15 сентября 2017

Микроиспытания тонкого кристалла

Задача

Необходимость микроиспытаний тонкого кристалла размером 100 микронов и менее обусловлена увеличением спроса на более тонкие мобильные продукты с использованием технологии PIP (Package in Package — корпус в корпусе) и SIP (System in Package — система в корпусе) для смартфонов и планшетов. Это, в сочетании с необходимостью в ультратонком кристалле размером 50 микронов и менее для меток радиочастотной идентификации и сопутствующих продуктов, ставит новую задачу для микроиспытаний на уровне кристалла, а также испытаний на адгезионное сцепление на уровне корпуса. В этой статье рассматриваются изменения в испытаниях микроматериалов и передовых испытаниях на адгезионное сцепление, которые обеспечивают необходимые решения.

Микроиспытания тонкого кристалла

Неорганические полупроводники очень хрупкие, на их прочность в значительной степени влияет наличие поверхностных дефектов, создаваемых при резке и обработке. Эти недостатки проявляются в виде сколов и царапин.

Кристалл может подвергаться повышенному давлению из-за несоответствия коэффициента теплопроводимости или изгиба подложки или платы, на которую он монтируется.

Испытание на изгиб идеально подходит для оценки влияния дефектов (трещин) и поверхностных повреждений на прочность хрупких материалов.

Стандартный способ оценки неблагоприятных воздействий резки и шлифования заключается в проведении испытаний на изгиб на статистически значимом количестве образцов, как правило, более 25. Обычно испытания проводятся в соответствии с отраслевыми стандартами, такими как:

Стандарт

Описание

SEMI G86-0303

Испытание кристалла методом трехточечного изгиба

SEMI G96-1014

Испытание чипа (кристалла) на прочность изгибом на консольной балке

Различные методы изгиба, такие как 3-х точечный, 4-х точечный, ring on ring («кольцо на кольце») и ball on ring («шар на кольце»), сферический изгиб дают разные распределения напряжений. Режимы разрушения в 3-х и 4-х точечных испытаниях на изгиб чувствительны к трещинам на поверхности и по краям.

Испытание методом 3-х точечного изгиба для измерения прочности кристалла описано в стандарте SEMI G86-0303.

m1.jpg

Микроизгиб с различными держателями образцов.

m2.jpg

Испытание, проводимое на платформе Nordson DAGE 4000Plus, с использованием обычного пользовательского интерфейса Paragon™ для материалов.

m3.jpg

Микроиспытания ультратонкого кристалла

Испытание методом трехточечного изгиба не идеально для ультратонкого кристалла размером 50 микронов и менее, поскольку повышенная гибкость кристалла требует, чтобы опоры были близко расположены друг к другу, что вызывает трудности при проведении испытаний, поэтому испытание по SEMI G86-0303 становится неудобным.

m4.jpg

при h <0,1 мм: L ≤ 2 мм и L ≤ 50 h

Поэтому следует использовать альтернативный метод — испытание изгибом на консольной балке по SEMI-G96-1014. Данный конкретный метод предполагает установку инструмента для сдвига (гибочный инструмент) на поверхность держателя деталей с последующим отступом (вверх по оси Z) до точно регулируемой испытательной высоты перед смещением платформы, двигающейся по оси Y, в направлении датчика для приложения усилия на поверхность кристалла.

m5.jpg

Модуль упругости уменьшается при толщине матрицы 50 микронов и менее, поэтому использование традиционного метода 3-х точечного изгиба становится затруднительным.

m6.jpg

Испытания на адгезионное сцепление при многоярусном размещении кристаллов

Быстрое развитие технологии сборки полупроводников продолжает стимулировать расширение возможностей в области испытаний на адгезионное сцепление. Испытание внутренних соединений при многоярусном размещении кристаллов, обычно применяемых в технологии SIP (System in Package — система в корпусе), представляет ряд новых и волнующих проблем.

Одной из этих проблем является установка инструмента на поверхность совместимого тонкого кристалла и точный отступ на заданную высоту сдвига перед испытанием соединения, полученного методом шариковой термокомпрессии.

В частности, данное испытание для выступающего кристалла может быть затруднено из-за таких аспектов, как толщина кристалла (изгиб во время установки нагрузочного инструмента и отступа) и малое расстояние между соединениями. Общеотраслевое решение для испытания соединений на сдвиг и испытания на разрыв под выступающим кристаллом нуждается в доработке. Однако с помощью специализированного программного обеспечения была решена проблема деформации поверхности кристалла, связанная с установкой нагрузочного инструмента.

В приборе Nordson DAGE Series 4000Plus имеется программная опция, которая позволяет оператору задавать пошаговое расстояние для мягкой установки (измеряется в миллиметрах).

При установке инструмента для сдвига на совместимую поверхность небольшое направленное вниз усилие, прилагаемое данным инструментом, является достаточным для перемещения поверхности. После фиксации и поднятия (отступа) инструмента на заданную высоту сдвига, поверхность кристалла отклоняется вверх по отношению к исходному положению. Теперь полученная высота сдвига относительно поверхности значительно меньше выбранной высота отступа.

После установки и зажима инструмента для сдвига стол с возможностью перемещения по осям XY немного двигается вперед и назад. Картриджный датчик давления определяет движения стола при контакте с поверхностью и поднимается ступенчато до тех пор, пока контакт не перестанет обнаруживаться. В этот момент кристалл возвращается в исходное положение, значение нагрузочного картриджа сбрасывается на нуль и происходит возврат на требуемую высоту перед испытанием соединения, полученного методом шариковой термокомпрессии.

m7.jpg
Измерение отклоняющего усилия при многоярусном размещении тонких кристаллов

Технология многоярусного размещения кристаллов используется в таких изделиях для хранения данных, как флэш-память NAND, флэш-накопитель USB, SD и SRAM, и во многих из этих типов корпусов нередко встречается выступающий кристалл. В результате возникает необходимость в использовании испытания на адгезионное сцепление для дублирования направленного вниз усилия, которое проводной капилляр с клеящим составом прилагает на выступающую часть кристалла во время цикла склеивания. Как правило, это — испытание с разрушением опытного образца и пиковым усилием, известным как «отклоняющее усилие».

В этом конкретном случае используется устройство 4000Plus с 500-граммовым возвратно-поступательным нагрузочным картриджем и капилляром с клеящим составом, установленным на картридже.

См. рисунок ниже:

m8.jpg

Результаты типовых испытаний:

Толщина кристалла

Стандартное разрушающее усилие

30 мкм

от 48 до 70 граммов

40 мкм

от 90 до 130 граммов

Резюме

С появлением новых материалов, технологий и передовых способов сборки крайне важно, чтобы традиционные методы испытания на адгезионное сцепление развивались и включали в себя все больше условий для проведения испытаний микроматериалов. Для решения этой задачи требуется множество новых и разнообразных методов испытаний. В результате больше нет разграничения между испытанием на адгезионное сцепление и испытанием материалов. По существу, все это — микроиспытания, и компания Nordson DAGE готова работать с клиентами для выработки нужных решений.

Выражаем признательность и особую благодарность доктору Яну Майесу (Ian Mayes) из Nordson DAGE Великобритания, Тадаши Торимититсу (Tadashi Torimititsu) из Nordson ATES Япония, а также Университету Тохоку, Япония.