电镀铜薄膜力学性能的实验研究.pdf

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1、第２７卷第５期实验力学Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．５２０１２年１０月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＭＥＣＨＡＮＩＣＳＯｃｔ．２０１２文章编号：１００１－４８８８（２０１２）０５－０５６５－０５＊电镀铜薄膜力学性能的实验研究苏飞１，张铮１，熊吉１，邵将２（１．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１００１９１；２．中国航空综合研究所，北京１０００２８）摘要：电子器件中大量使用铜膜作为电信号通道，而且一般采用电镀工艺制成。铜膜的力学性能参数对于其热疲劳可靠性的研究非常重要。目前有关该材料的力学性能研究尚不充分，而且数据极为不统一。本文借助于纳米压痕法、声发射等实验手段

2、对电镀铜薄膜的静态力学性能（包括弹性模量和屈服强度等）及疲劳性能进行了测试。结果发现，与大块铜材料相比，电镀铜薄膜的弹性模量低很多，但屈服强度与大块铜材料相当，甚至高出２００％。同时，本文采用弯曲疲劳实验，以电阻变化为失效判据，对镀铜材料的疲劳性能进行了测试，获取了该材料不同失效判据下的疲劳寿命预测模型的系数。关键词：电镀铜；纳米压痕法；声发射；疲劳寿命；力学性能中图分类号：Ｏ３４８文献标识码：Ａ０引言电子器件中大量使用铜膜作为电信号通道，例如在印刷电路板以及三维电子封装中硅基板的通孔内壁上，电镀铜是实现不同层间电路通讯的重要枢纽。但由于热疲劳的缘故，这些关键部件在工

3、作一定时间后会发生失效，影响了整个器件乃至整个电子系统的正常工作，在一些关键应用场合（如卫星），这些器件的失效会造成严重损失。因此对这些关键部件的疲劳寿命评估已经成为一个非常重要的问题，而在目前各种疲劳寿命的预测方法中，获得材料的力学性能数据都是一个基本的要求，但由于可能存在尺寸效应，基于大块材料的实验数据往往是可疑的。电镀铜薄膜的厚度一般在微米级别，且难以从基体上分离，因此很难用常规的方法准备试样并加以［１］测试。从现有的报道看，目前电镀铜薄膜主要的静态力学性能测试方法有纳米压痕法、鼓泡法（ｂｕｌｇｅ［２］［３］ｔｅｓｔ）、微拉伸法。纳米压痕法相对简单一些，但是只能

4、测试弹性模量；微拉伸法测试结果应该最为可靠、全面，但试样的准备需要在硅基底上进行光刻、清洗、腐蚀等一系列操作，工艺过程复杂、成本高昂；鼓泡法测试试样的制作同样比较复杂，而且同样只能获得弹性模量数据。以电镀铜薄膜的弹性模量［４］为例，现有报道的数据分布在从２３ＧＰａ到１３０ＧＰａ的范围内，跨度很大。有学者研究指出，电镀铜的微观组织结构与生产工艺参数，包括电镀液的成份、电流的大小和变化规律等因素密切相关，正是微观组织结构的差异导致了宏观力学性能的不统一。目前镀铜材料的疲劳性能数据一般取自于大块材料的拉－压机械疲劳实验，而且往往采用某个载［５］荷下降率（ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ

5、ｏｆｌｏａｄ－ｄｒｏｐ，常用５０％）作为试件疲劳失效的标准。但工业上常采用电阻变化率作为疲劳失效判据，而且这个判据的具体值还极不统一。以上这些原因造成了疲劳寿命预测结果与＊收稿日期：２０１１－１１－２３；修订日期：２０１２－７－１５基金项目：本文得到航空科学基金２００８０２５１０１１以及自然科学基金１１１７２０２７的支持通讯作者：苏飞，男，副教授，主要研究方向为实验固体力学、电子封装可靠性评价以及多场耦合问题的实验研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｆｅｉ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ５６６实验力学（２０１２年）第２７卷实验结果之间的极大差异。因此，直接采用镀铜材料，以合适的电阻变化率

6、为失效标准，对其疲劳性能进行测试，并确定相关疲劳寿命预测模型的系数，就成为提高镀铜构件疲劳寿命预测准确性的重要措施。基于以上情况，本文着重探索了如何简便而准确地对电镀铜薄膜的静态和疲劳力学性能进行测试，从而为相关电子器件的可靠性研究提供必要的数据支持。１镀铜材料静态力学性能的测试１．１弹性模量的测试弹性模量的测试采用纳米压痕法。由于该方法要求硬度较高的基底，试件制作时首先将铜种子通过化学沉积（ＣＶＤ）的方法附着在２ｃｍ见方、表面光滑的陶瓷基底上，然后通过电镀工艺在试件表面镀上厚度约为３２μｍ的金属铜，接下来在抛光机上使用粒度为１μｍ的研磨膏将试件表面抛光。采用Ａｇｉ－

7、ｌｅｎｔＧ２００型纳米压痕仪，以其专利测试技术连续刚度测试方法对试件的硬度和弹性模量进行测试，在１０个测点处所测硬度及弹性模量随压入深度的变化见图１（ａ）（ｂ）所示。图中给出了每个深度上１０个测点所测结果的波动范围和平均值。图１电镀铜薄膜硬度（ａ）与弹性模量（ｂ）的纳米压痕法测试结果Ｆｉｇ．１ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆＹｏｕｎｇ’ｓｍｏｄｕｌｕｓａｎｄＹｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｗｉｔｈＮａｎｏ－Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ从测试结果可以看出，随着压入深度的增加，硬度与弹性模量的值逐渐减少，这可以解释为表面抛光时试件表层的塑性变形和硬化，这种硬