enfoques de medición de Maszara, Gillis y Gilman, Srawley y Gross, Kanninen o Williams. Los enfoques más utilizados son los de Maszara o Gillis y Gilman. ^[8] ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle t_{w}}$ ${\displaystyle t_{b}}$ ${\displaystyle L}$

modelo maszara

El modelo de Maszara desprecia la tensión cortante así como la tensión en la parte no escindida para las longitudes de grieta obtenidas. La distensibilidad de una muestra de DCB simétrica se describe a continuación:

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

La conformidad se determina a partir de la longitud de la grieta , el ancho y el espesor de la viga . define el módulo de Young. La energía de fractura superficial es: ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle E^{*}}$ ${\displaystyle G_{IC}}$

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

con un desplazamiento del punto de carga. ${\displaystyle \delta }$

Modelo de Gillis y Gilman

El enfoque de Gillis y Gilman considera las fuerzas de flexión y cortante en la viga. La ecuación de cumplimiento es:

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

El primer término describe la energía de deformación en el voladizo debido a la flexión. El segundo término es la contribución de las deformaciones elásticas en la parte del espécimen no escindida y el tercer término considera la deformación por corte. Por lo tanto, y dependen de las condiciones del extremo fijo del voladizo. El coeficiente de corte depende de la geometría de la sección transversal de la viga. ${\displaystyle {\frac {8L^{3}}{E^{*}wt^{3}}}}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \alpha _{S}}$

prueba de galón

La prueba de Chevron se utiliza para determinar la tenacidad a la fractura de materiales de construcción frágiles. La tenacidad a la fractura es un parámetro básico del material para analizar la resistencia de la unión. ${\displaystyle K_{IC}}$

La prueba de chevron utiliza una geometría de muesca especial para la muestra que se carga con una fuerza de tracción creciente. La geometría de la muesca de chevron suele tener la forma de un triángulo con diferentes patrones de unión. Con una carga de tracción específica, la grieta comienza en la punta de chevron y crece con la carga aplicada continua hasta alcanzar una longitud crítica. ^[11] El crecimiento de la grieta se vuelve inestable y se acelera, lo que resulta en una fractura de la muestra. ^[8] La longitud crítica depende únicamente de la geometría de la muestra y de las condiciones de carga. La tenacidad a la fractura comúnmente se determina midiendo la carga de fractura registrada en la prueba. Esto mejora la calidad y precisión de la prueba y reduce la dispersión de las mediciones. ^[11] ${\displaystyle K_{IC}}$

Se pueden utilizar dos enfoques, basados ​​en la tasa de liberación de energía o el factor de intensidad del estrés , para explicar el método de prueba de Chevron. ^[8] La fractura se produce cuando o alcanza un valor crítico, describiendo la tenacidad a la fractura o . La ventaja de utilizar una muestra con muesca en V se debe a la formación de una grieta específica de longitud bien definida. ^[12] La desventaja de este enfoque es que el pegado necesario para la carga requiere mucho tiempo y puede inducir dispersión de datos debido a la desalineación. ^[8] ${\displaystyle G_{I}}$ ${\displaystyle K_{I}}$ ${\displaystyle K_{I}}$ ${\displaystyle G_{I}}$ ${\displaystyle K_{IC}}$ ${\displaystyle G_{IC}}$

prueba de galón

Prueba de micro chevron (MC)

La prueba de micro chevron (MC) es una modificación de la prueba de chevron que utiliza una muestra de tamaño y forma definidos y reproducibles. La prueba permite determinar la tasa crítica de liberación de energía y la tenacidad crítica a la fractura . ^[13] Se utiliza comúnmente para caracterizar la fuerza de unión de la oblea, así como la confiabilidad. La caracterización de la confiabilidad se determina con base en la evaluación mecánica de la fractura o falla crítica. ^[9] La evaluación se determina analizando la tenacidad a la fractura así como la resistencia contra la propagación de grietas. ^[10] ${\displaystyle G_{IC}}$ ${\displaystyle K_{IC}}$

La tenacidad a la fractura permite comparar las propiedades de resistencia independientemente de la geometría particular de la muestra. ^[12] Además, se puede determinar la fuerza de unión de la interfaz unida. ^[11] La muestra en forma de galón está diseñada a partir de franjas unidas en forma de triángulo. El espacio de la punta del triángulo de la estructura de chevrón se utiliza como brazo de palanca para la fuerza aplicada. Esto reduce la fuerza requerida para iniciar la grieta. Las dimensiones de las estructuras de micro chevron están en el rango de varios milímetros y normalmente tienen un ángulo de muesca de chevron de 70°. ^[13] Este patrón de chevron se fabrica mediante grabado con iones húmedos o reactivos. ^[12]

La prueba MC se aplica con un sello de muestra especial pegado al borde no adherido de las estructuras procesadas. La muestra se carga en un probador de tracción y la carga se aplica perpendicular al área adherida. Cuando la carga iguala las condiciones máximas soportables, se inicia una grieta en la punta de la muesca en forma de V.´ ^[13]

Al aumentar la tensión mecánica mediante una carga mayor, se pueden observar dos efectos opuestos. En primer lugar, la resistencia contra la expansión de la grieta aumenta basándose en la unión cada vez mayor de la primera mitad de forma triangular del patrón de chevrón. En segundo lugar, el brazo de palanca se hace más largo a medida que aumenta la longitud de la fisura . A partir de la longitud crítica de la grieta se inicia una expansión inestable de la grieta y la destrucción de la muestra. ^[13] La longitud crítica de la fisura corresponde a la fuerza máxima en un diagrama fuerza-longitud y a un mínimo de la función geométrica . ^[14] ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle a_{c}}$ ${\displaystyle a_{c}}$ ${\displaystyle F_{max}}$ ${\displaystyle Y_{MIN}}$

La tenacidad a la fractura se puede calcular con fuerza, ancho y espesor máximos : ${\displaystyle K_{IC}}$ ${\displaystyle w}$ ${\displaystyle t}$

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

La fuerza máxima se determina durante la prueba y el coeficiente de intensidad de tensión mínima se determina mediante simulación FE. ^[15] Además, la tasa de liberación de energía se puede determinar con un módulo de elasticidad y una relación de Poisson de la siguiente manera.´ ^[13] ${\displaystyle F_{MAX}}$ ${\displaystyle Y_{MIN}}$ ${\displaystyle G_{IC}}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle v}$

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

La ventaja de esta prueba es su alta precisión en comparación con otras pruebas de tracción o flexión. Es un enfoque eficaz, fiable y preciso para el desarrollo de enlaces de obleas, así como para el control de calidad de la producción de dispositivos micromecánicos. ^[12]

Prueba de bonos

La medición de la fuerza de unión o la prueba de unión se realiza mediante dos métodos básicos: prueba de tracción y prueba de corte. Ambas cosas se pueden hacer de forma destructiva, que es más común (también a nivel de oblea), o de forma no destructiva. Se utilizan para determinar la integridad de los materiales y los procedimientos de fabricación, y para evaluar el rendimiento general del marco de unión, así como para comparar varias tecnologías de unión entre sí. El éxito o fracaso de la unión se basa en la medición de la fuerza aplicada, el tipo de falla debido a la fuerza aplicada y la apariencia visual del medio residual utilizado.

Un avance en las pruebas de resistencia de la unión de estructuras compuestas unidas mediante adhesivo es la inspección de unión por láser (LBI). LBI proporciona un cociente de resistencia relativa derivado del nivel de fluencia de la energía láser aplicada al material para la prueba de resistencia en comparación con la resistencia de uniones previamente probadas mecánicamente con la misma fluencia del láser. LBI proporciona pruebas no destructivas de bonos que se prepararon adecuadamente y cumplen con los objetivos de ingeniería. ^[dieciséis]

Prueba de extracción

Pinzas USB que realizan tracción en frío (CPB) en un probador de unión

Medir la fuerza de la unión mediante pruebas de tracción suele ser la mejor manera de obtener el modo de falla que le interesa. Además, y a diferencia de una prueba de corte, a medida que la unión se separa, las superficies de fractura se separan entre sí, lo que permite un análisis preciso del modo de falla. Para tirar de una unión es necesario sujetar el sustrato y la interconexión; Debido al tamaño, la forma y las propiedades del material, esto puede resultar difícil, especialmente para la interconexión. En estos casos, un conjunto de puntas de pinzas formadas y alineadas con precisión con un control preciso de su apertura y cierre probablemente marque la diferencia entre el éxito y el fracaso. ^[17]

El tipo más común de prueba de tracción es la prueba de tracción de cables. La prueba de tracción del cable aplica una fuerza hacia arriba debajo del cable, alejándolo efectivamente del sustrato o matriz.

Prueba de corte

La prueba de corte es el método alternativo para determinar la resistencia que puede soportar una unión. Existen varias variantes de pruebas de corte. Al igual que con las pruebas de extracción, el objetivo es recrear el modo de falla de interés en la prueba. Si eso no es posible, el operador debe concentrarse en poner la mayor carga posible sobre la unión. ^[18]

Interferómetros de luz blanca

La interferometría de luz blanca se utiliza habitualmente para detectar deformaciones de la superficie de la oblea basándose en mediciones ópticas. La luz de baja coherencia procedente de una fuente de luz blanca pasa a través de la oblea superior óptica, por ejemplo, una oblea de vidrio, hasta la interfaz de unión. Generalmente existen tres interferómetros de luz blanca diferentes:

• interferómetros de rejilla de difracción
• Interferómetros de barrido vertical o de sonda de coherencia.
• Interferómetros de placa de dispersión de luz blanca.

Para el interferómetro de luz blanca, la posición de la franja de interferencia de orden cero y el espaciado de las franjas de interferencia deben ser independientes de la longitud de onda. ^[19] La interferometría de luz blanca se utiliza para detectar deformaciones de la oblea. La luz de baja coherencia procedente de una fuente de luz blanca pasa a través de la oblea superior hasta el sensor. La luz blanca es generada por una lámpara halógena y modulada. Un espectrómetro detecta el espectro de la luz reflejada en la cavidad del sensor. El espectro capturado se utiliza para obtener la longitud de la cavidad del sensor. La longitud de la cavidad d corresponde a la presión aplicada y está determinada por el espectro de reflexión de la luz del sensor. Este valor de presión se muestra posteriormente en una pantalla. La longitud de la cavidad se determina usando ${\displaystyle d}$

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

como índice de refracción del material de la cavidad del sensor y como picos adyacentes en el espectro de reflexión. ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \lambda _{1}}$ ${\displaystyle \lambda _{2}}$

La ventaja de utilizar la interferometría de luz blanca como método de caracterización es la influencia en la reducción de la pérdida por flexión. ^[20]

Referencias

1. Khan, MF; Ghavanini, FA; Haasl, S.; Löfgren, L.; Persson, K.; Rusu, C.; Schjølberg-Henriksen, K.; Enoksson, P. (2010). "Métodos para la caracterización de la encapsulación a nivel de oblea aplicada sobre silicio a la unión anódica LTCC". Revista de Micromecánica y Microingeniería . 20 (6): 064020. Código bibliográfico : 2010JMiMi..20f4020K. doi :10.1088/0960-1317/20/6/064020. S2CID  111119698.
2. Cui, Z. (2008). "Enlace anódico". En Li, D. (ed.). Enciclopedia de Microfluídica y Nanofluídica . Springer Ciencia+Business Media, LLC. págs. 50–54. ISBN 978-0-387-48998-8.
3. Mack, S. (1997). Eine vergleichende Untersuchung der physikalisch-chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und anodischer verbundener Festkörper (Informe). Jena: Instituto Max Planck. ISBN 3-18-343602-7.
4. Farrens, S. (2008). "Embalaje a nivel de oblea a base de metal". SMT y embalaje globales .
5. Weldon, MK; Marsico, VE; Chabal, YJ; Hamann, DR; Christman, SB; Chaban, EE (1996). "Espectroscopia infrarroja como sonda de procesos fundamentales en microelectrónica: limpieza y unión de obleas de silicio". Ciencia de la superficie . 368 (1–3): 163–178. Código bibliográfico : 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). "Desarrollo y evaluación de la unión de obleas eutécticas de AuSi". Conferencia sobre sensores, actuadores y microsistemas de estado sólido, 2009. TRANSDUCTORES 2009. Internacional . págs. 244-247. doi :10.1109/SENSOR.2009.5285519.
7. Bien, S.; Tomás, R.; Adams, T. (2008). "Caracterización acústica de obleas unidas". Transacciones ECS . 16 (8): 425–428. Código Bib : 2008ECSTr..16h.425S. doi : 10.1149/1.2982896. S2CID  137175862.
8. {{citar revista \|autor = Vallin, Ö. |autor2=Jonsson, K. |autor3=Lindberg, U. |título = Métodos de cuantificación de adhesión para la unión de obleas |revista = Ciencia e ingeniería de materiales: R: Informes |año = 2005 |volumen = 50 |páginas = 109–165 |número = 4–5 |doi = 10.1016/j.mser.2005.07.002 }}
9. Nötzold, K.; Graf, J.; Müller-Fiedler, R. (2008). "Una prueba de flexión de cuatro puntos para la evaluación de la estabilidad de microsensores moldeados unidos con frita de vidrio". Fiabilidad de la microelectrónica . 48 (8–9): 1562–1566. doi :10.1016/j.microrel.2008.07.001.
10. Wünsch, D.; Müller, B.; Wiemer, M.; Gessner, T.; Mischke, H. (mayo de 2010). "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) . Darmstadt: VDE Verlag GmbH Berlín Offenbach. págs. 66–71. ISBN 978-3-8007-3253-1.
11. Wiemer, M.; Frömel, J.; Chenping, J.; Haubold, M.; Gessner, T. (2008). "Tecnologías Waferbond y evaluación de la calidad". Congreso de Tecnología y Componentes Electrónicos, 2008. ECTC 2008. 58º . págs. 319–324. doi :10.1109/ECTC.2008.4549989.
12. Petzold, M.; Knoll, H.; Bagdahn, J. (2001). "Evaluación de la resistencia de componentes micromecánicos adheridos a obleas mediante la prueba Micro-Chevron". Fiabilidad, pruebas y caracterización de MEMS/MOEMS . doi :10.1117/12.442994.
13. Schneider, A.; Rango, H.; Müller-Fiedler, R.; Wittler, O.; Reichl, H. (2009). "Stabilitätsbewertung eutektisch gebondeter Sensorstrukturen auf Waferlevel". En Hermann, G. (ed.). 9. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik . págs. 51–56.
14. Petzold, M.; Dresbach, C.; Ebert, M.; Bagdahn, J.; Wiemer, M.; Glien, K.; Graf, J.; Müller-Fiedler, R.; Höfer, H. (2006). "Investigación de la vida útil mecánica de fracturas de sensores unidos por frita de vidrio". Décima Conferencia Intersociedad sobre Fenómenos Térmicos y Termomecánicos en Sistemas Electrónicos, 2006. ITHERM '06 . págs. 1343-1348. doi :10.1109/ITHERM.2006.1645501.
15. Vogel, K.; Wünsch, D.; Shaporin, A.; Mehner, J.; Billep, D.; Wiemer, D. (2010). "Propagación de grietas en muestras de prueba de micro-chevron de obleas de silicio-silicio unidas directamente". IX Simposio Juvenil de Mecánica Experimental de Sólidos . págs. 44–47.
16. Arrigoni, Michel. "Prueba de unión adhesiva mediante ondas de choque inducidas por láser".
17. Sykes, Bob (mayo de 2014). "Avances en las pruebas de tracción con pinzas". Revisión de la escala de chips.
18. Sykes, Bob (junio de 2010). "¿Por qué probar los bonos?". Revista global SMT y embalaje.
19. Wyant, JC (2002). "Interferometría de luz blanca". En H. John Caulfield (ed.). Holografía: un tributo a Yuri Denisyuk y Emmett Leith . vol. 4737, págs. 98-107. doi : 10.1117/12.474947. S2CID  123532345.
20. Totsu, K.; Haga, Y.; Esashi, M. (2005). "Sensor de presión de fibra óptica ultraminiatura mediante interferometría de luz blanca". Revista de Micromecánica y Microingeniería . 15 (1): 71–75. Código Bib : 2005JMiMi..15...71T. doi :10.1088/0960-1317/15/1/011. S2CID  250923158.