瞬時大電流下微機電引信硅通孔封裝的失效機理與實驗研究

劉芳怡，婁文忠，丁旭冉，王輔輔，王瑛

(北京理工大學 機電學院，北京100081)

0 引言

在引信中應用微機電系統(MEMS)技術可以降低成本、減輕質量，實現小型化發展［1-3］。法國創新研制了一種MEMS 安全、解除保險與發火器件，該MEMS 發火件可以提高MEMS 起爆器的性能，在大電流激發下會產生電爆炸作用，實現引信的發火功能［4-6］。利用這種電爆炸過程，Zhao 等［7-8］制備了一種新型MEMS 引信，該引信需要在瞬時大電流的作用下正常作用，所以激發源采用電容放電的形式。為實現引信小型化的要求，該MEMS 引信封裝成為關鍵問題之一。

三維芯片集成具有小型化、多功能化、高可靠性和高性能、低功耗的優點［9-11］。基于三維集成電路和三維封裝中的硅通孔(TSV)封裝技術可以提供芯片間、晶圓間的垂直導通實現電氣互連，TSV 作為MEMS 引信的首選封裝方式，可以減小引信的封裝體積和能量損耗［12-15］。TSV 在MEMS 引信中結構的簡單剖面模型圖如圖1所示。本文研究的MEMS 引信工作在電容放電條件下，所以TSV抵抗瞬時大電流的能力成為封裝中的主要問題，要求TSV 在瞬時大電流沖擊下電阻改變量不能超過TSV 及測試系統整體電阻值大小的2%，如果滿足上述條件，那么應用TSV 技術對MEMS 引信進行封裝是可行的。其中，TSV 芯片的光學圖像如圖2所示。

圖1 TSV 在MEMS 引信中的結構Fig.1 The structure of TSV in MEMS fuze

圖2 三維芯片和TSV 的光學圖像Fig.2 Optical images of 3D chips and TSV

基于國內外對此類研究較少的情況，本文針對實驗室制備的TSV，研究了TSV 在瞬時大電流沖擊下的失效機理，建立理論與有限元模型，并進行實驗驗證，分析其薄弱區域以及不同參數下引起的擊穿程度，進而對TSV 封裝技術在MEMS 引信中的應用提供理論指導。

1 模型與相變分析

1.1 模型尺寸

應用深度反應離子刻蝕(DRIE)方法制備TSV，尺寸結構圖如圖3所示，為對稱結構。通孔的深度250 μm，寬度為50 μm，深寬比為5∶1，由Cu 柱、SiO2絕緣層和Ti 擴散阻擋層構成。Cu 柱外側的SiO2絕緣層厚為1 μm，上下表面的SiO2層厚為3 μm.因為Cu 與SiO2之間的擴散阻擋層小于100 nm，所以本文下述分析中忽略了擴散阻擋層。如果作為絕緣層的SiO2遭到破壞(例如被擊穿)，就會影響整個TSV 的電學特性，使之不能可靠工作。

圖3 TSV 的橫截面圖Fig.3 The cross section of TSV

1.2 相變分析

當瞬時大電流通過TSV 時，通孔的溫度迅速增加并達到材料的熔點。溫度首先達到Cu 柱的熔點1 356.15 K，此時Cu 柱開始熔化變為液體。Cu 柱的溫度持續增加，通過熱傳遞使溫度達到SiO2絕緣層的熔點。因為加熱過程是非常迅速的，并且混合界面條件建模不易，所以假設短時間內兩種材料(Cu和SiO2)界面間沒有發生混合。SiO2絕緣層的沸點2 503.15 K 低于Cu 的沸點2 868.15 K，SiO2絕緣層很容易蒸發變為氣態，從而擊穿絕緣層，使其遭到破壞。

根據SiO2絕緣層的狀態，可以把整個過程分為5 個階段。第一階段，SiO2為固體狀態;第二階段，溫度達到SiO2熔點后，發生相變，SiO2由固態轉化為液態，該過程為固-液混合態;第三階段，SiO2完全液化后繼續升溫，該階段為液態;第四階段，當溫度達到SiO2沸點后，發生相變，SiO2由液態轉化為氣態，該過程吸收汽化相變潛熱，此階段為液氣混合態;第五階段，SiO2完全汽化，該階段為氣態［6］。

上述5 個階段的狀態方程可以由方程(1)式表示。

式中:H 是絕緣層SiO2材料的熱焓;cs是SiO2的固態熱容;cl是SiO2的液態熱容;Tm為SiO2的熔點;Tl為SiO2完全液化溫度;Tv為SiO2沸點;Tg為SiO2完全汽化溫度;L1和L2分別為SiO2的固-液相變潛熱和液-汽相變潛熱。

SiO2絕緣層的熱焓H 是顯熱與潛熱的和，通過下式計算:

其中顯熱h 的表達式為

式中:href是參考焓，可取為0;Tref是參考焓對應的溫度，可取為初始溫度T0;c 是比熱容。

假設兩相混合區內潛熱釋放是逐步線性的，對于單位質量的物質，則混合區的潛熱等于體積分數β 乘以潛熱L，即

兩相混合區的潛熱可以從0 變化為L，對應不同的熱力學過程，則分別反映了固態到液態和液體到氣態的過程。

2 有限元分析

由于本文研究的TSV 具有高度對稱性，因而采用典型二維模型研究TSV 在瞬時大電流下的失效機理。結合參考文獻［16］，在COMSOL Mulitiphysics 中建立TSV 的有限元模型如圖4所示，該有限元模型忽略擴散阻擋層。TSV 承受的載荷條件是電容放電產生的瞬時大電流，主要加載到TSV 的銅柱上。

圖4 TSV 的有限元模型Fig.4 Finite element analysis models of TSV

為了更明顯地暴露TSV 在瞬時大電流下的薄弱區域和潛在的失效模式，選用了3 種能量較高的作用條件，對TSV 施加的3 組仿真條件分別為40 V、330 μF 電容放電，10 V、330 μF 電容放電，4 V、100 μF 電容放電。這3 種電容放電條件均可以使MEMS 引信正常工作。選擇SiO2層上的一點如圖5所示，可以得到該點在3 種電容放電條件下的溫度-時間曲線，如圖6所示。

同時也得到TSV 的溫度分布圖，圖7、圖8、圖9分別為4 V、100 μF 電容放電條件下在不同時刻(1.2 μs、1.7 μs、2.2 μs)對應的TSV 溫度分布圖，由于結構具有對稱性所以只需截取左側區域的圖像。

圖5 SiO2 層上一點Fig.5 The point on SiO2 layer

圖6 3 種電容放電條件下TSV 的溫度分布Fig.6 Temperature-time curves of TSV under three capacitor discharge conditions

從圖6～圖9可以得到以下結論:在這3 種電容放電條件下，SiO2層該點達到沸點的時間分別為0.645 μs、2.580 μs 和8.800 μs，說明絕緣層SiO2均已發生汽化，TSV 被擊穿遭到破壞;隨著放電電壓、電容值的降低，絕緣層SiO2達到汽化溫度的時間變長，即電壓、電容值越大TSV 越容易被擊穿;在TSV溫度分布圖中可以看出，隨著時間的推移，TSV 上下表面Cu 柱外側的絕緣層處溫度增長最快，此區域的SiO2更容易達到汽化溫度從而被擊穿破壞，為TSV 的薄弱區域。

上述結論得到了TSV 絕緣層SiO2的薄弱區域，并可以分析出當此處的絕緣層SiO2被擊穿后，Cu柱與Si 基底通過擊穿區域實現了電連通，即TSV 與Si 基底進行了并聯，使整體TSV 的電阻值降低，原理圖如圖10所示，由于結構具有對稱性，此圖只描述了TSV 左半部分被擊穿的現象。由于仿真的目的是得到TSV 的薄弱區域，所以并未研究引信可靠起爆并傳爆的整個放電時間，為了彌補上述研究中的不足，進行了放電實驗。

3 實驗結果與分析

放電實驗的目的是對TSV 施加瞬時大電流，并測量、比較放電前后TSV 的電阻值來判斷TSV 抵抗瞬時大電流的能力。

圖7 在1.2 μs 時TSV 的溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution of TSV at 1.2 μs

本實驗是通過大電流發生器對儲能電容充電，然后通過探針臺把電容放電產生的瞬時大電流加載到TSV 上，實驗裝置如圖11所示。測試步驟:首先，將TSV 圓片放置于探針測試臺上，實現外界與器件的電連通，一根探針扎到TSV 上，另一根探針扎到基板上;其次，測試過程中采用大電流發生器對儲能電容充電;然后，儲能電容通過探針臺再對TSV 放電;最后，測試結果通過高精度萬用表采集。簡單的實驗原理圖如圖12所示。其中，實驗作用時間滿足真實引信可靠起爆并傳爆的放電接通時間條件。

分別在40 V、330 μF，10 V、330 μF，4 V、100 μF 3 種放電條件下對TSV 進行放電實驗得到TSV 的電阻差值如表1所示，得到TSV 在這3 種放電條件下的平均電阻差值分別為0.035 4 Ω、0.004 6 Ω 和0.001 4 Ω.在40 V、330 μF 放電實驗過程中，看到了明顯的火花現象，說明TSV 受到嚴重擊穿。

圖8 在1.7 μs 時TSV 的溫度分布圖Fig.8 Temperature distribution of TSV at 1.7 μs

表1 實驗前后TSV 的電阻差值Tab.1 Resistance differences of TSV caused by discharge Ω

通過實驗儀器測得TSV 及測試系統整體的電阻范圍為0.7 Ω ～0.9 Ω，設此電阻范圍為許用電阻范圍。當TSV 電阻改變量不超過許用電阻值大小的2%時，認為TSV 的阻值改變在允許范圍內，不會影響使用。選取許用電阻的最低電阻值0.7 Ω，使上述表中的電阻差值均除以0.7 Ω，得到TSV 電阻差值百分比，若超過2% 則認為在此放電條件下TSV 電特性受到嚴重破壞，若低于2%則認為TSV阻值改變在其正常工作允許范圍之內。

圖9 在2.2 μs 時TSV 的溫度分布圖Fig.9 Temperature distribution of TSV at 2.2 μs

圖10 TSV 擊穿原理圖Fig.10 Schematic diagram of TSV breakdown

圖11 實驗設備Fig.11 Experimental equipment

圖12 實驗原理圖Fig.12 Schematic diagram of experimental equipment

應用Matlab 畫出電容放電實驗前后TSV 電阻差值百分比曲線圖，如圖13所示，得到在3 種放電條件下TSV 電阻差值百分比的浮動范圍。在40 V、330 μF 放電條件下TSV 的電阻差值百分比大于2%，說明TSV 在40 V、330 μF 放電條件下發生嚴重的擊穿，不能正常使用。并且在40 V、330 μF 放電實驗過程中，觀察到明顯的火花現象，這也說明TSV擊穿程度嚴重。在10 V、330 μF 和4 V、100 μF 放電條件下TSV 的電阻差值百分比低于2%，說明此時TSV 雖然發生擊穿，但電阻值改變很小，可以對MEMS 引信進行封裝。

4 結論

本文完成了TSV 在不同電容放電條件下的仿真與實驗研究，得到以下結論:

1)通過對TSV 在瞬時大電流下的仿真研究，得到薄弱區域為TSV 上下表面Cu 柱外側的絕緣層，失效模式為SiO2發生汽化。

2)從放電實驗中可以看出，在40 V、330 μF，10 V、330 μF 和4 V、100 μF 電容放電情況下TSV 均發生擊穿，測量得到的電阻差值越大其擊穿程度越大。

圖13 TSV 電阻差值折線圖Fig.13 Line chart of resistance differences of TSV

3)從仿真結果可以看出，在40 V、330 μF，10 V、330 μF 和4 V、100 μF 放電條件下絕緣層SiO2的溫度會超過材料的汽化溫度從而被擊穿。并且施加電壓、電容值越大，TSV 擊穿越迅速。

4)實驗數據與仿真結果相比，吻合得很好，說明仿真結果是正確可信的。

5)MEMS 引信工作在10 V、330 μF 和4 V、100 μF電容放電條件下應用TSV 技術進行封裝是可靠的。在40 V、330 μF 電容放電條件下TSV 電阻特性將會遭到嚴重破壞，所以此時不能應用TSV 技術對MEMS 引信進行封裝。

致謝 本文中放電實驗所用的TSV 芯片為北京大學陳兢教授課題組加工并提供，謹致謝意!

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