一种用于测量TSV电镀铜残余应力的试样夹持与定位装置

摘要

一种用于测量TSV电镀铜残余应力的试样夹持与定位装置，属于三维电子封装测试领域。其包括簧片、夹具底座、精密位移台、夹具座、调整臂、螺钉，其中夹具底座上有导轨，导轨底面上有长方形缝隙，实验时试样可沿导轨滑动，试样上的每排铜柱可分别与缝隙对齐，进行实验。簧片通过螺钉固定在夹具底座上，实验时簧片对试样施加向下的压力，固定试样。夹具座和调整臂通过螺栓固定在精密位移台上，夹具座上有圆形通孔和定位条，同于在调整试样位置的时候定位夹具。本发明结构简单、易于操作、并能实现试样在微米尺度上的精确定位。

说明书

技术领域

本发明涉及先进三维电子封装技术中的TSV电镀铜工艺残余应 力测试技术以及复合材料增强纤维与基体界面应力测试技术。

背景技术

在一种针对TSV-Cu在制作过程中产生的工艺残余应力进行测试 的实验中，需要得到将电镀铜柱从TSV通孔中压出时的Cu-Si界面 上的平均切应力和铜柱-TSV通孔相对位移之间的关系曲线，图1为 实验原理示意图。图2为TSV转接板的顶面示意图，图3为A-A剖 面的剖面示意图，其中6为TSV转接板的硅板，7为电镀铜柱。试验 时使用的试样为尺寸长、宽均为8毫米，厚度为100微米～200微米 的TSV转接板，TSV直径为30微米，一块TSV转接板上有上百个 TSV通孔，因此，在进行实验的时候保证TSV通孔与载台通孔的对 中的问题以及使一次装卡即可满足对多个通孔的应力测量非常困难。 为解决上述问题，需要设计一种方便铜柱与载台精确对中并能满足对 多个铜柱进行试验的载台及试样装卡的方法。

发明内容

本发明提出一种用于测量TSV铜柱的压出应力的试样夹具及用 于精确调整试样在夹具上的位置的调整台，使用调整台可以实现TSV 转接板上的多排电镀铜柱分别和夹具上的缝隙对齐。实验时先将装卡 上试样的夹具放在调整台上在显微镜下调整电镀铜柱的位置，然后取 下夹具放在纳米压痕仪上使用圆柱形压头压出铜柱，并得到电镀铜柱 压出时的载荷位移曲线，从而保证TSV残余应力测试实验简便可行， 并保证结果准确可信。

本发明采用如下技术方案：

一种用于测量TSV电镀铜残余应力的TSV转接板8夹持与定位 装置，其特征在于：其由夹具和调整台两部分组成；其中夹具部分包 括夹具底座10和弹簧片9，其中夹具底座10上面有深度和簧片9厚 度相同的定位簧片的凹槽23，簧片9用于在安装时卡入定位簧片的 凹槽23中固定TSV转接板8，簧片9将TSV转接板8进行定位，夹 具底座10上有螺纹孔21，夹具底座10和簧片9通过螺钉I11固定； 夹具底座10为圆柱形，可以放在纳米压痕仪的载台上进行实验，夹 具底座10上有沿半径方向贯穿的方形的用于TSV转接板8滑动的导 轨22，凹槽23位于导轨22两侧；实验时TSV转接板8TSV转接板 8可以沿导轨22滑动，TSV转接板8由在硅板6上阵列布置电镀铜 柱7组成，导轨22的底面上沿着导轨22宽度方向设置有宽度比电镀 铜柱7尺寸大的缝隙25，缝隙25的长度和导轨22的宽度相同，缝 隙25沿夹具底座10的轴向方向贯穿夹具底座10；在导轨22的一端 有一段用于装卡TSV转接板8的坡道，在装卡TSV转接板8的时候 将TSV转接板8从这段坡道插入导轨22，TSV转接板8高度沿着坡 道上升并顶起固定在夹具底座10上的簧片9，簧片9上有沿着导轨 两侧面向下的用于压紧TSV转接板8的条形凸台20，条形凸台20 对TSV转接板8有向下的压力，将TSV转接板8压在导轨22上， 实现对TSV转接板8的固定。在所述的坡道上有一个矩形凹槽26， 在精确调整TSV转接板8位置时，调整台上的调整臂14的接触头33 可以沿矩形凹槽26移动，并且推动TSV转接板8在导轨22上缓慢 移动。在导轨22的两侧分别有和导轨22底面上的缝隙25同样宽度 并且和导轨22底面上的缝隙25在同一直线上的定位标识28，在实 验时可以使TSV转接板8上的一排电镀铜柱7通过导轨22两侧的定 位标识28对准导轨22底面上的缝隙25，这样在铜柱7压出时铜柱7 可以通过缝隙25落下。夹具底座10的底面上有沿半径方向的贯穿底 座的条形凹槽27，在夹具放在夹具座13上的时候，夹具座上的定位 条30可以卡在夹具底座上的条形凹槽内27内，从而保证夹具上导轨 22的方向和位移台上的台面16移动的方向在同一直线上，便于TSV 转接板8在夹具上位置的调整。

调整台部分包括位移台、夹具座13、调整臂14；夹具座13和调 整臂14都是通过螺钉II12和位移台固定，夹具座13上面有半径和夹 具底座10半径相同的用于放置夹具底座10的圆孔31，圆孔31底部 有宽度和条形凹槽27宽度相同的定位条30，定位条30在夹具放在 夹具座13上的时候刚好可以卡在夹具底面上的凹槽27内，这样既能 保证夹具上导轨22的方向，又能保证夹具不会从夹具座13底面与夹 具的底座重合。调整臂14通过螺钉II12固定在位移台的台面16上， 位移台台面沿着平行于夹具上导轨22的方向移动，随位移台的台面 16一起移动，调整臂14的另一端是长方形的结构，在调整TSV转接 板8在夹具上面的位置时，这段长方形的结构有一部分在沿夹具底座 10的凹槽26移动，推动TSV转接板8运动。

本发明可以取得如下有益效果：

1、本发明夹具上的导轨结构可满足一次装卡即可对TSV转接板 上的所有铜柱的压出应力进行测量，导轨底面上的缝隙可满足调整一 次TSV转接板的位置即可对一排铜柱的压出应力进行测量，使铜柱 与载台通孔的对中简单、精确，大大简化了实验的过程，节省实验成 本。

2、本发明使用簧片结构，既能满足TSV转接板的定位固定，又 可以满足TSV转接板在导轨上滑动定位，结构简单，使用方便。

3、本发明夹具和调整台结构简单，安装方便，使用可靠。

附图说明：

图1为实验原理示意图。

图2为实验使用的TSV试样的结构示意图。

图3为实验使用的TSV式样的剖面图。

图4为夹具安装到调整台上的结构示意图。

图5为簧片的结构示意图。

图6为夹具底座的结构示意图。

图7为簧片和夹具底座安装在一起的立体图。

图8为TSV转接板安装到夹具上之后的示意图。

图9为夹具座的示意图。

图10为调整臂的示意图。

图11为夹具座和调整臂安装到位移台上的示意图。

图中：

1—纳米压痕仪压头，2—铜柱，3—基板，4—式样载台，5—载 台通孔，6—硅板，7—电镀铜柱，8—TSV转接板，9—簧片，10—夹 具底座，11—螺钉Ⅰ，12—螺钉Ⅱ，13—夹具座，14—调整臂，15 —位移台底座，16—位移台台面，17—调整旋钮，18—连接通孔Ⅰ， 19—方形通孔，20—条形凸台，21—螺纹孔，22—导轨，23—定位簧 片的凹槽，24—方形凸台，25—缝隙，26—方形凹槽，27—条形凹槽 28—定位标识，29—连接通孔Ⅱ，30—定位条，31—圆孔，32—连接 通孔Ⅲ，33—接触头

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，将铜柱2与纳米压痕仪压头1对中，并保证铜柱2与载台 上的通孔5对中，施加图示方向的力将铜柱从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。

如图4所示为夹具安装到调整台上的结构示意图。

图5为根据本发明实施例绘制的簧片的结构图，在簧片安装在夹 具底座上的时候，方形通孔19和夹具底座上的方形凸台24配合，可 以实现簧片的精确定位。条形凸台20沿着导轨22的边缘向下延伸， 在TSV转接板8装卡在底座上时，簧片9向上翘起，条形凸台20和 TSV转接板8接触，对TSV转接板8产生向下的压力，固定TSV转 接板8。

图6为夹具底座的结构示意图，簧片9安装时，簧片刚好卡在凹 槽23内，起到固定和精确定位簧片9的作用。TSV转接板8装卡到 夹具上之后，可以沿导轨22方向滑动，在导轨22的一侧，有一段斜 坡，在装卡TSV转接板8的时候，TSV转接板8沿着斜坡上升顶起 簧片9，斜坡的设计便于TSV转接板8的装卡。在簧片安装到底座上 之后，方形凸台24和簧片9上的方形通孔19配合，同样起到固定和 精确定位簧片9位置的作用。在方形凸台24上加工有定位标识28， 该标识和导轨22底面上的缝隙25的宽度相同，并且在TSV转接板8 沿导轨22滑动的方向上和导轨22底面上的缝隙25重合，在调整TSV 转接板8在夹具上的位置的时候，将夹具安装在调整台上，使用显微 镜观察电镀铜柱7和定位标识28的相对位置，当电镀铜柱7和两个 定位标识28的连线重合的时候，电镀铜柱7压出时就能沿着导轨22 底面上的缝隙25下落。缝隙25的宽度比试样上电镀铜柱7的直径略 宽，实验时，使试样上的电镀铜柱7与缝隙25对齐，电镀铜柱7在 压出时可以沿着该缝隙25下落。导轨上带斜坡一侧有方形凹槽26， 因为实验时TSV转接板8的厚度只有0.2mm左右，为了保证在调整 TSV转接板8的位置时调整臂14与TSV转接板8的边缘良好的接触 而不会造成其损坏，调整臂14的底面应该比导轨22的底面略低，该 方形凹槽26可以满足这一条件，在调整TSV转接板8位置的时候， 调整臂14的接触头33可以沿该方形凹槽26移动。在夹具底座底面 上有条形凹槽27，在夹具安装在调整台上调整TSV转接板8的位置 的时候，该条形凹槽27和夹具座上的定位条30配合，使夹具上导轨 22的方向和调整台上调整臂14的移动的方向重合，同时保证夹具在 竖直方向的位置不变，方便快速定位。

图7为夹具的结构示意图，图中簧片9通过螺钉I11固定到夹具 底座10上。

图8为装卡上TSV转接板8的夹具的结构示意图，图中簧片9 产生向上的变形，对TSV转接板8产生向下的压力。

图9为夹具座的结构示意图，圆形通孔31的半径比夹具底座10 的半径略大0.05-0.1mm。安装时螺钉II12通过通孔II29将夹具座13 固定在精密位移台的基座15上。定位条30的宽度和高度和夹具底座 10上的条形凹槽27的尺寸相同，在调整TSV转接板8的时候，将夹 具从圆形通孔31放入夹具座13，使定位条30卡入夹具底座上的条 形凹槽27中，即可保证夹具的定位。

图10为调整臂的结构示意图，图中调整臂与试样接触的接触头 33的宽度比凹槽26的尺寸略窄。安装时螺钉12通过圆形通孔II29 将调整臂14固定在精密位移的台面16上。