硅通孔互連技術（TSV） 生電力芯片封裝中廣泛應用。TSV可靠性研究尚不成熟，下面我們使用超快速氣流冷熱沖擊機，對TSV樣品經過冷熱沖擊實驗后，使用 FIB 對 Cu/Si 界面進行精細加工并觀察，研究 TSV 在冷熱沖擊條件下的可靠性表現及失效機理。

TSV封裝可靠性研究：

試驗設備：環儀儀器 超快速氣流冷熱沖擊機

試驗原理：采用冷熱沖擊實驗周期性急劇加熱和冷卻實現高溫差(-40℃~125℃)環境，TSV在劇烈溫度變化中累積的熱應力損傷超過材料極限強度時會導致器件失效。

試驗過程：

1.通過深反應離子刻蝕法在5寸的硅片晶圓上刻蝕獲得 TSV孔，經測量 TSV平均長度為70m平均直徑為 35 um。使用化學氣相沉積法在 TSV中生成約3um厚的絕緣層SiO2，使用電鍍法將Cu填充進TSV孔。

2.硅片經激光切割后拋光清洗，抽取真空并密封于石英管后放入超快速氣流冷熱沖擊機中。

3.冷熱沖擊實驗溫度區間為-40℃~125℃，升降溫過程時間均為30s，樣品在最高和最低溫度的保溫時間均為30mim。

4.TSV樣品經過 300周期-40℃~125℃冷熱沖擊實驗后，使用聚焦離子束技術對 CwSi 界面進行精細加工，觀察 Cu/Si界面分離情況。在CuSi界面裂紋尖端處制備納米級厚度FIB 樣品，分析裂紋延展情況。使用電子背散射(electron back-scattered diffraction)技術分析TSV結構變化和Cu晶粒尺寸變化。

試驗分析：

下圖顯示了冷熱沖擊前后TSV表面的變化。在冷熱沖擊試驗前，TSV的表面光滑清晰，Cu、Si兩種材質結合緊密且界面無分離。

下圖顯示了冷熱沖擊前后TSV截面的變化。在冷熱沖擊試驗前，TSV的截面Cu、si兩種材質結合緊密且界面無分離，Cu柱上下兩端均與Si孔平齊。

如下圖所示，冷熱沖擊實驗中產生的裂紋可通過 FIB技術在其尖端處截取納米級厚度樣品，該FIB 樣品可以清楚地觀察到裂紋沿Cu/Si界面向下延伸，當遇到不規則Cu組織后，裂紋擴展所需剪切熱應力增大，裂紋延伸受到阻擋。

試驗總結：

1.Cu填充物體積增大，并溢出 TSV通孔，EBSD結果前后對比顯示，Cu晶粒尺寸在冷熱沖擊實驗后出現明顯增大。

2.通過樣品截面處理可發現CwSi界面存在開裂分離現象。

3.可在TSV樣品裂紋尖端處觀察到不規則的Cu晶粒，該晶粒加大了裂紋擴展所需的剪切應力，對裂紋延伸起到了阻擋作用。

以上就是TSV封裝可靠性研究，如有超快速氣流冷熱沖擊機的試驗疑問，可以咨詢環儀儀器相關技術人員。