CN102297837A - 用于测试半导体组件的接缝的系统和方法 - Google Patents

用于测试半导体组件的接缝的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明包括用于测试半导体组件的接缝的系统和方法。接缝包括焊料球或焊料块，设备包括：探头，包括直导热针；加热器，将探头的尖端加热到接缝熔化的温度或之上；保持器，支承探头，包括构造成在探头上提供夹紧力的夹紧机构；促动装置，使保持器和支承在保持器中的探头上下移动；用于将拉力施加到保持器的装置，保持器又将拉力施加到探头；力测量系统，在拉伸测试期间测量施加到探头的力，在探头尖端已被加热到接缝熔化的温度或之上后，探头尖端与接缝接触，通过对探头加热来熔化接缝，对接缝进行冷却和凝固以将探头尖端固定在接缝中，然后由拉力施加装置使探头缩回，以将拉力施加到接缝，拉力由力测量系统测量。

Description

用于测试半导体组件的接缝的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于半导体组件的接缝的拉伸测试的系统和方法。具体而言，本发明涉及一种用于测试接缝的拉伸强度的系统和方法，上述接缝由可熔材料(如焊料)球或块形成。
背景技术
为了测试PCB和/或半导体组件生产过程中采用的制造工艺的质量，进行破坏性和非破坏性机械强度测试。通常对提供两种材料之间的电或热连续性的接缝进行测试。对具有适当形状和尺寸的接缝来说，可通过夹持、钩挂或剪切形成接缝的一种材料来施加测试力。
这对某些接缝来说是不可能的，通常，这种接缝为PCB或半导体基板的表面上的焊料球或焊料块，但具有不寻常的形状或尺寸，或者难以用夹爪接近。作为施加测试力的可替代手段，已知的是使接缝熔化，然后允许接缝在测试工具周围再凝固。然后，能够使测试工具移动，以将测试力施加到再凝固的接缝。在US5641913中描述了用于拉伸测试的该类型系统的示例。
实际上，已经通过采用设计用于钩挂和夹持接缝以进行拉伸测试的现有接缝测试机器实现了该操作原理。当前以该方式使用的机器为英国白金汉郡的艾尔斯伯里的Rabans Lane工业区、Faraday路25号的Dage控股有限公司(Dage Holdings Limited，25 Faraday Road，RabansLane Industrial Area，Aylesbury，Buckinghamshire，United Kingdom)出售的Dage 4000多功能接缝测试机。测试针附接至常用于拉伸测试的钩。测试针由上述钩保持在适当位置，该钩直接附接至装配有应变仪的横梁，以测量测试期间施加的力。针的一端具有形成的90°弯曲部，其与钩接合并将力传递至针的尖端。上述系统使用被插入相对大的钛块的盒式加热管，其以机械方式支承加热器和热电偶。钩被精确对准在钛加热块的上方，使得测试针的直部经过贯穿钛加热块的紧贴孔。
该设备的操作方法如下。将待测试的样品刚性配合到附接至可水平移动工作台的工件保持器中。操作人员用操纵杆来控制以在位于测试针正下方的样品上移动特定测试点，通常采用显微镜来实现要求的精度。操作人员利用操纵杆控制装置降低安装至机动化竖直台面的整体式测压传感器(load cell)和测试针组件，直到测试针的尖端位于待测试焊料球/焊料块的顶部上。按下测试按钮，经由钛加热块将探头加热至预定温度。一旦焊料球/焊料块熔化，测试针的极尖端在其自身重力作用下落入焊料的熔池中。当已经达到要求的温度时，关闭加热器，这使得测试针开始冷却且使焊料凝固。一旦凝固，针、焊料和加热块就通过喷向它们的冷空气更迅速地冷却。一旦达到预定温度，测试针就被锚固到焊料球/焊料块的本体中，并且能够开始破坏性拉伸测试。整体式测压传感器组件被自动地向上驱动，这使得牵引钩将轴向载荷施加在针上，并因此施加在接缝上。测压传感器中的横梁挠曲，且校准的应变仪测量该力。随着粘合剂失效，应变仪觉察到力消失并且记录了在失效之前的最大力。然后，将记录的力存储在数据库中。
该接缝测试设备和方法在测量精度、操作速度和可用性方面存在诸多缺陷，而本发明的目的是克服这些缺陷中的一些或全部，或者至少提供有用的替代实施方案。
发明内容
本发明限定在应当被参考的所附独立权利要求中。在从属权利要求中列出本发明的优选方面。
在一个方面中，本发明包括用于对半导体组件的接缝实施拉伸测试的设备，该接缝包括焊料球或焊料块，该设备包括：
探头，所述探头具有纵向轴线；
加热器，所述加热器用于将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或所述温度之上；
保持器，所述保持器用于支承所述探头；
促动装置，所述促动装置用于使所述保持器和支承在所述保持器中的所述探头上下移动；
用于将拉力施加到所述保持器上的装置，所述保持器又沿着所述探头的纵向轴线将拉力施加到所述探头；以及
力测量系统，所述力测量系统用于在拉伸测试期间测量施加到所述探头的力，其中，在所述探头尖端已经被加热到接缝熔化的温度或所述温度之上之后，使所述探头尖端与接缝接触，通过对所述探头加热来熔化所述接缝，并且所述接缝被冷却和凝固以将所述探头尖端固定在所述接缝中，然后，由拉力施加装置使所述探头缩回，以将拉力施加到所述接缝，所述拉力由所述力测量系统来测量。
通过沿着探头的纵向轴线施加拉力，与现有技术相比提高了测量精度。在现有技术系统中，采用弯曲探头针，通过测试针中的弯曲部施加的力不在测试点的正上方，且产生小的弯矩。这还能导致在测试针与加热块中的孔之间的增大的摩擦，这能够不利地影响力测量。通过施加与探头的纵向轴线成一直线的力，消除了弯矩，并且减小了摩擦问题。
此外，在现有技术系统中，由与测试针接合的牵引钩施加的最大力受到测试针中的弯曲部的强度所限制。当超过该最大力时，该针伸直。通过施加与探头的纵向轴线成一直线而不经过弯曲部的拉力，消除了该问题。
优选地，探头是通过探头保持机构联接至保持器的直针。优选地，探头通过夹紧机构被保持在保持器内。优选地，该夹紧机构在探头的纵向轴上提供夹紧力。该类型的夹具与直探头针的一同使用允许在测试结束时能容易地将探头从设备移除。相反，在现有技术系统中，由于测试针的一端具有焊料球而另一端具有弯曲部，因此，一旦测试结束，测试针便被以机械方式俘获在加热块中。这意味着必须切割该针，或者必须重新开始加热循环，在焊料球熔化的同时手动移除焊料球，以便能移除探头。这不仅会显著影响操作速度，且会显著影响成本。测试针是精密形成的且消耗品是相对昂贵的，因此，期望的是能对它们进行清洁和再使用。
而且，利用直且夹紧的针，由于能简单地将保持器向下驱动到竖直保持在装载盘中的针上然后将其夹紧，所以操作人员在探头的装载期间较少地需要接触保持器的热端。还可以包围加热器设置隔热罩，用以在操作的加热阶段期间减小灼伤的风险，并减小探头的不必要的热损耗。相反，在现有技术系统中，探头的手动装载是必需的，这更耗时而且更麻烦。由于保持器的某些部分可以是热的，尤其是如果在测试之后焊料球已经再熔化，所以操作人员在接触保持器时还易受到灼伤的风险。
利用刚性夹紧的探头，能进行“推挤”和“拉伸”测试。还能进行“疲劳”测试，其中，负载在压缩测试和拉伸测试之间循环以达到预定力或者以固定循环数循环。利用现有技术系统，将推力施加到该针是不可能的。因此，用现有技术系统进行推挤测试和疲劳测试是不可能的。
优选地，夹紧机构为气动操作的。但是，可使用任何适当的操作机构，例如电动机构或磁性机构。该夹紧机构可包括筒夹和活塞，该筒夹包围探头，该筒夹具有渐缩的外表面，其中，在使用过程中，活塞的促动使得活塞沿着渐缩表面行进，或者使得渐缩表面抵靠另一表面而被驱动，从而围绕探头夹紧筒夹。另外或者可替代地，还可设置手动操作夹紧机构。优选地，筒夹被偏压到未夹紧位置。
优选地，加热器包括包围所述探头的至少一部分的导热管以及包围所述管的至少一部分的加热元件。以此方式，热源比在现有技术中更靠近测试针，减少了进行测试所需的能量以及执行整个循环的时间。本发明还使得需要加热和冷却的热质显著减少。
优选地，加热金属丝连接至用以对加热金属丝进行加热的电源。优选地，导热管是电绝缘的。优选地，导热管由陶瓷材料形成。适当的陶瓷材料的示例为可从英国克鲁的Weston路的Crewe Hall的Dynamic Ceramic有限公司(Dynamic Ceramic Ltd，of Crewe Hall，Weston Road，Crewe，CW1 6UA United Kingdom)获得的氮化铝/氮化硼陶瓷复合材料。
优选地，上述设备还包括靠近探头定位的热电偶。优选地，当在使用中时，热电偶位于导热管上，且更优选地位于导热管的离在测试中的接缝最近的端部。电绝缘管允许热电偶能直接放置在其上。热电偶可用于确定探头在接缝测试的加热阶段期间和冷却阶段期间的温度。可在整个接缝测试过程中记录和控制探头的温度。有利的是，控制在测试中的接缝的熔化和冷却，从而尽可能接近地模拟制造期间进行的处理。这确保在测试中的接缝的形式及其材料性质与制造的接缝的形式和材料性质一致。
优选地，该设备包括用于冷却探头的冷却系统。优选地，该冷却系统包括压缩空气源、喷嘴或出口以及阀，该喷嘴或出口连接至压缩空气源，该喷嘴或出口布置成在探头的附近提供压缩空气射流，而该阀构造成控制从所述源到喷嘴或出口的压缩空气供应。
优选地，该设备还包括可移动平台，待测试的半导体样品被安装在可移动平台上。优选地，探头阵列也被安装在可移动平台上。通过具有优选地预先装载到承载盘中的探头阵列，以及用于测试点的教导位置，自动测试程序是可能的。机动化控制装置可用于使保持器和平台相对于彼此移动，从而使得拾取探头、进行测试且然后将使用过的探头落入收集容器自动化。
在另一方面中，本发明包括用于对半导体组件的接缝实施拉伸测试的设备，该接缝包括焊料球或焊料块，该设备包括：
探头；
加热器，所述加热器用于将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或所述温度之上；
保持器，所述保持器用于支承所述探头；
促动装置，所述促动装置用于使所述保持器和支承在所述保持器中的所述探头上下移动；
用于将拉力施加到所述保持器上的装置，所述保持器又将拉力施加到所述探头；以及
力测量系统，所述力测量系统用于在拉伸测试期间测量施加到所述探头的力，其中，在所述探头尖端已经被加热到接缝熔化的温度或所述温度之上之后，使所述探头尖端与接缝接触，通过对所述探头加热来熔化所述接缝，并且所述接缝被冷却和凝固以将所述探头尖端固定在所述接缝中，然后，由拉力施加装置使所述探头缩回，从而将拉力施加到所述接缝，所述拉力由所述力测量系统来测量，并且其中所述加热器包括包围所述探头的至少一部分的导热管以及包围所述管的至少一部分的加热元件。
利用该加热器装置，热源比在现有技术中更靠近测试针，减少了进行测试所需的能量以及执行整个循环的时间。需要加热和冷却的热质也显著减少。这加快了测试过程。
优选地，加热金属丝连接至用以对加热金属丝进行加热的电源。优选地，导热管是不导电的。优选地，导热管电由陶瓷材料形成。
优选地，上述设备还包括靠近探头定位的热电偶。优选地，在使用过程中，热电偶位于导热管上，且更优选地位于导热管的离在测试中的接缝最近的端部。热电偶可用于确定探头在接缝测试的加热阶段期间以及冷却阶段期间的温度。可在整个接缝测试过程中记录和控制探头的温度。有利的是，控制在测试中的接缝的熔化和冷却，从而尽可能接近地模拟制造期间进行的处理。这确保在测试中的接缝的形式及其材料性质与制造的接缝的形式和材料性质一致。
该设备优选地还包括包围加热器的隔热罩，用以在操作的加热阶段期间减小灼伤的风险，并减少探头的不必要的热损耗。
优选地，该设备包括用于冷却探头的冷却系统。优选地，该冷却系统包括压缩空气源、喷嘴或出口以及阀，该喷嘴或出口连接至压缩空气源，该喷嘴或出口布置成在探头处引导压缩空气射流，而阀构造成控制从所述源到喷嘴或出口的压缩空气供应。
优选地，探头具有纵向轴线，并且所述保持器沿着探头的纵向轴线将拉力施加到探头。
优选地，探头是通过探头保持机构联接至保持器的直针。优选地，探头被夹紧机构保持在保持器内。优选地，夹紧机构在探头的纵向轴上提供夹紧力，而且围绕该轴对称地布置。
优选地，夹紧机构为气动操作的。但是，可采用例如可以电动操作或者磁性操作的任何适当夹紧机构。该夹紧机构可包括筒夹和活塞，该筒夹包围探头，该筒夹具有渐缩的外表面，其中，在使用过程中，活塞的促动使得活塞沿着渐缩表面行进，或者使得渐缩表面被抵靠另一表面地驱动，从而使筒夹围绕探头夹紧。另外或者可替代地，还可设置手动操作夹紧机构。优选地，筒夹被偏压到未夹紧位置。
优选地，该设备还包括可移动平台，待测试的半导体样品被安装在可移动平台上。优选地，探头阵列也被安装在可移动平台上。通过具有优选地预先装载到承载盘中的探头阵列，以及用于测试点的教导位置，自动测试程序是可能的。机动化控制装置可用于使保持器和平台相对于彼此移动，从而使得拾取探头、进行测试且然后将使用过的探头落入收集容器自动化。
在又一方面中，本发明包括用于对半导体组件上的接缝进行测试的方法，该接缝包括焊料球或焊料块，该方法包括步骤：
将导热探头的尖端施加到接缝；
将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或所述温度之上；
将探头的尖端冷却到接缝凝固的温度，或者允许探头的尖端冷却到接缝凝固的温度，其中，将探头的尖端嵌入接缝中；
在探头上施加拉力，并且记录在施加拉力的步骤期间施加到探头的力，
其中，探头具有纵向轴线，并且施加拉力的步骤包括沿着探头的纵向轴线将拉力施加到探头上。
优选地，上述方法包括以下步骤：在加热步骤期间将力施加在探头上，以随着接缝熔化而将探头推入接缝中。可替代地，上述方法包括以下步骤：在加热步骤期间将探头放置在接缝上，以随着接缝熔化而允许探头在其自身重力作用下沉入接缝中。
在仍又一方面中，本发明包括用于对半导体组件上的接缝进行测试的方法，该接缝包括焊料球或焊料块，该方法包括步骤：
将导热探头的尖端施加到接缝；
将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或所述温度之上；
将探头的尖端冷却到接缝凝固的温度，或者允许探头的尖端冷却到接缝凝固的温度，其中，将探头的尖端嵌入接缝中；
在探头上施加拉力，以将接缝从半导体组件移除，并且记录在施加拉力的步期间中施加到探头的力，
其中，加热的步骤包括：提供包围所述探头的至少一部分的导热管以及包围所述管的至少一部分的加热元件，以及使电流经过加热元件以加热探头。
在又一方面中，本发明包括用于对半导体组件上的接缝进行测试的方法，该接缝包括焊料球或焊料块，该方法包括步骤：
将导热探头夹紧到探头保持器中，其中，该探头包括直针，并且夹紧探头的步骤包括使探头保持器和探头相对于彼此移动以将探头定位在保持器内以及夹紧探头的纵向轴；
将探头的尖端施加到接缝；
将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或高于该温度；
将探头的尖端冷却到接缝凝固的温度，或者允许探头的尖端冷却到接缝凝固的温度，其中，将探头的尖端嵌入接缝中；
经由探头保持器将拉力施加在探头上，并且记录在施加拉力的步骤期间施加到探头的力；以及
将探头从探头保持器释放。
优选地，在自动化控制下执行使探头保持器和探头相对于彼此移动以将探头定位在保持器内的步骤。
优选地，使探头保持器和探头相对于彼此移动以将探头定位在保持器内的步骤包括：横向地移动探头，使得探头与探头保持器对准，且随后在探头上方竖直地移动探头保持器。
优选地，该方法还包括在施加拉力的步骤之后将容器移动到探头保持器下方的位置的步骤，并且将探头从探头保持器释放的步骤包括将探头释放到容器中。
优选地，夹紧的步骤包括在自动化控制下使筒夹围绕探头的纵向轴夹紧。
在仍又一方面中，本发明包括用于对半导体组件的接缝施加拉伸测试的设备，该接缝包括焊料球或焊料块，该设备包括：
探头，所述探头包括直的导热针；
加热器，该加热器用于将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或高于该温度；
用于支承所述探头的保持器，该保持器包括构造成在探头上提供夹紧力的夹紧机构；
促动装置，该促动装置用于使所述保持器以及支承在所述保持器中的所述探头上下移动；
用于将拉力施加在所述保持器上的装置，该保持器又将拉力施加到所述探头；以及
力测量系统，该力测量系统用于在拉伸测试期间测量施加到所述探头的力，其中，在所述探头尖端已经被加热到接缝熔化的温度或高于该温度之后，使所述探头尖端与接缝接触，通过对探头加热来熔化接缝，并且对接缝进行冷却和凝固以将探头尖端固定在接缝中，然后，由拉力施加装置使探头缩回，从而将拉力施加到接缝，该拉力由所述力测量系统来测量。
直探头的使用允许将探头装载到保持器中变得简单，甚至自动化。只需要将保持器向下驱动到对准的探头针上，然后使保持器围绕探头针夹紧。相反，在现有技术中，采用与挂钩接合的弯曲探头针，必须手动完成探头针的装载，并且要求很高的熟练性。
优选地，该设备还包括多个探头以及自动探头装载机构，多个探头布置在预定位置中，该自动探头装载机构构造成移动保持器或至少一个探头，从而使得探头与保持器对准。优选地，该设备还包括收集容器，可将该收集容器定位在探头保持器的下方以接纳测试之后使用过的探头。
优选地，该设备还包括可移动平台，待测试的半导体样品被安装在可移动平台上。优选地，探头阵列也被安装在可移动平台上。通过具有优选地预先装载到承载盘中的探头阵列，以及用于测试点的教导位置，自动测试程序是可能的。自动探头装载机构可用于使保持器和平台相对于彼此移动，从而使探头的拾取自动化。然后，可进行测试，并且将使用过的探头落入收集容器中。
在又一方面中，本发明包括用于对半导体组件的接缝实施拉伸测试的设备，该接缝包括焊料球或焊料块，该设备包括：
多个导热探头，该多个导热探头被定位在预定位置中；
用于支承探头的保持器，该保持器包括构造成在探头上提供夹紧力的夹紧机构；
自动探头装载机构，该自动探头装载机构构造成移动保持器或至少一个探头，从而使探头与保持器对准；
促动装置，用于使所述保持器以及支承在所述保持器中的所述探头朝向或者离开接缝地移动；
加热器，用于将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或高于该温度；
用于将拉力施加在所述保持器上的装置，该保持器又将拉力施加到所述探头；以及
力测量系统，用于在拉伸测试期间测量施加到所述探头的力，其中，在所述探头尖端已经被加热到接缝熔化的温度或高于该温度之后，所述探头尖端与接缝接触，通过对探头加热来熔化接缝，并且对接缝进行冷却和凝固以将探头尖端固定在接缝中，然后，由拉力施加装置使探头缩回，从而将拉力施加到接缝，该拉力由所述力测量系统来测量。
优选地，自动探头装载机构包括电子控制器和存储器，多个探头中的每一个探头的位置都存储在该存储器中。
优选地，该设备还包括收集容器，可将该收集容器定位在探头保持器的下方用以接纳测试之后使用过的探头。优选地，自动探头装载机构构造成控制收集容器相对于探头保持器的位置。
优选地，该设备还包括可移动平台，待测试的半导体样品被安装在可移动平台上。优选地，探头阵列也被安装在可移动平台上。通过具有优选地预先装载到承载盘中的探头阵列，以及用于测试点的教导位置，自动测试程序是可能的。自动探头装载机构可用于使保持器和平台相对于彼此移动，从而使得探头的拾取自动化。然后，可进行测试，并且将使用的探头落入收集容器中。
优选地，多个探头中的每一个探头均包括直导热针。可将每个探头布置为直立的，从而在使用过程中，能在进行测试之前将保持器降低到每个探头的上方，然后将探头夹紧。测试之后，使用过的探头能得以释放，而且能滑出保持器，或者仅仅在其自身重力下从保持器掉出。
在又一方面中，本发明包括用于对半导体组件上的接缝进行测试的方法，该接缝包括焊料球或焊料块，该方法包括步骤：
在预定位置处设置多个导热探头；
在自动控制下移动至少一个探头或探头保持器，从而使得探头与探头保持器对准；
将探头夹紧至探头保持器，
使探头和保持器相对于接缝移动，从而将探头的尖端施加到接缝；
将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或高于该温度；
将探头的尖端冷却到接缝凝固的温度，或者允许探头的尖端冷却到接缝凝固的温度，其中，将探头的尖端嵌入接缝中；
经由探头保持器将拉力施加在探头上，并且记录在施加拉力的步骤期间施加到探头的力；
使容器相对于探头保持器移动；以及
将探头从探头保持器释放到容器中。
优选地，在自动控制下移动至少一个探头或探头保持器以使得探头与探头保持器对准的步骤包括将至少一个探头横向移动到探头保持器下方的位置。
优选地，将多个导热探头设置在预定位置处的步骤包括将保持探头的承载盘安装至可移动平台。
优选地，多个探头中的每一个探头均包括直导热针。
在仍又一方面中，本发明提供一种用于对半导体组件的接缝实施拉伸测试的设备，该接缝设置焊料球或焊料块，该设备包括：
探头；
加热器，用于将所述探头的尖端加热到接缝熔化的温度或高于该温度；
用于支承所述探头的保持器，其中，该保持器包括用于保持探头的夹具、驱动机构以及手动调节机构，其中，驱动机构联接至夹具并具有活动位置和静止位置，且驱动机构从静止位置移动到活动位置致使夹具围绕探头紧固，且手动调节机构联接至驱动机构并构造成调节驱动机构的静止位置；
促动装置，用于使所述保持器以及支承在所述保持器中的所述探头在使用过程中朝向或者离开接缝地移动；
用于将拉力施加在探头上的装置；以及
力测量系统，用于在拉伸测试期间测量施加到所述探头的力，其中，在所述探头尖端已经被加热到接缝熔化的温度或高于该温度之后，所述探头尖端与接缝接触，通过对探头加热来熔化接缝，并且对接缝进行冷却和凝固以将探头尖端固定在接缝中，然后，由拉力施加装置使探头缩回，从而将拉力施加到接缝，该拉力由所述力测量系统来测量。
优选地，夹具为筒夹。优选地，驱动机构为联接至气动或液压控制系统的活塞和缸。优选地，该活塞邻接筒夹，且手动调节机构构造成调节活塞的静止位置。
优选地，手动调节机构允许在没有起动自动化夹紧机构的拉伸测试之前使探头以摩擦适配方式保持在夹具中。随后，可通过起动自动夹紧机构而在拉伸测试期间施加更大的夹紧力。
优选地，可用手动调节机构来代替自动夹紧机构，以使夹具围绕探头充分紧固，从而对接缝实施拉伸测试。
附图说明
参照附图详细描述本发明的示例，其中：
图1是根据本发明的接缝测试设备的正视图；
图2是图1的设备的剖面图；
图3是图2的部分A的详图；
图4是图3的探头夹紧系统的示意图；
图5是图3的部分B的详图；
图6是图5局部示出的冷却系统的示意图；
图7是图1和图2所示的盒组件在盖子被移除情况下的详图；
图8是示出了如何利用图7中的应变仪来提供力测量的电路图；
图9是示出了根据本发明的设备的控制体系的示意图；以及
图10是根据本发明的接缝测试方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明的接缝测试机器的正视图。图2是所述机器的经过X-X线的横向剖面图。该机器包括工作台1，具有待测试的一种或多种接缝的半导体组件2被安装在工作台上。
图1和图2所示的机器构造成对接缝且尤其是焊料接缝进行拉伸测试和推挤测试。探头3被保持在可竖直移动的盒组件4中。探头用于接触接缝、使接缝熔化、沉入熔化的接缝、对接缝进行冷却以使其再凝固，然后在接缝上施加拉力以测试其强度。
图1和图2所示的机器包括固定机壳5，该机器的移动部分被附接至固定机壳。机壳5被设计成位于工作架或工作台上。可移动工作台1被附接至机壳5，在测试中的样品2被安装在可移动工作台上。工作台1可相对于机壳5在水平面(这里被称为X-Y平面)上移动。工作台1的该移动利用步进电机或伺服电机(未示出)来实现和控制。尽管利用螺栓和螺母组件将样品保持器6固定至工作台1，但是可使用任何适当的固定装置。样品保持器包括夹具，该夹具可将不同尺寸的半导体样品保持在其内。用手柄7来调节夹具。该类型的工作台和样品保持器装置为众所周知的，而且能在英国白金汉郡的艾尔斯伯里的RabansLane工业区、Faraday路25号的Dage控股有限公司出售的Dage 4000多功能接缝测试机中找到。但是，可由多个不同的装置将在测试中的组件固定在工作台上的适当位置。可利用真空吸盘将更大的基板或器件固定至工作台。图1还示出了位于工作台上的探头托盘80。
该机器还包括联接至探头3的盒组件4。盒4和探头3可相对于机壳5和工作台1在与半导体组件的表面正交的竖直方向(这里称为Z方向)上移动。利用步进电机或伺服电机(未示出)驱动安装至机壳5的导丝杠或滚珠丝杠8，来再次实现盒4和探头3相对于机壳5的移动。盒4被安装在滚珠丝杠上的螺母上，且由此在丝杠转动时向上或向下行进，但也可使用其它适当的驱动机构，如本技术领域众所周知的螺线管。图1和图2所示的竖直驱动装置可在上述Dage 4000多功能接缝测试机中找到。
该机器通常由个人计算机(PC)控制并包括适当的用户接口设备，如键盘和显示屏以及一个或多个操纵杆(未示出)。该机器还包括对着在测试中的样品的显微镜9，以辅助探头的精确定位。这些用户控制特征部件也能在上述Dage 4000多功能接缝测试机中找到。
图3更详细地示出了图2的探头以及将探头安装至盒的牵引轴10的方式。探头3包括利用筒夹12保持在夹具中的导热针，其被联接至探头外壳11中的牵引轴10。探头轴的尖端涂覆焊料或者沉浸在焊料中，用以与测试中的接缝接触时确保优良的润湿作用。
用于将探头夹紧至牵引轴的夹紧机构为气动驱动式的。但是，同样可使用基于电促动器或磁性促动器的其它机构。该夹紧机构包括包围探头3的轴的一部分的钢筒夹12。筒夹12通过在容纳筒夹的气缸14中移动的活塞13的作用被紧密地围绕探头的轴夹紧。气缸14由螺接在气缸14的底部上的气缸端盖14a封闭。活塞13邻接筒夹12，并将筒夹12的渐缩外表面驱动到气缸端盖14a的对应渐缩部分中，从而使筒夹12围绕探头3的上端夹紧。利用供应至设置在活塞13与气缸14之间的活塞室13a的压缩空气来气动地驱动活塞。O形圈15、16用于提供在活塞与气缸之间以及活塞与牵引轴之间的密封。探头止挡物17被设置在牵引轴10上，以限制探头3在保持器中的行进。活塞、气缸和牵引轴在示出的实施例中均由钢形成。弹簧18被设置在活塞13与气缸端盖14a之间，用以在活塞13上不存在气动力时离开筒夹12地偏压活塞13。图4还示意性地示出了夹紧机构。图4示出了连接至压缩空气源40的活塞室13a，该压缩空气源可被安装至机壳。由受到下述电子控制的供给阀41来调节用以驱动活塞13的压缩空气40的供应。由同样是电子控制的排气阀42来控制从活塞室13a排出压缩空气以释放夹具。
其它夹紧装置是可能的。例如活塞可用于沿着筒夹的渐缩表面行进，从而围绕探头对其挤压。可替代地，可采用邻接探头的直接促动夹具构件来代替筒夹。与直探头针的使用相结合地，所有这些夹紧装置的优点在于，能容易地从保持器装载和卸载探头，而且能实现完全自动化处理。
还设置手动夹具调节机构19、20，其可用于代替上述气动夹紧机构或者除了上述气动夹紧机构之外另外地设置。当除了气动夹紧机构之外另外地使用时，该手动夹紧调节机构用于设定活塞的静止位置，并因此打开或闭合筒夹12的内表面。手动夹紧调节机构包括环形板19，该环形板配合在气缸14后部的螺纹上。板19邻接三个向下延伸的定位针20的一端，这些定位针在其另一端处还邻接活塞13的后表面。可通过使板19旋转而使板在螺纹上向下或向上移动。当板19向下移动时，闭合筒夹12。当板19向上移动时，打开筒夹12。仅仅通过使环形板转动，直到其向下移动足以牢固地夹紧探头3为止，便可单独使用手动夹紧调节机构，而不需要气动夹紧机构。
为对探头3且尤其是探头的与在测试中的接缝接触的那部分进行加热以使接缝熔化，将加热器围绕探头3的下部设置。该加热器包括围绕探头3紧密配合的陶瓷管21以及缠绕或以其它方式设在管21的外表面上的加热金属丝22。管21由导热但电绝缘的具有0.95mm厚度的陶瓷制成。陶瓷管的材料为氮化铝/氮化硼陶瓷复合材料。加热金属丝22通过电阻加热提供热量。金属丝22连接至电源(图3中未示出)。电流经过金属丝，以对陶瓷管21和探头3进行加热。金属丝由镍铬合金(Nichrome)形成。陶瓷管21在其外表面上可形成有凹槽，这些凹槽接纳加热金属丝22，并确保良好的热接触。可采用替代电阻加热的或者除电阻加热以外的其它加热形式，例如，感应加热或者采用单股或多股热空气射流。绝缘层23被设置在加热器与夹紧组件之间。隔热罩24被围绕加热器组件设置。
热电偶30被定位在陶瓷管21的底端上。热电偶30提供探头的温度指示，并因此提供在测试中的接缝31的温度指示。该热电偶为K型热电偶。该类型的适当热电偶可从英国曼彻斯特的Omega工程有限公司(Omega Engineering Limited，Manchester，United Kingdom M44 5BD)获得。图5对此进行了详细显示。热电偶30用于确定何时进行拉伸测试的各个阶段，以及允许熔化和凝固阶段的温度分布被控制为接近地模拟在半导体组件的制造过程中的温度分布。加热和冷却速率能影响接缝的材料性质。
还设置图6中示意性示出的冷却组件，用于一旦测试中的接缝31已经熔化就快速地冷却探头3。冷却组件通过在探头附近提供压缩空气射流来操作。压缩空气源60连接至隔热罩24中靠近探头3的喷嘴25(图3中示出)。电子可控阀61被设置在压缩空气源60(可以与用于夹紧机构的压缩空气源40相同或不同)与喷嘴25之间。空气源60、阀61和喷嘴25之间的连接可由适当的柔性或刚性软管来实现。空气源可以是安装至机壳的压缩空气缸。图6还示出了用于控制阀61的控制电子设备62。可提供其它形式的冷却作为替代方案。例如，可使用用于在探头和接缝上方产生非压缩空气流的风扇，或者可替代地使探头和接缝独自冷却到环境温度。
与现有技术的加热器部件相比，陶瓷管21和探头3具有相对低的热质，因此，加热和冷却循环要快得多。
图7示出了盒组件4以及检测施加在探头3上的力的方式。该盒包括刚性后挡板70，该后挡板刚性连接至丝杠8上的螺母。参见图2。一对铝悬臂71a和71b被在一端处用螺钉75固定到后挡板70，且在它们的相反端处在Z方向上挠曲。该类型的悬臂71a和71b为众所周知的，而且能在上述Dage 4000多功能接缝测试机中找到。牵引轴10经过设置在悬臂71a和71b的自由端中的孔，并利用配合到牵引轴10的螺纹部分的螺母72被刚性固定至悬臂71a和71b。明显地，将牵引轴附接至悬臂的其它装置也是可能的。
在Z方向上施加在牵引轴10上的任何力都将致使悬臂71a和71b挠曲。为测量施加在牵引轴10上的力，将应变仪73a、73b定位在其中一个悬臂71a的顶表面上，而将应变仪74a、74b(未示出)定位在所述悬臂71a的相反表面上。臂71a的挠曲使应变仪变形，并允许记录牵引轴上的力的测量结果。该类型的力测量系统例如可从US63019712以及上述Dage 4000多功能接缝测试机获知。
温度补偿元件76设有悬臂71a和71b。图8示出了采用四个应变仪以及温度补偿元件76的电路布置。该电路采用惠斯通电桥构造以用于应变仪，其利用激励电压Vexcite来激励。输出电压Vout为牵引轴10上的力的指示。
应变仪不仅用于在拉伸或推挤测试期间检测牵引轴上的力，而且还用于在开始测试之前在探头的初始定位期间确定探头何时接触在测试中的接缝。检测到当探头接触半导体组件时悬臂的微小偏转，且然后停止Z方向上的驱动，从而防止破坏接缝或基板。
图9是设备的不同部分的控制的示意图。该设备由在个人计算机(PC)90中运行的应用软件91来控制。专用电子设备设置用于设备的各个部分，这些电子设备由应用程序控制。运动控制电子设备92设置用于盒组件4的Z方向驱动93，而且用于工作台1的X-Y平面驱动94。夹具电子设备95也设置用于控制夹具的促动，且具体地用于控制阀41和42。
温度感测和控制电子设备96设置成控制加热器97和冷却系统98。温度控制电子设备96利用来自热电偶30的信号来开始和结束加热和冷却循环。
力测量和触碰感测电子设备99设置用于操作应变仪73、74，并用于根据它们的输出确定牵引轴上的力的测量结果。如上所述，来自应变仪73a和73b、74a和74b的信号被用作触碰传感器，用以在初始定位探头时停止Z方向上的驱动。
图10是根据本发明在接缝测试中执行的步骤的流程图。
在处理中的第一步骤是将探头3装载到牵引轴上。这被示出为步骤100。这可通过将探头针手动地装载到保持器上且然后手动或自动地将其夹紧在适当位置来实现。可替代地，该处理可以是完全自动化的。工作台1可移动，使得探头托盘80中的探头位于牵引轴10的正下方。通过记录在工作台上的托盘中的探头的位置，可以控制工作台将下一探头针自动移到适当位置。然后，用Z方向丝杠驱动降低盒组件，直到探头处于适当位置。
然后，在步骤105中通过促动活塞13来夹紧探头，或者可能的是筒夹足够紧而在不促动活塞的情况下抵抗探头的重量而将探头支承在适当位置，从而在该阶段中夹紧是不必要的。然后，在工作台1的上方将探头和盒组件拉回预定距离。
然后，在步骤110中移动工作台，使得待测试的接缝31位于探头正下方。这可借助于显微镜和操纵杆控制装置来手动完成。可替代地，如果工作台上的接缝的位置为已知的且被电子记录，则这可以自动地完成。
在步骤115中，探头3然后利用Z方向上的驱动而朝向待测试的接缝31向下移动。在步骤120中，利用来自应变仪73、74的输出来检测与接缝31的接触，然后在步骤125中停止Z方向上的驱动。
在步骤130中，探头未被夹紧，或者夹具松开，使得探头3位于接缝31的顶部上。然后，在步骤135中加热器被启动，从而对探头进行加热，并因此加热接缝。当热电偶检测到探头已经达到接缝的熔化温度或者高于该温度时，使加热器停止运行。探头在其自身重力作用下沉入熔化的接缝中。可替代地，探头可在加热步骤期间保持夹紧，但保持在如下位置，该位置使得固态接缝对探头施加向上的力，从而使悬臂挠曲。随着接缝熔化，探头然后在悬臂的作用下被强制向下进入熔融焊料。
在步骤140中，冷却循环开始。阀61打开，并且将压缩空气射流喷射到探头上，以快速冷却探头以及接缝。当热电偶检测到已经达到接缝处于固态所需要的温度时，阀关闭，且停止冷却。此时，接缝已经在探头的尖端周围凝固。
热电偶可用于在加热和冷却循环期间提供探头的温度分布的记录。这可用于控制加热和冷却速率，并因此确保再凝固的接缝与制造后的初始接缝具有相同的材料性质。这可以通过尽可能接近地模拟一般制造过程中使用的热分布来实现。
在冷却完成之后，如果探头未被夹紧，则在步骤145中，用气动夹紧机构紧紧夹住探头3。可替代地，在冷却步骤140之前，可以执行夹紧探头145的步骤。可替代地，探头可在整个过程中保持夹紧。
在步骤150中，进行拉伸测试，并且利用来自应变仪73a和73b、74a和74b的输出来记录整个测试过程中牵引轴上的力。该拉伸测试通过利用Z轴驱动来驱动牵引轴在Z方向上离开工作台1而执行。当在拉伸测试期间将接缝31从半导体基板移除时，施加于牵引轴10上的力将突然减小。记录获得的最大力。
由图2、图3和图7可见，在图示的实施例中，探头3的纵向轴线与牵引轴10的纵向轴线对准，并且在拉伸测试期间由牵引轴10施加在探头3上的拉力正好与探头3的纵向轴线成一直线。这确保了探头上不存在可能导致不精确和不可重复测试结果的弯矩。这还在拉伸或推挤测试期间增大了能施加的最大拉力，并明显减小了损坏探头的可能性，并且因此增加了探头的使用寿命。
除适用于进行拉伸测试以外，本发明的设备还适用于通过将探头在Z方向上驱动到(未熔化)接缝中，并随着牵引轴行进预定直线距离而记录其上的力，来对接缝进行推挤测试。还可进行疲劳测试，其由达到预定循环数或预定力的一系列交替的拉伸和推挤测试组成。
拉伸测试(或推挤测试或者疲劳测试)结束之后，在步骤155中通过移动工作台使半导体组件移动离开探头。为便于清洁探头3，尽管附着于探头3的任何接缝材料仍然附着于夹具并容纳在陶瓷加热管中，但还是可以被再熔化。根据需要，可将新的半导体组件2安装在工作台1上。
在步骤160中，将探头3从保持器卸载。这可通过旋转板19以使其向上移动而打开筒夹12来手动实现，或者通过解除气动夹紧力来自动实现。用于接纳使用过的探头的容器可被固定至工作台，并且在该阶段中可在牵引轴的下方移动。然后，松开的探头能落入容器中，且随后能够被清洁和再使用。
然后该处理结束，并且能够测试新的接缝。为再次开始处理，在步骤165中工作台移动到接纳新探头的位置，并且然后，以步骤100再次开始该处理。

Claims (15)

1.一种用于对半导体组件的接缝实施拉伸测试的设备，所述接缝包括焊料球或焊料块，所述设备包括：
探头，所述探头包括直的导热针；
加热器，所述加热器用于将所述探头的尖端加热到所述接缝熔化的温度或所述温度之上；
保持器，所述保持器用于支承所述探头，所述保持器包括构造成在所述探头上提供夹紧力的夹紧机构；
促动装置，所述促动装置用于使所述保持器和被支承在所述保持器中的所述探头上下移动；
用于将拉力施加到所述保持器上的拉力施加装置，所述保持器又将拉力施加到所述探头；以及
力测量系统，所述力测量系统用于在拉伸测试期间测量施加到所述探头的力，其中，在所述探头尖端已经被加热到所述接缝熔化的温度或所述温度之上之后，所述探头尖端与所述接缝接触，通过对所述探头加热来熔化所述接缝，并且对所述接缝进行冷却和凝固以将所述探头尖端固定在所述接缝中，然后由所述拉力施加装置使所述探头缩回，从而将拉力施加到所述接缝，所述拉力由所述力测量系统来测量。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括多个探头和自动探头装载机构，所述多个探头布置在预定位置中，所述自动探头装载机构构造成移动所述保持器或者所述探头中的至少一个探头，以使所述探头与所述保持器对准。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述设备还包括收集容器，所述收集容器能够被定位在所述探头保持器的下方以接纳测试之后的使用过的探头。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括可移动平台以及安装在所述可移动平台上的探头阵列，待测试的半导体样品被安装在所述可移动平台上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述夹紧机构包括：
包围所述探头的筒夹，所述筒夹具有渐缩的外表面；以及
活塞，其中，在使用过程中，所述活塞的促动使得所述活塞沿着所述渐缩表面行进，或者使得所述渐缩表面被抵靠所述保持器的表面地驱动，从而使所述筒夹围绕所述探头夹紧。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述加热器包括包围所述探头的至少一部分的导热管和包围所述管的至少一部分的加热元件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括邻近所述探头定位的热电偶。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述热电偶位于所述导热管上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括包围所述加热器的隔热罩。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括用于冷却所述探头的冷却系统。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述冷却系统包括压缩空气源、喷嘴以及阀，所述喷嘴连接至所述压缩空气源，所述喷嘴布置成在所述探头的附近提供压缩空气喷射流，而所述阀构造成提供从所述源到所述喷嘴的压缩空气供应。
12.一种测试半导体组件上的接缝的方法，所述接缝包括焊料球或焊料块，所述方法包括步骤：
在预定位置处设置多个导热探头；
在自动控制下使所述探头中的至少一个探头或者探头保持器相对移动，从而使得所述探头与所述探头保持器对准；
将所述探头夹紧至所述探头保持器，
使所述探头和所述保持器相对于所述接缝移动，从而使所述接缝与所述探头的尖端接触；
将所述探头的所述尖端加热到所述接缝熔化的温度或所述温度之上；
将所述探头的所述尖端冷却到所述接缝凝固的温度，或者允许所述探头的所述尖端冷却到所述接缝凝固的温度，其中将所述探头的所述尖端嵌入在所述接缝中；
经由所述探头保持器将拉力施加到所述探头上，并且记录在施加拉力的步骤期间施加到所述探头的力，
使容器相对于所述探头保持器移动；以及
将所述探头从所述探头保持器释放到所述容器中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在自动控制下使所述探头中的至少一个探头或者探头保持器移动的所述步骤包括将所述至少一个探头横向移动到所述探头保持器的下方的位置。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中将多个导热探头设置在预定位置处的所述步骤包括将保持所述探头的承载盘安装至可移动平台。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中所述探头中的每个探头均是直针。
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