Caracterización de la unión de obleas

La caracterización de la unión de obleas se refiere al proceso de evaluar la calidad y la resistencia de la unión entre dos obleas semiconductoras . Esta caracterización se basa en diferentes métodos y pruebas. Se considera de suma importancia que las obleas se unan correctamente y sin defectos. Dichos defectos pueden ser causados por la formación de huecos en la interfaz debido a irregularidades o impurezas . La conexión de unión se caracteriza para el desarrollo de uniones de obleas o para la evaluación de la calidad de las obleas y sensores fabricados.

Descripción general

Las uniones de obleas se caracterizan comúnmente por tres parámetros de encapsulación importantes: resistencia de la unión, hermeticidad de la encapsulación y tensión inducida por la unión. ^{[ 1 ]}

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

Tres posibilidades adicionales para evaluar la conexión de la unión son las mediciones e instrumentación ópticas, electrónicas y acústicas . En primer lugar, las técnicas de medición óptica utilizan un microscopio óptico , microscopía de transmisión infrarroja e inspección visual. En segundo lugar, la medición electrónica se aplica comúnmente mediante un microscopio electrónico , por ejemplo, microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión de alto voltaje (HVTEM) y microscopía electrónica de barrido de alta resolución (HRSEM). Finalmente, los métodos típicos de medición acústica son el microscopio acústico de barrido (SAM), el microscopio acústico láser de barrido (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 mediante infrarrojos (IR) es posible si los materiales analizados son transparentes a los infrarrojos, como el silicio . Este método permite un examen cualitativo rápido ^{[ 4 ]} y resulta muy adecuado debido a su sensibilidad a la superficie y a la interfaz enterrada. Permite obtener información sobre la naturaleza química de la superficie y la interfaz.

Esquema del montaje de un microscopio de transmisión infrarroja.

La transmisión de luz infrarroja se basa en el hecho de que el silicio es translúcido a longitudes de onda ≥ 1,2 μm. El equipo consta de una lámpara infrarroja como fuente de luz y un sistema de vídeo infrarrojo (véase la figura "Esquema del montaje del microscopio de transmisión infrarroja").

El sistema de imágenes IR permite el análisis de la onda de unión y, además, de las microestructuras mecánicas y las deformaciones en el silicio. Este procedimiento también permite analizar uniones de múltiples capas. ^{[ 3 ]} El contraste de la imagen depende de la distancia entre las obleas . Normalmente, si se utiliza IR monocromático , el centro de las obleas se muestra más brillante en función de la proximidad. Las partículas en la interfaz de unión generan puntos muy visibles con contraste diferente debido a las franjas de interferencia (propagación de ondas) . ^{[ 5 ]} Se pueden mostrar áreas sin unir si la abertura del vacío (altura) es ≥ 1 nm. ^{[ 4 ]}

espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR)

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

microscopía ultrasónica

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

Este método utiliza un transductor ultrasónico que escanea la unión de la oblea. La señal sonora reflejada se emplea para la creación de la imagen. La resolución lateral depende de la frecuencia ultrasónica, el diámetro del haz acústico y la relación señal-ruido (contraste).

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

Ensayo de viga en voladizo doble (DCB)

La prueba de viga en voladizo doble , también conocida como prueba de apertura de grieta o método de la cuchilla 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 cuchilla de un espesor específico entre el par de obleas unidas. Esto conduce a una separación de la conexión de unión. ^{[ 3 ]} La longitud de la grieta $L$ es igual a la distancia entre la punta de la cuchilla y la punta de la grieta y se determina mediante luz infrarroja transmitida. La luz infrarroja puede iluminar la grieta cuando se utilizan materiales transparentes a la luz infrarroja 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 deslizarse dentro de la cuchilla. ^{[ 3 ]}

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

La prueba DCB caracteriza la resistencia dependiente del tiempo mediante la evaluación de la 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 a la fractura superficial , lo que resulta en una menor longitud de grieta 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. $\gamma$ en relación con una muestra rectangular en forma de viga.

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

Por lo tanto, es $E$ el módulo de Young , $t_{w}$ el espesor de la oblea, $t_{b}$ el grosor de la hoja y $L$ la longitud de grieta medida. ^{[ 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 comúnmente utilizados son los de Maszara o Gillis y Gilman. ^{[ 8 ]}

Modelo Maszara

El modelo de Maszara desprecia tanto el esfuerzo cortante como el esfuerzo en la parte no clivada para las longitudes de grieta obtenidas. La compliancia de una probeta DCB simétrica se describe de la siguiente manera:

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

La compliancia se determina a partir de la longitud de la grieta. $L$ , el ancho $w$ y el espesor de la viga $t$ . $E^{*}$ define el módulo de Young. La energía de fractura superficial $G_{IC}$ es: ^{[ 11 ]}

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

con $\delta$ como desplazamiento del punto de carga.

Modelo de Gillis y Gilman

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

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

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

Prueba de Chevron

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

El ensayo de chevron utiliza una geometría de entalla especial para la muestra que se carga con una fuerza de tracción creciente. La geometría de la entalla de chevron suele tener forma triangular con diferentes patrones de unión. A una carga de tracción específica, la grieta comienza en la punta del chevron y crece con la carga aplicada continua hasta alcanzar una longitud crítica. ^{[ 12 ]} El crecimiento de la grieta se vuelve inestable y se acelera, lo que resulta en la 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 $K_{IC}$ se determina midiendo la carga de fractura registrada en el ensayo. Esto mejora la calidad y la precisión del ensayo y disminuye la dispersión de la medición. ^{[ 12 ]}

Dos enfoques, basados en la tasa de liberación de energía $G_{I}$ o factor de intensidad de estrés $K_{I}$ , puede utilizarse para explicar el método de prueba de chevron . ^{[ 8 ]} La fractura se produce cuando $K_{I}$ o $G_{I}$ alcanzar un valor crítico, que describe la tenacidad a la fractura $K_{IC}$ o $G_{IC}$ La ventaja de usar una probeta con entalla en chevrón se debe a la formación de una grieta específica de longitud bien definida. ^{[ 13 ]} La desventaja de este método es que el encolado necesario para la carga consume mucho tiempo y puede provocar dispersión de datos debido a la desalineación. ^{[ 8 ]}

Prueba de Chevron

Esquema de un montaje de prueba en forma de chevrón. ^{[ 8 ]}

Esquema de una muestra con muesca en forma de chevrón. ^{[ 8 ]}

Probeta esquemática con muesca en forma de chevrón y área agrietada según Bagdahn. ^{[ 13 ]}

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. $G_{IC}$ y la tenacidad crítica a la fractura $K_{IC}$ [ ¹⁴^{] Se utiliza comúnmente para caracterizar la resistencia de la unión de la oblea}^, así como la fiabilidad. La caracterización de la fiabilidad se determina en función de la evaluación mecánica de la fractura de la falla crítica. ^{[ 9 ]} La evaluación se determina analizando la tenacidad a la fractura, así como la resistencia a la propagación de grietas. ^{[ 10 ]}

La tenacidad a la fractura permite comparar las propiedades de resistencia independientemente de la geometría particular de la muestra. ^{[ 13 ]} Además, se puede determinar la resistencia de la unión de la interfaz unida. ^{[ 12 ]} La muestra en forma de chevrón está diseñada a partir de franjas unidas en forma de triángulo. El espacio de la punta del triángulo de la estructura en forma de chevrón se utiliza como brazo de palanca para la fuerza aplicada. Esto reduce la fuerza necesaria para iniciar la grieta. Las dimensiones de las microestructuras en forma de chevrón están en el rango de varios milímetros y generalmente un ángulo de muesca en forma de chevrón de 70°. ^{[ 14 ]} Este patrón en forma de chevrón se fabrica utilizando grabado iónico húmedo o reactivo. ^{[ 13 ]}

El ensayo MC se aplica con un punzón especial pegado al borde no adherido de las estructuras procesadas. La muestra se carga en una máquina de ensayos de tracción y la carga se aplica perpendicularmente a la zona adherida. Cuando la carga alcanza las condiciones máximas soportables, se inicia una fisura en la punta de la muesca en forma de chevrón. ^{[ 14 ]}

Al aumentar la tensión mecánica mediante una mayor carga, se pueden observar dos efectos opuestos. Primero, la resistencia a la propagación de la grieta aumenta debido al incremento de la unión de la primera mitad triangular del patrón en forma de chevrón. Segundo, el brazo de palanca se alarga con el aumento de la longitud de la grieta. $a$ . Desde la longitud crítica de la grieta $a_{c}$ Se inicia una expansión inestable de la grieta y la destrucción de la muestra. ^{[ 14 ]} La longitud crítica de la grieta $a_{c}$ corresponde a la fuerza máxima $F_{max}$ en un diagrama fuerza-longitud y un mínimo de la función geométrica $Y_{MIN}$ . ^{[ 15 ]}

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

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

La fuerza máxima $F_{MAX}$ se determina durante la prueba y el coeficiente mínimo de intensidad de tensión $Y_{MIN}$ se determina mediante simulación de elementos finitos. ^{[ 16 ]} Además, la tasa de liberación de energía $G_{IC}$ se puede determinar con $E$ como módulo de elasticidad y $v$ como la razón de Poisson de la siguiente manera.´ ^{[ 14 ]}

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

La ventaja de esta prueba radica en su alta precisión en comparación con otras pruebas de tracción o flexión. Se trata de un método eficaz, fiable y preciso para el desarrollo de uniones de obleas, así como para el control de calidad de la producción de dispositivos micromecánicos. ^{[ 13 ]}

Pruebas de bonos

La medición o prueba de la resistencia de la unión se realiza mediante dos métodos básicos: prueba de tracción y prueba de cizallamiento. Ambos pueden realizarse de forma destructiva, lo cual es más común (incluso a nivel de oblea), o no destructiva. Se utilizan para determinar la integridad de los materiales y los procedimientos de fabricación, así como para evaluar el rendimiento general del marco de unión y comparar diversas tecnologías de unión entre sí. El éxito o el fracaso de la unión se basa en la medición de la fuerza aplicada, el tipo de fallo debido a dicha fuerza y el aspecto visual del material residual utilizado.

Un avance en las pruebas de resistencia de unión de estructuras compuestas unidas con adhesivo es la inspección de unión por láser (LBI). La LBI proporciona un cociente de resistencia relativo 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 láser. La LBI permite realizar pruebas no destructivas de uniones que se prepararon adecuadamente y cumplen con los requisitos de ingeniería. ^{[ 17 ]}

Pruebas de tracción

Pinzas USB realizando una prueba de tracción en frío (CPB) en un comprobador de enlaces.

Medir la resistencia de la unión mediante pruebas de tracción suele ser la mejor manera de determinar el modo de fallo de interés. Además, a diferencia de una prueba de cizallamiento, al separarse la unión, las superficies de fractura se separan limpiamente, lo que permite un análisis preciso del modo de fallo. Para realizar una prueba de tracción, es necesario sujetar el sustrato y la interconexión; debido a su tamaño, forma y propiedades del material, esto puede resultar difícil, especialmente para la interconexión. En estos casos, unas pinzas con puntas formadas y alineadas con precisión, y con un control exacto de su apertura y cierre, probablemente marquen la diferencia entre el éxito y el fracaso. ^{[ 18 ]}

El tipo más común de prueba de tracción es la prueba de tracción de alambre. Esta prueba aplica una fuerza ascendente debajo del alambre, separándolo del sustrato o chip.

Ensayo de cizallamiento

El ensayo de cizallamiento es el método alternativo para determinar la resistencia que puede soportar una unión. Existen diversas variantes de este ensayo. Al igual que en el ensayo de tracción, el objetivo es recrear el modo de fallo de interés. Si esto no es posible, el operador debe centrarse en aplicar la mayor carga posible a la unión. ^{[ 19 ]}

Interferómetros de luz blanca

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

interferómetros de rejilla de difracción
Interferómetros de escaneo 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. ^{[ 20 ]} La interferometría de luz blanca se utiliza para detectar deformaciones de la oblea. Luz de baja coherencia 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. El espectro de la luz reflejada de la cavidad del sensor es detectado por un espectrómetro. 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 la reflexión de la luz del sensor. Este valor de presión se muestra posteriormente en una pantalla. La longitud de la cavidad $d$ se determina utilizando

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

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

La ventaja de utilizar la interferometría de luz blanca como método de caracterización es la reducción de la influencia de la pérdida por curvatura. ^{[ 21 ]}

Referencias

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