一种用于测量铜填充TSV孔界面强度的测试方法

摘要

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。

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ΔE_plast ，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ΔE_frict ，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ΔE_elast1。

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

$\Delta E_{\mathrm{elast}2}=\frac{E{\mathrm{\pi r}}^2{\mathrm{\Delta l}}^2}{2h}$

得到另一部分弹性功ΔE_elast2，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=ΔE_elast1+ΔE_elast2+ΔE_plast+ΔE_frict+ΔE_crack

得到界面开裂功ΔE_crack， 式中，W是压头所做的总功，ΔE_plast 是压头所 做的塑性功，ΔE_frict 是压头所做的摩擦功，ΔE_elast1是部分弹性功，ΔE_elast2是压头所做的另一部分弹性功。

根据公式

$G=\frac{\Delta E_{\mathrm{crack}}}{2\mathrm{\pi rh}}$

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ΔE_elast1（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ΔE_frict（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

${\mathrm{\Delta E}}_{\mathrm{elast}2}=\frac{{\mathrm{E\pi r}}^2{\mathrm{\Delta l}}^2}{2h}$

得到另一部分弹性功ΔE_elast2，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=ΔE_elast1+ΔE_elast2+ΔE_plast+ΔE_frict+ΔE_crack

得到界面开裂功ΔE_crack ，式中，W是压头所做的总功，ΔE_plast 是压头所 做的塑性功，ΔE_frict 是压头所做的摩擦功，ΔE_elast1是部分弹性功，ΔE_elast2是压头所做的另一部分弹性功。

根据公式

$G=\frac{{\mathrm{\Delta E}}_{\mathrm{crack}}}{2\mathrm{\pi rh}}$

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。