硅通孔互连技术（TSV） 生电力芯片封装中广泛应用。TSV可靠性研究尚不成熟，下面我们使用超快速气流冷热冲击机，对TSV样品经过冷热冲击实验后，使用 FIB 对 Cu/Si 界面进行精细加工并观察，研究 TSV 在冷热冲击条件下的可靠性表现及失效机理。
TSV封装可靠性研究：
试验设备：环仪仪器 超快速气流冷热冲击机
试验原理：采用冷热冲击实验周期性急剧加热和冷却实现高温差(-40℃~125℃)环境，TSV在剧烈温度变化中累积的热应力损伤超过材料极限强度时会导致器件失效。
试验过程：
1.通过深反应离子刻蚀法在5寸的硅片晶圆上刻蚀获得 TSV孔，经测量 TSV平均长度为70m平均直径为 35 um。使用化学气相沉积法在 TSV中生成约3um厚的绝缘层SiO2，使用电镀法将Cu填充进TSV孔。
2.硅片经激光切割后抛光清洗，抽取真空并密封于石英管后放入超快速气流冷热冲击机中。
3.冷热冲击实验温度区间为-40℃~125℃，升降温过程时间均为30s，样品在最高和最低温度的保温时间均为30mim。
4.TSV样品经过 300周期-40℃~125℃冷热冲击实验后，使用聚焦离子束技术对 CwSi 界面进行精细加工，观察 Cu/Si界面分离情况。在CuSi界面裂纹尖端处制备纳米级厚度FIB 样品，分析裂纹延展情况。使用电子背散射(electron back-scattered diffraction)技术分析TSV结构变化和Cu晶粒尺寸变化。
试验分析：
下图显示了冷热冲击前后TSV表面的变化。在冷热冲击试验前，TSV的表面光滑清晰，Cu、Si两种材质结合紧密且界面无分离。
下图显示了冷热冲击前后TSV截面的变化。在冷热冲击试验前，TSV的截面Cu、si两种材质结合紧密且界面无分离，Cu柱上下两端均与Si孔平齐。
如下图所示，冷热冲击实验中产生的裂纹可通过 FIB技术在其尖端处截取纳米级厚度样品，该FIB 样品可以清楚地观察到裂纹沿Cu/Si界面向下延伸，当遇到不规则Cu组织后，裂纹扩展所需剪切热应力增大，裂纹延伸受到阻挡。
试验总结：
1.Cu填充物体积增大，并溢出 TSV通孔，EBSD结果前后对比显示，Cu晶粒尺寸在冷热冲击实验后出现明显增大。
2.通过样品截面处理可发现CwSi界面存在开裂分离现象。
3.可在TSV样品裂纹尖端处观察到不规则的Cu晶粒，该晶粒加大了裂纹扩展所需的剪切应力，对裂纹延伸起到了阻挡作用。
以上就是TSV封装可靠性研究，如有超快速气流冷热冲击机的试验疑问，可以咨询环仪仪器相关技术人员。
