具有片上压阻式应力传感器的热机械测试芯片

《IEEE Sensors Journal》：Thermo-Mechanical Test Chip with On-Chip Piezoresistive Stress Sensors

　　

摘要：

本文介绍了一种热机械测试芯片（TMTC）的设计、制造和特性分析。该芯片集成了片上压阻式应力传感器、温度传感器和微加热器，用于半导体封装的可靠性研究。TMTC能够实现局部的原位热机械激励和应力测量，从而在热循环和封装过程中直接检测芯片级别的应力。集成的硅电阻器采用四元件玫瑰花形结构和范德保（VDP）结构，能够捕获平面内的正应力和剪切应力，以实现全面的应力映射。p型和n型压阻器的应力灵敏度分别约为+1.3×10–4和–1.0×10–4 MPa–1。在高达80MPa的单轴载荷下的实验测试表明，这些传感器的线性度非常好（R2 > 0.99），测量结果与设计值的偏差小于3%，证实了其稳定性和重复性。所开发的TMTC为量化芯片级别的应力以及分析倒装芯片组装中的可靠性关键机制（如焊球疲劳和分层）提供了一个可靠的CMOS兼容平台。此外，该芯片还为基于数字孪生的先进半导体封装预测模型提供了实验基础，有助于优化设计并加速可靠性评估。