Page 9 - 異質整合當道 材料接合應力強度備受矚目

如何計算3D封裝矽通孔中 銅的力學特性
SPOTLIGHT
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3D封裝為達成異質整合
重 要 的 技 術，於 3 D 封 裝 技 術 中，矽通孔(Through Silicon Via，TSV)為實現晶片垂直整合 的主要技術，製作完成的TSV結 構具有許多的金屬界面，在矽 通孔中銅金屬的擴散作用以及 銅晶粒的大小對於銅的力學特 性有很大的影響。因此，若能正 確的建立矽通孔中銅的力學特性，對於TSV結構的可 靠度分析和設計有顯著的幫助。一般而言，金屬材料 的應力-應變(σ-ε)關係可由以下方程式表示:
圖6:100nm氧化鋁護層之刮痕測試的結果:(左) OM觀察刮痕失效的影像，(右)力與位移的訊號。
(來源:Anton Paar application report: Mechanical surface characterization of smartphone displays)
表1:TSV-銅的彈性模量E與硬度H。
圖7:TSV中金屬銅的應力-應變曲線。 (來源:2014 《金屬學報》 50 (6): 722-726) 2022年8月 | www.eettaiwan.com
其中，E為彈性模量、R為強度係數、n為應變強度 指數、σy為降伏強度、εy為於σy下所得的降伏應變、εp 為總應變中大於εy部分的有效應變。由此假設可知， 材料的E值可由奈米壓痕實驗得到，其他參數可由模 型與有限元素分析法求得。搭配這些方法則可得到 TSV-銅(Cu)的應力-應變關係。
為了求得TSV-銅的彈性模量，使用奈米壓痕測試 儀搭配Berkovich壓頭，在TSV-銅外露表面靠近圓心 位置進行奈米壓痕實驗，壓入深度為500奈米。所得 到材料的彈性模量，以及硬度，如表1所示。
有了此結果並搭配有限元素分析方法可進一步 地推算出材料的應力-應變曲線，如圖7所示，計算出 TSV-銅的彈性模量、應變強度指數與降伏強度分別 為155.47 GPa、0.4892和47.91 MPa。
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