一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法技术

一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法，属于金属材料微连接领域。锡膜沉积前，在金属衬底待沉积表面的局部区域放置覆盖层，锡膜沉积过程中，该区域无锡沉积，沉积完成并取走覆盖层，出现金属衬底露出区，该区边缘形成锡膜表面与露出金属衬底表面的高度差，即锡膜厚度。在此基础上，用探针式轮廓仪测试样品表面涵盖有上述高度差位置的轮廓，当探针滑过上述高度差时，会向下运动，向下运动的距离即为锡膜厚度。然后，依据相应轮廓图像计算出不同部位锡膜厚度，再取算数平均值，即是本发明专利技术测得的锡膜厚度。本发明专利技术可实现任意金属衬底上锡膜厚度的高精度测量，且工艺较为简单、成本低，能有效解决当前电子制造中锡膜厚度精确测量存在的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料微连接领域，涉及一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法。
技术介绍
当前，在电子产品内部的各级封装中，主要通过焊料连接、热压键合、超声键合等技术实现不同元器件的互连。鉴于这些互连技术均在微小尺度下完成，因而统称为微连接技术。其中，由于低成本、高可靠性等特点，焊料连接技术的应用最为广泛。甚至，在很大范围内，焊料连接是电子产品制造过程中唯一可行的连接方法。电子产品中焊料连接的典型结构为金属衬底/焊料层/金属衬底，在高于焊料层熔点且低于金属衬底熔点的温度下，液态焊料将金属衬底润湿、填充间隙并与金属衬底发生界面反应形成金属间化合物，从而实现连接。连接完成后，形成的焊点可实现各组件间的电气连接和机械连接。金属锡由于具有无毒性、成本低、易于获取、熔点较低(232℃)及液态下润湿性良好等特点，成为焊料连接中焊料层的首选材料。相应地，金属衬底常为铜、银、金、镍、钴中的一种或几种。电子制造微连接尺度下，所需锡焊料层的厚度仅为微米级。因此，作为焊料连接的重要步骤，在连接之前，常需要将锡焊料层沉积到金属衬底表面。显然，对于所沉积的锡膜，其厚度应受到精确控制，这是因为针对微米级厚的锡膜，其厚度的差异会导致所形成焊点的性能具有很大差别，若实际沉积厚度与预期厚度具有较大偏差，则连接完成后所获焊点的性能会与预期出现较大偏差，严重影响电子产品质量。要使沉积锡膜的厚度受到精确控制，需准确地知道一定沉积参数下锡膜的沉积速率，这就要求针对此沉积参数下一定沉积时间所得锡膜的厚度进行精确测量。当前，针对薄膜厚度的测量方法主要有计时液流法、点滴测厚法、称量法、磁性测厚法、涡流测厚法、X射线法、椭偏仪法和金相显微法。但是，针对电子制造中锡膜厚度的精确测量，上述方法均存在局限。其中，计时液流法、点滴测厚法均需用肉眼观察薄膜表面变化以判断薄膜溶解终点，进而计算薄膜厚度，故往往存在较大误差。称重法通过测量薄膜沉积前后试样质量的变化确定薄膜质量，进而计算薄膜厚度。对于微米级厚的锡膜，其质量很小，难以通过称重法进行精确测量，且测量过程中极易受到外界环境干扰而导致较大误差。磁性测厚法用于测定磁性基体上非磁性薄膜厚度，虽然锡膜无磁性，但当金属衬底(如铜、银)不具备磁性时，此方法不能进行测量。涡流测试法主要测定非磁性导电金属基体上非导电薄膜的厚度或非导电基体上导电薄膜的厚度。然而，锡膜和金属衬底均具备导电性，故该方法无法测定金属衬底上锡膜的厚度。X射线测厚法测定锡膜厚度时，若金属衬底的原子序数与锡的原子序数(50)相接近(如银，47)，则测试精度会大幅下降，且该方法使用的设备造价高，X射线也会对人体产生伤害。椭偏仪方法测试锡膜厚度时，锡膜表面的微小起伏会造成光路收集困难，进而导致测试精度下降。针对金相显微法测试锡膜厚度，需先对试样断面分别进行镶嵌、研磨、抛光处理，而锡的莫氏硬度仅为1.5，十分质软，在研磨和抛光过程中，锡膜极易受到损伤，致使金相断面中锡膜有缺损，进而影响测试结果。显然，利用金相显微法测试锡膜厚度，不仅工序复杂，且制备样品的成功率低，若要制备出合格的金相断面，往往需要花费大量时间。但是，鉴于金相显微法比较直观，本专利技术实施例中将此方法作为仲裁方法，用以评判测试结果准确性。针对上述问题，亟需开发一种可高精度测量任意金属衬底上锡膜厚度的方法。本专利技术提供一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法，可对任意金属衬底上锡膜厚度进行高精度测量，且工艺较为简单、经济成本低、不会对人体造成伤害。该方法在锡膜沉积开始之前于金属衬底待沉积面局部区域放置覆盖层，致使锡膜沉积过程中被覆盖区域不会有锡沉积，沉积完成并将覆盖层取走后，此区域会暴露出金属衬底，在此区域边缘会形成锡膜表面与露出金属衬底表面的高度差，即锡膜厚度。在此之后，利用探针式轮廓仪测量涵盖有上述高度差的样品表面轮廓，得到相应轮廓图像，依据图像计算可得该高度差。需要注意的是，针对金属衬底露出区的形成，化学溶解法、压力破碎法、掩膜法也是可想到的方法。然而，采用化学溶解法会造成锡残留，进而影响测试精度。采用压力破碎法时，需额外配备压力装置，增大成本，在压针划破锡膜后，极易划破金属衬底表面，同样会影响测试精度。另外，采用掩膜法的工艺十分复杂且成本高。因此，本专利技术中采用的于金属衬底待沉积面预先放置覆盖层的方法形成衬底露出区具有简单、经济、效果良好等优点。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法。在锡膜开始沉积前，于金属衬底待沉积面局部区域放置覆盖层，经此处理后，在沉积过程中该区域无锡膜沉积，沉积完成后，将覆盖层取走，该区域即成为金属衬底露出区，在此区域边缘会形成锡膜表面与露出金属衬底表面的高度差，即锡膜厚度。为保证后续测试精度，将覆盖层取走后，露出的金属衬底表面不应有其它物质残留，故需有选择地对该区域进行清洗。局部金属衬底露出区形成后，将轮廓仪的探针置于锡膜表面，并设定滑动距离。需要注意的是，锡膜沉积以锡晶粒依次堆叠的形式完成，因而锡膜表面也存在小幅度的微观不平。启动轮廓仪后，探针沿锡膜表面轻轻滑动，锡膜表面的微观不平会使探针于滑动的同时发生相应的上下运动，当探针滑过金属衬底露出区边缘时，会向下进行较大幅度运动，向下运动的距离就是锡膜表面与露出金属衬底表面形成的高度差，即锡膜厚度。随后，探针会沿金属衬底表面继续滑动，直至到达预设的滑动距离。显然，探针运动轨迹可反映滑过位置上样品的表面轮廓。轮廓仪的位移传感器依据探针运动情况输出相应电信号，电信号经一系列处理后，滑过位置上样品的表面轮廓就会显示出来，依据轮廓图像，将露出的金属衬底表面考虑为基准面，计算就可得到滑过部位中锡膜表面与露出的金属衬底表面的高度差，即锡膜厚度。1.一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：提供一种金属作为衬底；步骤二：选定金属衬底的一个面作为待锡膜沉积面，对待沉积面进行表面处理；步骤三：在金属衬底待沉积面的局部区域放置覆盖层，而后进行锡膜沉积；步骤四：锡膜沉积结束后，取走所置覆盖层，样品表面出现金属衬底露出区；步骤五：对于形成的金属衬底露出区，清洗后再进行干燥处理或者无需进行清洗、干燥处理；步骤六；将轮廓仪探针置于锡膜表面，设置滑动距离，启动轮廓仪，探针开始滑动，当探针滑过金属衬底露出区边缘时，会向下运动，而后继续沿露出的金属衬底表面滑动，直至滑动结束；步骤七；探针滑动结束后，得到样品的表面轮廓图像，根据图像，计算得到探针滑过部位中锡膜表面与金属衬底露出区表面高度差，即锡膜厚度。2.进一步，所述的锡膜沉积，采用电镀、化学镀、气相沉积中的一种方法进行。3.进一步，若锡膜采用电镀、化学镀方法沉积，放置覆盖层后，在沉积过程中镀液无法渗入被覆盖区域，若锡膜采用气相沉积方法沉积，覆盖层应能经受不低于150℃的高温。4.进一步，若锡膜采用电镀方法沉积，且覆盖层为绝缘材料，则金属衬底待沉积面被覆盖区域形状为等边三角形，正方形，圆形，正六边形的一种。5.进一步，所述锡膜厚度为微米级。6.进一步，所述的局部区域面积不超过金属衬底待沉积面总面积的50％。7.进一步，所述覆盖层的形状、尺寸应与被覆盖的金属衬底待沉积面局部区域一致。8.进一步，将覆盖层取走后，若露出的金属衬底本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：提供一种金属作为衬底；步骤二：选定金属衬底的一个面作为待锡膜沉积面，对待沉积面进行表面处理；步骤三：在金属衬底待沉积面的局部区域放置覆盖层，而后进行锡膜沉积；步骤四：锡膜沉积结束后，取走所置覆盖层，样品表面出现金属衬底露出区；步骤五：对于形成的金属衬底露出区，清洗后再进行干燥处理或者无需进行清洗、干燥处理；步骤六；将轮廓仪探针置于锡膜表面，设置滑动距离，启动轮廓仪，探针开始滑动，当探针滑过金属衬底露出区边缘时，会向下运动，而后继续沿露出的金属衬底表面滑动，直至滑动结束；步骤七；探针滑动结束后，得到样品的表面轮廓图像，根据图像，计算得到探针滑过部位中锡膜表面与金属衬底露出区表面高度差，即锡膜厚度。

【技术特征摘要】
1.一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：提供一种金属作为衬底；步骤二：选定金属衬底的一个面作为待锡膜沉积面，对待沉积面进行表面处理；步骤三：在金属衬底待沉积面的局部区域放置覆盖层，而后进行锡膜沉积；步骤四：锡膜沉积结束后，取走所置覆盖层，样品表面出现金属衬底露出区；步骤五：对于形成的金属衬底露出区，清洗后再进行干燥处理或者无需进行清洗、干燥处理；步骤六；将轮廓仪探针置于锡膜表面，设置滑动距离，启动轮廓仪，探针开始滑动，当探针滑过金属衬底露出区边缘时，会向下运动，而后继续沿露出的金属衬底表面滑动，直至滑动结束；步骤七；探针滑动结束后，得到样品的表面轮廓图像，根据图像，计算得到探针滑过部位中锡膜表面与金属衬底露出区表面高度差，即锡膜厚度。2.根据权利要求1所述的一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法，其特征在于：所述的锡膜沉积，采用电镀、化学镀、气相沉积中的一种方法进行。3.根据权利要求2所述的一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法，其特征在于：若锡膜采用电镀、化学镀方法沉积，放置覆盖层后，在沉积过程中镀液无法渗入被覆盖区域，若锡膜采用气相沉积方法沉积，覆盖层应能经受不低于150℃的高温。4.根据权利要求2所述的一种基于不同表面高度差的锡膜厚度测试方法，其特征在于：若锡膜采...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓延，姚鹏，梁晓波，金凤阳，李扬，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11