一种微电子器件纳米界面键合层热阻分析方法与流程

本发明是一种微电子器件纳米界面键合层热阻分析方法，主要应用电子器件的纳米级键合层热特性研究。

背景技术：

随着微电子器件向着系统化、集成化、高功率、小型化方向发展，元器件内部的热流密度不断增加，进而导致元器件的性能及可靠性下降，研究表明电子元器件约55%的失效主要是由于过热及热相关问题引起的。因此，元器件的散热能力越发重要。作为元器件封装重要环节的键合层质量和介质材料严重影响着器件的散热能力。尤其在以大功率为主的器件中，芯片散热路径严重受键合层的热阻影响。因此，如何表征和分析键合层热特性，对提升键合层的质量和提升器件的散热能力是至关重要的。

目前，界面层热阻的测试方法多采用电学法，通过温度相应曲线构建结构函数，近而分析测试样品各层的热阻。然而当界面层厚度较小时，尤其是在纳米级时，该测试方法无法构建出中间界面层的结构函数，界面层热阻在测试分析过程中将被测试忽略掉。而其他采用拉曼法，红外热成像等依据结温测试和结构的分析热阻方法，仅可以实现参考温度点之间的热阻，无法准确的测试出界面热阻。因此目前急需一种可以表征纳米级键合层热阻的分析方法，满足微电子器件对键合层的热特性的研究，对提升器件性能和热管理的技术开发有极大的指导意义。

技术实现要素：

本发明提出的是一种微电子器件纳米界面键合层热阻分析方法,其目的旨在解决现有测试方法无法对微电子器件内部的纳米界面键合层进行热阻测试问题，通过含界面层试样的结构设计，以满足激光闪射法测试和热阻数值分析的结合，近而实现纳米级界面层热阻的精确表征和量化分析，为改进微电子器件的键合质量，提升其散热能力提供了测试分析的依据，解决了现有测试方法无法对微电子器件内部的纳米界面键合层进行热阻测试问题，实现了对纳米级键合层热阻的量化分析，为改进微电子器件的键合质量，提升其散热能力提供了测试分析的依据。

本发明的技术解决方案：一种微电子器件纳米界面键合层热阻分析方法，包括如下步骤：

(1)含纳米界面键合层的激光闪射法测试试样的设计和样品制备，及试样的热阻网格化假设；

(2)采用激光热闪射法获取整体试样的热扩散系数，并结合热阻方程数值计算热阻；

(3)利用网格化热阻分析提取纳米界面键合层热阻。

本发明有以下优点：

1）解决了现有测试方法无法对微电子器件内部的纳米界面键合层进行热阻测试问题；

2）通过含界面层试样的结构设计，以满足激光闪射法测试和热阻数值分析的结合，近而实现纳米级界面层热阻的精确表征；

3）实现了对微电子器件的纳米级键合层热阻的量化分析，为改进其键合质量，提升其散热能力提供了测试分析的依据。

附图说明

图1是本发明所涉及方法的流程图。

图2是本发明所涉及的测试试样结构和尺寸示意图。

图3是本发明所涉及的试样在激光闪射过程中热量传递的热阻网格化模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。

（1）依据被测试的微电子器件界面键合层材料和结构，进行测试试样的三层结构设计和制备，如图1（A1）。设计上满足其中间层为纳米界面键合层，其厚度（h₀）不大于500 nm；同时上下层材料（材料up和材料down）为均匀的同种材料，总厚度（h_u+h_d）在0.9mm-3mm范围内，如图2；该设计保证其界面层体积相对于测试样体积在后续数值计算中可以忽略，近而不影响热阻的计算精度，同时也保证了整体热扩散系数的测试精度。进行样品制备，其尺寸应满足激光闪射法测要求，直径为12.7±0.05mm。

（2）将设计的三层结构测试试样进行导热途径的热阻网格化，如图1（A2）。依据激光闪射法测试过程中的热传递途径，结合横向和厚度方向的结构比（横向无限大），建立测试样三层结构热阻串联数值化模型，如图3所示，分别为，和。

（3）利用激光闪射法对试样进行热扩散系数α测试，如图1（B），为了增加测试准确性，采用多次测试求α平均值的方式；同时采用标定对比获取整体试样的比热容，并结合数值法计算，近而求得测试试样的总热阻（R）：。

（4）利用数值分析法，依据上下层材料的的热导率和结构尺寸，其热阻计算值分别为：和，如图1（C）。

（5）利用数值方法结合试样的热阻网格化模型，求得纳米界面键合层热阻为：，如图1（D）。

实施例

针对微电子MEMS器件晶圆级硅-硅键合的苯并环丁烯（BCB）界面层热阻分析：

①依据MEMS器件晶圆级硅-硅键合的苯并环丁烯界面层的实际尺寸，设计三层测试结构：Si-BCB-Si，其上层硅厚度和下层硅厚度相等为h_u=h_d=0.48mm，BCB纳米键合层厚度为100nm；按设计制备测试试样，其平面尺寸为Φ=12.7±0.05mm；

按设计的Si-BCB-Si，进行闪射法测试过程中热阻的网格化，即热量传递过程中的热量先经过热阻，然后经过热阻，最后经过热阻，为三层热阻串联结构，总热阻R为：；

③ 采用激光闪射法对BCB界面层试样进行总热扩散系数α的测试，进行三次测量值分别为59.518 mm²/s，58.943 mm²/s和59.121 mm²/s，其平均值为59.194 mm²/s，标定的比热容Cp为0.786 J/(g·K)；依据设计尺寸，测试求得总厚度H=0.96mm，所用硅材料密度ρ=2.333 g/cm³，依据公式；求得总热阻值为8.844×10^-6 m²K/W；

④ 利用数值分析法，结合上下层硅材料的热参数（热导率λ=124.548 W/(m·K)）和结构尺寸（厚度为h_u=h_d=0.48mm），利用公式：，求得== 3.854×10^-6 m²K/W；

⑤ 结合试样的热阻网格化模型：，求得MEMS器件晶圆级硅-硅键合的100 nm厚度的BCB界面层热阻：为1.136×10^-6 m²K/W。