Характеристики вафельной связи
Определение характеристик пластинчатых соединений основано на различных методах и тестах. Большое значение имеют успешные склеенные пластины без дефектов. Эти дефекты могут быть вызваны образованием пустот на границе раздела из-за неровностей или примесей . Соединение используется для разработки соединений между пластинами или оценки качества изготовленных пластин и датчиков.
Обзор
[ редактировать ]Вафельные соединения обычно характеризуются тремя важными параметрами инкапсуляции: прочностью соединения, герметичностью инкапсуляции и напряжением, вызванным соединением. [1]
Прочность соединения можно оценить с помощью испытаний двойной консольной балки или шеврона или микрошеврона. Другие испытания на растяжение, а также на разрыв, испытания на прямой сдвиг или испытания на изгиб позволяют определить прочность соединения. [2] упаковки Герметичность оценивается с помощью мембранных испытаний, испытаний на утечку гелия, резонаторных испытаний/давления. [1]
Тремя дополнительными возможностями для оценки связи являются оптические, электронные и акустические измерения и приборы . Сначала методы оптических измерений используют оптический микроскоп , трансмиссионную ИК-микроскопию и визуальный контроль. Во-вторых, электронные измерения обычно применяются с использованием электронного микроскопа , например, сканирующей электронной микроскопии (SEM), электронной микроскопии пропускания высокого напряжения (HVTEM) и сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения (HRSEM). И, наконец, типичными подходами к акустическим измерениям являются сканирующий акустический микроскоп (SAM), сканирующий лазерный акустический микроскоп (SLAM) и сканирующий акустический микроскоп C-режима (C-SAM).
Подготовка образцов сложна, а механические и электронные свойства важны для характеристики и сравнения технологии склеивания. [3]
Инфракрасная (ИК) трансмиссионная микроскопия
[ редактировать ]Инфракрасная (ИК) визуализация пустот возможна, если анализируемые материалы ИК-прозрачны, то есть кремний . Этот метод дает быстрое качественное исследование. [4] и очень подходит из-за своей чувствительности к поверхности и подземному интерфейсу. Он получает информацию о химической природе поверхности и интерфейса.
Инфракрасное излучение основано на том факте, что кремний полупрозрачен при длине волны ≥ 1,2 мкм. Оборудование состоит из инфракрасной лампы в качестве источника света и инфракрасной видеосистемы (см. рисунок «Схема установки инфракрасной просвечивающей микроскопии»).
Система ИК-изображения позволяет анализировать волну связи и, кроме того, микромеханические структуры, а также деформации кремния. Эта процедура позволяет также анализировать многослойные связи. [3] Контраст изображения зависит от расстояния между пластинами . Обычно при использовании монохроматического цветного ИК-излучения центр пластины отображается ярче в зависимости от близости. Частицы на границе раздела образуют хорошо видимые пятна разного контраста из-за интерференционных полос (распространения волн) . [5] Нескрепленные области могут быть показаны, если отверстие пустоты (высота) составляет ≥ 1 нм. [4]
Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FT-IR)
[ редактировать ]Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FT-IR) — это неразрушающий метод определения герметичности. Поглощение излучения позволяет проводить анализ газов с определенной длиной волны. [6]
Ультразвуковая микроскопия
[ редактировать ]Ультразвуковая микроскопия использует высокочастотные звуковые волны для изображения связанных интерфейсов. Деионизированная вода используется в качестве акустической среды между электромагнитным акустическим преобразователем и пластиной. [4] [7]
Этот метод работает с помощью ультразвукового преобразователя, сканирующего пластину. Отраженный звуковой сигнал используется для создания изображения. Латеральное разрешение зависит от частоты ультразвука, диаметра акустического луча и отношения сигнал/шум (контраст).
Нескрепленные участки, т.е. загрязнения или пустоты, не отражают ультразвуковой луч, как склеенные участки, поэтому возможна оценка качества склеивания. [3]
Испытание двойной консольной балки (DCB)
[ редактировать ]Испытание двойной консольной балкой , также называемое методом раскрытия трещин или методом бритвенного лезвия, представляет собой метод определения прочности соединения. Это достигается путем определения энергии склеиваемых поверхностей. Между склеенной парой пластин вставляется лезвие определенной толщины. Это приводит к разрыву бондовой связи. [3] Длина трещины равно расстоянию между кончиком лезвия и кончиком трещины и определяется с использованием проходящего ИК-излучения. Инфракрасный свет способен осветить трещину при использовании материалов, прозрачных для ИК или видимого света. [8] Если вязкость поверхности излома очень высока, очень трудно вставить лезвие, и существует опасность разрушения пластин при вдвижении лезвия. [3]
Тест DCB характеризует зависящую от времени прочность посредством оценки механического разрушения и поэтому хорошо подходит для прогнозирования срока службы. [9] Недостатком этого метода является то, что между введением лезвия и временем получения ИК-изображения на результаты может повлиять. Кроме того, погрешность измерения увеличивается при высокой поверхностной вязкости разрушения, что приводит к меньшей длине трещины или разрушению пластин при введении лопатки, а также к влиянию четвертой степени измеренной длины трещины. Измеренная длина трещины определяет поверхностную энергию. по отношению к прямоугольному образцу балки.
Тем самым Юнга модуль , толщина пластины, толщина лезвия и измеренная длина трещины. [10] В литературе упоминаются различные модели DCB, т.е. подходы к измерению Масзары, Гиллиса и Гилмана, Сроули и Гросса, Каннинена или Уильямса. Наиболее часто используемые подходы принадлежат Масзаре или Гиллису и Гилману. [8]
Модель Машары
[ редактировать ]Модель Масзара пренебрегает напряжением сдвига, а также напряжением в несколотой части для полученных длин трещин. Соответствие симметричного образца DCB описывается следующим образом:
Податливость определяется по длине трещины. , ширина и толщина балки . определяет модуль Юнга. Энергия поверхностного разрушения является:
с как смещение точки нагрузки.
Модель Гиллиса и Гилмана
[ редактировать ]Подход Гиллиса и Гилмана учитывает силы изгиба и сдвига в балке. Уравнение соответствия:
Первый срок описывает энергию деформации кантилевера вследствие изгиба. Второе слагаемое представляет собой вклад упругих деформаций в несколотой части образца, а третье слагаемое учитывает сдвиговую деформацию. Поэтому, и зависят от состояния неподвижного конца кантилевера. Коэффициент сдвига зависит от геометрии поперечного сечения балки.
Шевронный тест
[ редактировать ]Шевронный тест используется для определения вязкости разрушения. хрупких строительных материалов. Вязкость разрушения является основным параметром материала для анализа прочности соединения.
При шевронном испытании используется специальная геометрия надреза для образца, нагруженного возрастающей растягивающей силой. Геометрия шевронного выреза обычно имеет форму треугольника с различным рисунком соединения. При определенной растягивающей нагрузке трещина начинается на кончике шеврона и растет при непрерывном приложении нагрузки, пока не будет достигнута критическая длина. [11] Рост трещины становится неустойчивым и ускоряется, что приводит к разрушению образца. [8] Критическая длина зависит только от геометрии образца и условий нагружения. Вязкость разрушения обычно определяется путем измерения зарегистрированной разрушающей нагрузки в ходе испытания. Это повышает качество и точность испытаний, а также уменьшает разброс результатов измерений. [11]
Два подхода, основанные на скорости выделения энергии или коэффициент интенсивности напряжения , можно использовать для объяснения метода испытания шеврона. [8] Перелом возникает, когда или достигают критического значения, описывающего вязкость разрушения или . Преимущество использования образца с шевронным надрезом связано с образованием заданной трещины четко определенной длины. [12] Недостатком подхода является то, что склейка, необходимая для загрузки, занимает много времени и может вызвать разброс данных из-за несовпадения. [8]
Тест микрошеврона (MC)
[ редактировать ]Испытание на микрошеврон (MC) представляет собой модификацию испытания на шеврон, в котором используется образец определенного и воспроизводимого размера и формы. Тест позволяет определить критическую скорость энерговыделения. и критическая вязкость разрушения . [13] Его обычно используют для характеристики прочности соединения пластин, а также надежности. Характеристика надежности определяется на основе механической оценки критического отказа. [9] Оценка определяется путем анализа вязкости разрушения, а также устойчивости к распространению трещин. [10]
Вязкость разрушения позволяет сравнивать прочностные характеристики независимо от конкретной геометрии образца. [12] Кроме того, можно определить прочность соединения связанного интерфейса. [11] Образец шеврона выполнен из склеенных полос в форме треугольника. Пространство кончика треугольника шевронной конструкции используется в качестве рычага для приложенной силы. Это уменьшает силу, необходимую для возникновения трещины. Размеры микрошевронных структур находятся в пределах нескольких миллиметров и обычно имеют угол шевронного выреза 70°. [13] Этот шевронный рисунок изготавливается с использованием влажного или реактивного ионного травления. [12]
Испытание MC проводится с помощью специального штампа-образца, наклеиваемого на несклеенный край обрабатываемых конструкций. Образец загружается в прибор для испытания на растяжение и нагрузка прикладывается перпендикулярно месту соединения. Когда нагрузка достигает максимально допустимых условий, на кончике шевронной выемки возникает трещина». [13]
При увеличении механического напряжения посредством более высокой нагрузки можно наблюдать два противоположных эффекта. Во-первых, устойчивость к расширению трещин увеличивается за счет увеличения сцепления первой половины шевронного рисунка треугольной формы. Во-вторых, плечо рычага становится длиннее с увеличением длины трещины. . От критической длины трещины начинается нестабильное расширение трещины и разрушение образца. [13] Критическая длина трещины соответствует максимальной силе на диаграмме сила-длина и минимум геометрической функции . [14]
Вязкость разрушения можно рассчитать с максимальной силой, шириной и толщина :
Максимальная сила определяется в ходе испытания и минимальный коэффициент интенсивности напряжений определяется моделированием FE. [15] Кроме того, скорость энерговыделения можно определить с помощью как модуль упругости и как коэффициент Пуассона следующим образом. [13]
Преимуществом этого испытания является высокая точность по сравнению с другими испытаниями на растяжение или изгиб. Это эффективный, надежный и точный подход для разработки межпластинных соединений, а также для контроля качества производства микромеханических устройств. [12]
Тестирование облигаций
[ редактировать ]Измерение прочности соединения или тестирование сцепления выполняется двумя основными методами: испытание на растяжение и испытание на сдвиг. И то и другое можно сделать деструктивно, что более распространено (также на уровне пластины), или недеструктивно. Они используются для определения целостности материалов и технологических процессов изготовления, а также для оценки общих характеристик склеивания каркаса, а также для сравнения различных технологий склеивания друг с другом. Успех или неудача соединения зависит от измерения приложенной силы, типа разрушения из-за приложенной силы и внешнего вида используемой остаточной среды.
Развитием в тестировании прочности соединения клеевых композитных структур является лазерный контроль соединения (LBI). LBI обеспечивает коэффициент относительной прочности, полученный на основе уровня плотности энергии лазера, подаваемого на материал для испытания на прочность, по сравнению с прочностью связей, ранее механически испытанных при той же плотности энергии лазера. LBI обеспечивает неразрушающий контроль соединений, которые были надлежащим образом подготовлены и соответствуют инженерным замыслам. [16]
Вытягивающее тестирование
[ редактировать ]Измерение прочности соединения путем испытания на растяжение часто является лучшим способом определить интересующий вас режим разрушения. Кроме того, в отличие от испытания на сдвиг, при разрыве связи поверхности излома отрываются друг от друга, что обеспечивает точный анализ видов разрушения. Для вытягивания соединения необходимо захватить подложку и межсоединение; из-за размера, формы и свойств материала это может быть сложно, особенно при соединении. В этих случаях набор точно сформированных и выровненных кончиков пинцета с точным контролем их открытия и закрытия, скорее всего, станет решающим фактором успеха или неудачи. [17]
Наиболее распространенным типом испытаний на растяжение является испытание на растяжение проволоки. При тестировании на растяжение проволоки под проволокой применяется направленная вверх сила, которая эффективно отрывает ее от подложки или матрицы.
Испытание на сдвиг
[ редактировать ]Испытание на сдвиг является альтернативным методом определения прочности, которую может выдержать соединение. Существуют различные варианты испытаний на сдвиг. Как и в случае с pull-тестированием, цель состоит в том, чтобы воссоздать интересующий режим отказа в тесте. Если это невозможно, оператору следует сосредоточиться на максимально возможной нагрузке на соединение. [18]
Интерферометры белого света
[ редактировать ]Интерферометрия белого света обычно используется для обнаружения деформаций поверхности пластины на основе оптических измерений. Свет с низкой когерентностью от источника белого света проходит через верхнюю оптическую пластину, например стеклянную пластину, к интерфейсу соединения. Обычно имеется три разных интерферометра белого света:
- интерферометры с дифракционной решеткой
- интерферометры с вертикальным сканированием или когерентным зондом
- Интерферометры с пластинами рассеяния белого света
Для интерферометра белого света положение интерференционных полос нулевого порядка и расстояние между интерферометрическими полосами не должны зависеть от длины волны. [19] Интерферометрия белого света используется для обнаружения деформаций пластины. Свет низкой когерентности от источника белого света проходит через верхнюю пластину к датчику. Белый свет генерируется галогенной лампой и модулируется. Спектр отраженного света полости датчика регистрируется спектрометром. Захваченный спектр используется для определения длины резонатора датчика. Длина полости d соответствует приложенному давлению и определяется спектром отражения света датчика. Это значение давления впоследствии отображается на экране. Длина полости определяется с помощью
с как показатель преломления материала полости датчика, и как соседние пики в спектре отражения.
Преимущество использования интерферометрии белого света в качестве метода определения характеристик заключается в уменьшении потерь на изгибе. [20]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Хан, МФ; Гаванини, ФА; Хаасл, С.; Лёфгрен, Л.; Перссон, К.; Русу, К.; Шьёльберг-Хенриксен, К.; Энокссон, П. (2010). «Методы определения характеристик инкапсуляции на уровне пластины, нанесенной на кремний для анодного соединения LTCC». Журнал микромеханики и микроинженерии . 20 (6): 064020. Бибкод : 2010JMiMi..20f4020K . дои : 10.1088/0960-1317/20/6/064020 . S2CID 111119698 .
- ^ Куи, З. (2008). «Анодное соединение». Ин Ли, Д. (ред.). Энциклопедия микрофлюидики и нанофлюидики . Спрингер Сайенс+Бизнес Медиа, ООО. стр. 50–54 . ISBN 978-0-387-48998-8 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Мак, С. (1997). Сравнительное исследование физико-химических процессов на границе раздела прямо- и анодно-связанных твердых тел (Доклад). Йена: Институт Макса Планка. ISBN 3-18-343602-7 .
- ^ Jump up to: а б с Фарренс, С. (2008). «Металлическая вафельная упаковка». Глобальное SMT и упаковка .
- ^ Уэлдон, МК; Марсико, Вирджиния; Чабал, Ю.Дж.; Хаманн, доктор медицинских наук; Кристман, С.Б.; Чабан, Э.Э. (1996). «Инфракрасная спектроскопия как исследование фундаментальных процессов в микроэлектронике: очистка и соединение кремниевых пластин». Поверхностная наука . 368 (1–3): 163–178. Бибкод : 1996SurSc.368..163W . дои : 10.1016/S0039-6028(96)01046-1 .
- ^ Лин, Ю.-К.; Баум, М.; Хаубольд, М.; Фромель, Дж.; Вимер, М.; Гесснер, Т.; Эсаши, М. (2009). «Разработка и оценка эвтектического соединения пластин AuSi». Конференция по твердотельным датчикам, приводам и микросистемам, 2009. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 2009. Международная конференция . стр. 244–247. дои : 10.1109/SENSOR.2009.5285519 .
- ^ Суд, С.; Томас, Р.; Адамс, Т. (2008). «Акустическая характеристика склеенных пластин». ECS-транзакции . 16 (8): 425–428. Бибкод : 2008ECSTr..16h.425S . дои : 10.1149/1.2982896 . S2CID 137175862 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г {{цитировать журнал \|author=Валлин, О. |author2=Джонссон, К. |author3=Линдберг, У. |title = Методы количественного определения адгезии для склеивания пластин |journal = Материаловедение и инженерия: R: Отчеты |год = 2005 |объем = 50 |страницы = 109–165 |число = 4–5 |doi = 10.1016/j.mser.2005.07.002 }}
- ^ Jump up to: а б Нётцольд, К.; Граф, Дж.; Мюллер-Фидлер, Р. (2008). «Испытание на четырехточечный изгиб для оценки стабильности формованных микросенсоров, связанных со стеклянной фриттой». Надежность микроэлектроники . 48 (8–9): 1562–1566. doi : 10.1016/j.microrel.2008.07.001 .
- ^ Jump up to: а б Желание, Д.; Мюллер, Б.; Вимер, М.; Гесснер, Т.; Мишке, Х. (май 2010 г.). «Активация плазмой низкого давления для производства кремниевых композитов в низкотемпературном диапазоне и их характеристика с помощью микрошевронного теста». Технологии и материалы в микросистемах и нанотехнологиях (кафедра ГММ том 65) . Дармштадт: VDE Verlag GmbH Берлин Оффенбах. стр. 66–71. ISBN 978-3-8007-3253-1 .
- ^ Jump up to: а б с Вимер, М.; Фремель, Дж.; Ченпинг, Дж.; Хаубольд, М.; Гесснер, Т. (2008). «Вафельные технологии и оценка качества». Конференция по электронным компонентам и технологиям, 2008 г. ECTC 2008. 58-я . стр. 319–324. дои : 10.1109/ECTC.2008.4549989 .
- ^ Jump up to: а б с д и Петцольд, М.; Нолл, Х.; Багдан, Дж. (2001). «Оценка прочности пластинчатых микромеханических компонентов с использованием Micro-Chevron-Test». Надежность, тестирование и характеристика MEMS/MOEMS . дои : 10.1117/12.442994 .
- ^ Jump up to: а б с д и Шнайдер, А.; Ранг, Х.; Мюллер-Фидлер, Р.; Виттлер, О.; Райхл, Х. (2009). «Оценка стабильности эвтектически связанных сенсорных структур на уровне пластины». В Германне, Г. (ред.). 9-я Хемницкая конференция по микромеханике и микроэлектронике . стр. 51–56.
- ^ Петцольд, М.; Дресбах, К.; Эберт, М.; Багдан, Дж.; Вимер, М.; Глиен, К.; Граф, Дж.; Мюллер-Фидлер, Р.; Хефер, Х. (2006). «Исследование механического разрушения датчиков на основе стеклянных фритт на срок службы». Десятая межобщественная конференция по термическим и термомеханическим явлениям в электронных системах, 2006 г. ITHERM '06 . стр. 1343–1348. дои : 10.1109/ITHERM.2006.1645501 .
- ^ Фогель, К.; Вюнш, Д.; Шапорин А.; Менер, Дж.; Биллеп, Д.; Вимер, Д. (2010). «Распространение трещин в микрошевронных тестовых образцах кремний-кремниевых пластин прямой связи». 9-й молодежный симпозиум по экспериментальной механике твердого тела . стр. 44–47.
- ^ Арригони, Мишель. «Испытание клеевого соединения ударными волнами, индуцированными лазером» .
- ^ Сайкс, Боб (май 2014 г.). «Достижения в тестировании на растяжение пинцетом» . Обзор масштаба чипа.
- ^ Сайкс, Боб (июнь 2010 г.). «Зачем тестировать облигации?» . Журнал Global SMT & Packaging.
- ^ Вайант, Дж. К. (2002). «Интерферометрия белого света». В Х. Джон Колфилд (ред.). Голография: дань уважения Юрию Денисюку и Эммету Лейту . Том. 4737. стр. 98–107. дои : 10.1117/12.474947 . S2CID 123532345 .
- ^ Тоцу, К.; Хага, Ю.; Эсаши, М. (2005). «Сверхминиатюрный оптоволоконный датчик давления с использованием интерферометрии белого света» . Журнал микромеханики и микроинженерии . 15 (1): 71–75. Бибкод : 2005JMiMi..15...71T . дои : 10.1088/0960-1317/15/1/011 . S2CID 250923158 .