CN102770747A - 高强度芯片剪切测试工具的改进 - Google Patents

Abstract

一个用于对键合在基座片(1)上半导体芯片(2)剪切测试的测试装置。剪切块(7)能自动对准，采用较软的材料制成，使得测试载荷引起的施加在芯片上的应力最小，从而减小或避免对芯片造成损伤。不同剪切块的设计用于适应不同应用场合，剪切面(12)可以定做，用于测试单个芯片、相距很近的芯片或者堆叠的芯片。剪切面(12)的深度要小于芯片的厚度，以此来保证在测试过程中键合面不会被剪切块(7)损坏。

Description

高强度芯片剪切测试工具的改进

本发明关于对一个固定在一个基座片上的半导体芯片进行剪切测试的工具。我们知道，这类测试的方式多种多样，但当进行高强度测试时，会出现一些问题。高强度是指超过约20千克力的强度。本发明不仅仅受限于此类“高强度”的测试，同时它的优势在其它强度下也能体现。

我们知道，半导体芯片是固定在基座片上的。芯片有许多不同的方式固定在基座片上。典型的方式有焊接、键合或者焊球阵列。对于技术人员而言，几乎知道所有的这些固定方式。芯片和基座片的尺寸和形状多种多样，但都适用于本发明。通常芯片呈正方形或矩形，最大尺寸在0.05mm至40mm范围内，但本发明并不仅限于此。基座片的尺寸可以与芯片相当，或者比芯片大好几倍。通常芯片和基座片都为平面。

剪切测试的目的是为了测量键合的质量。测试结果键合可能遭到破坏，也可能没有破坏。芯片材料一般都硬而脆，常用的材料为硅。测试键合的方式是将基座片夹住，在芯片的一边施加一个剪切载荷。这在夹紧点与受力点上产生较高的压力。本发明能够通过保持良好的定位将应力最小化，同时将测试载荷分散到基座片和芯片上。

A系列附图

本发明的特点将结合相应的附图，通过对一个优选实施方案的描述来说明，其中，

图A1为一个典型基座片和芯片的等角视图

图A2为本发明一个优选实施方案的等角视图

图A3为本发明一个优选实施方案的局部侧视图

图A1所示为一个典型基座片1，其上安装了芯片2。

图A2所示为基于本发明的一个优选实施方案，在测试过程中的基座片和芯片。图A3为图A2所示的局部侧视图。基座片与芯片放置在工具的基座3上，基座片的一边插入到与定位块4下方切口的一面相贴合。定位块4与基座1刚性固定。在一个优选实施方案中，通过数个固定螺钉5来实现。然后使基座片夹紧固定在基座上。在一个优选实施方案中，通过数个固定螺栓6来实现，对技术人员而言，他们还可以使用许多其他的方法来实现。在另一个优选实施方案中，基座片与基座的紧固通过一个快速松紧机构来实现。剪切块7位于芯片的另一侧。剪切工具8固定在“键合强度测试器”的测力传感器上。技术人员知道“键合强度测试器”能提供如箭头9所示方向的载荷。在一个优选实施方案中，剪切工具8为一端直径减小的圆柱状，插入剪切块7的定位孔中，形成间隙110。剪切工具直径较小端的圆柱的长度比剪切块的厚度略小，形成间隙111，以保证剪切工具不会碰到基座片。剪切工具8不同直径的两部分形成的台阶面，使得剪切工具能与剪切块7顶端相接触，随后剪切工具8向上提起，形成间隙112。在一个优选实施方案中，间隙112小于间隙111。间隙112通常为5μm至100μm，而间隙111通常为10μm至500μm。按描述与附图所示布置的剪切工具，能在箭头9方向上，给芯片提供测试剪切载荷。

本发明的优势在于，

剪切块7能围绕着剪切工具的圆柱轴自由旋转，这样它能与芯片边缘的整个表面接触。

剪切块7可以是一个耐磨组件，用相对柔性的材料制成，这样它能局部发生变形，与芯片的接触面积最大，从而减小接触应力。在一个优选实施方案中，剪切块7在其一个或多个面上设有下方切口13，使试验过程中芯片从基座片上向上脱离的可能降至最小。剪切块一般较为耐磨，在每个切口都被使用过后，才需要更换一个全新的剪切块。剪切面一般被安排在剪切块的顶面和底面(如图中所示的顶面和底面)，可进一步提升它的寿命，直到更换新的剪切块。

间隙111使剪切工具的底端与基座片之间不发生接触，但尽可能与芯片的一边对齐，这样剪切块在加载剪切载荷时，自身受到的倾翻力矩最小。

间隙112的大小可通过键合强度测试器来控制，从而调整间隙111的大小。

用于补充GB1000758.1“高强度、堆叠和紧凑布置芯片剪切工具”的描述

B系列附图

本发明的这些实施方式在高强度芯片、堆叠芯片或紧凑布置芯片的应用测试上有优势。在这些案例的任意之一或其多重组合中，本发明的这些实施方式都适用。芯片通常很薄(0.025mm至1.0mm)，因此在剪切试验中，要在薄边上施加载荷会有很多困难。芯片也会一片片叠起来布置，或者“肩并肩”布置，这增加了施加载荷的困难。

本发明这些实施方式的特点将结合相应的附图，通过下文对一个优选实施方案的描述来说明，其中，

图B1为一个典型基座片与单片芯片的等角视图

图B2为一个典型基座片上贴有两片芯片，形成狭窄通道的等角视图

图B3为一个典型基座片上贴有两片相叠的芯片的等角视图

图B4为本发明的一个优选实施方案的等角视图

图B5为本发明的一个优选实施方案的局部侧视图

图B6为本发明的一个优选实施方案中，测试贴有单个芯片基座片的侧视图

图B7为本发明的一个优选实施方案中，测试紧密布置芯片应用的侧视图

图B8和B9为本发明的一个优选实施方案中，测试堆叠芯片应用的侧视图

图B1、B2和B3为基座片1上贴有芯片2的典型视图

图B4为基于本发明优选实施方案的，紧密布置应用下基座片和芯片的测试图。图B5与图B4相似，是测试中的局部侧视图。基座片与芯片放置在工具的基座3上，基座片的一边插入定位块4下方的切口槽内，并与之接触。定位块4与基座3刚性固定。然后基座片被夹紧在基座上。在一个优选实施方案中，这种夹紧是通过定位块上的切口与弹簧压力在点5处的作用实现的，但技术人员熟知的其它许多方法都能实现。在另一个优选实施方案中，两者的夹紧通过一个快速松紧机构实现。

剪切块7位于芯片的另一边。剪切工具8连接着“键合强度测试器”的加载单元。如技术人员所知，一个“键合强度测试器”能提供箭头9方向的载荷。剪切块7通过剪切工具8上装有气门的孔10形成真空而被保持在剪切工具的末端。定位销11装在剪切工具上，与剪切块保持一定的间隙，但约束剪切块的旋转不超过+/-5°，以保证定位块在其正确的标称方向上。

在测试一个芯片时，剪切块向下运动，直至接触到芯片的上表面，如图B6至B9所示。剪切块的剪切面12将与芯片的一边对齐，并留有一点间隙。随后，如技术人员所知，芯片上表面与剪切块下表面之间的接触可能受一个特殊力控制，也可能“回退”一段距离。然后通过剪切工具沿着箭头9的方向移动来加载剪切力。当剪切块上的剪切面12与芯片接触时，剪切块能绕着剪切工具进行一定角度的旋转，直至接触面与芯片的一边完全平行。这样保证接触能分布在芯片接触边的整个表面上，从而将应力集中最小化。

本发明的这些实施方案的优点有，

剪切块7通过真空抽吸的方式与剪切工具8维持相对位置

剪切块7有一个或多个接触面用于施加剪切载荷于芯片上，这样当一个剪切面磨损之后，可以使用另一个。

剪切块7上的剪切面需要经过加工，使它们相互接近能插入两片测试芯片的狭小空间内，以及其他装在同一基座片上的部件之间。

剪切块7上的剪切面需要经过加工，使它们伸出剪切块下表面的长度比芯片的厚度小。这样保证了剪切块在对准安装和剪切测试过程中，不会与基座面和/或者芯片与基座面间的键合相接触。

在一个优选实施方案中，剪切块上的剪切面通常都尽量接近剪切工具轴中心线。这样保证了测试过程中剪切面与芯片之间最大的位置对准度，而将系统中由于受测试载荷而变形引起的对准误差减到最小。

用于补充GB1005268.6“高强度、堆叠和紧凑布置芯片剪切工具的改进”的描述

C系列附图

本发明这些方案的特点将结合相应的附图，通过下文对优选实施方案的描述来说明，其中，

图C10为本发明的一个替代实施方案的等角视图

图C11为本发明的一个替代实施方案的剖面侧视图

本发明的优点有，

图C10和C11为一个替代实施方案的附图，其中剪切块7支撑剪切工具的真空空间被设计在剪切块的上表面。该实施方案拥有前文所述实施方案的所有优点，同时在剪切块体内也设有气孔，如图C11所示。

这种设计可使剪切工具8下降到低于芯片上表面的位置，这样，施加在芯片上的剪切载荷所引起的剪切块上所受弯矩可最小化。

通过下方切口13的设计，使得剪切面12上抬到基座片1的表面以上。切口的高度决定了基座片上方剪切接触面的剪切高度，因此，可以确保剪切块造成键合破坏时，键合的表面不会被损坏，同时其失效模式可被观测到。

Claims (15)

1.一种用于剪切测试半导体芯片和基座片间键合质量的方法，通过一块正方形或矩形的剪切块来进行测试，剪切块内装有一个轴承，连接在键合强度测试器的剪切工具主轴的一端，这样所述剪切块能绕着主轴自由旋转，同时通过轴承和/或者通过主轴内的真空抽吸方式固定在位置上。

2.根据权利要求1所述的剪切块有一个或多个用于测试芯片的剪切面。

3.根据权利要求1所述的剪切块，其中轴承是一个光滑圆柱孔。

4.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一种剪切测试方法，其中轴承允许剪切块绕着剪切工具主轴转动，这样剪切块上的剪切面能自行排列，使得与芯片的接触面积最大。

5.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一个剪切块，它是用比芯片更软的材料制成，允许剪切块在接触点发生一些形变，以降低芯片在接触点处的测试应力，从而减少或避免芯片在荷载施加点处受到损伤。

6.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一个剪切块，使用耐用材料制成，以降低与芯片接触处的磨损。

7.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一个剪切块，其下方伸出正方形或长方形的突出部，形成一个或多个剪切面。

8.根据权利要求7所述的一个剪切块，其上的突出部设计成与两块紧密安放的芯片间的缝隙相适配。

9.根据权利要求7或者8所述的一个剪切块，其突出部的高度小于芯片的厚度。

10.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一种剪切测试方法，其中真空结构支撑着剪切块，一种是通过剪切工具主轴的一端来实现，或者通过主轴上一边的环形通道连通剪切块顶部来实现。

11.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一个剪切块和主轴，其中主轴穿过轴承，这样它的下端能低于芯片的上表面。

12.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一个剪切块，其中的剪切面是剪切块的一个下方切口。

13.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一个剪切块，其中剪切面通过一个下方切口提升到基座片上方，来控制剪切的高度。

14.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一个剪切块和轴承，其中旋转角度的大小通过一根固定在主轴上的定位销来限制。

15.根据上述任意一个或多个权利要求所述的一个剪切块，其下端和/或者上端有一个或者多个剪切面。

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