CN107014691A - 一种芯片键合强度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片键合强度测量装置及方法，测量装置包括待测芯片、玻璃支柱、金属毛细管、传输光纤、压力接头、压力入口、隔离膜片、导压液体、底座、密封圈、充液孔、封堵钢珠、外壳。芯片键合强度的测量方法包括以下步骤：第1、使用压力源对所述片键合强度测量装置施加适当的初始压力，并记录此时的光谱信息；第2、选择合适的加压步长，提高压力源对键合强度测量装置施加的压力值；第3、将压力源施加的压力值降为0，观察光谱仪显示是否仍有干涉信号；若仍有信号，重复第2步直到降下压力后光谱仪干涉信号消失；若无信号，则上一步中施加的压力值即为待测芯片键合后可承受的最大压力值，直接反映了芯片的键合强度。

Description

一种芯片键合强度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体的说，是涉及一种芯片键合强度测量装置及方法。

背景技术

键合是半导体制造过程中一种不可或缺的技术，被广泛地运用于精密制造工艺特别是电子产品的机械及电气连接中。尤其是在微机电系统(MEMS)研发生产过程中，封装是最终确定其体积、寿命和成本的关键技术，而封装方法中最为重要的一类技术就是键合技术。因而键合结构的强度决定了MEMS系统的应用范围大小和使用寿命长短。正因如此，精确地测量芯片键合强度就显得尤为重要。

到目前为止，针对芯片键合强度的测量，国内外科研人员提出了一些测量方法。如1988年，Maszara等(Maszara W P,Goetz G,“Bonding of silicon wafer for silicon-on-insulator”.J.Appl.Phys.1988,64(10):4943-4950.)提出裂纹传播扩散法，通过将刀片插入键合位置并测量裂纹长度来测量键合强度。但是刀片插入通常是人工进行，刀片的插入速率、插入的方式、测量环境等因素都会影响测量结果。1990年，Charalambides等(Charalambides P G,Cao HC,Lund J,Evans AG,“Devel-opment of a testmethodformeasureing the mixed mode frac-ture resisance of biomaterial interfaces”.Mech.Mater.1990,8(4):269-283.)提出四点弯曲分层技术，通过底部两支点支撑、顶部两压力点施压的方法来测量键合强度。这种方法较裂纹传播扩散法更精确，但其测量范围受限，当退火温度达到900℃～1000℃后，键合强度就可能超出该方法的测量范围而导致无法测量。目前最常用的键合强度测量方法为直拉法，但其测量范围受到键合芯片与拉力手柄间粘合剂材质的限制，当键合强度大于粘合剂的粘黏度时，拉力手柄就会在待测芯片分裂之前与待测芯片脱离，从而导致无法测量。该方法通常使用环氧树脂作为粘合剂，所能测量的最大键合强度约为80MPa。同时，直拉法对测试设备的精度特别是拉力和键合界面间的垂直度、待测芯片上下两面粘接的同轴度和平行度要求很高，很难得到精确的测量结果。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种芯片键合强度测量装置及方法，此外还提出了芯片键合强度测量系统及其测量方法，通过精确地测量法布里-珀罗腔的变化量，精确得到待测芯片裂开时的压强值，从而实现对芯片键合强度的测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种芯片键合强度测量装置，该装置包括待测芯片、玻璃支柱、金属毛细管、传输光纤、压力接头、压力入口、隔离膜片、导压液体、底座、密封圈、充液孔、封堵钢珠和外壳；其中：

所述待测芯片经膜片和基底片键合制成，其中膜片作为弹性膜片感受压力，同时作为法布里-珀罗腔的第二个反射面；基底片表面中心腐蚀有微腔，微腔底部作为法布里-珀罗腔的第一个反射面，微腔的腐蚀深度决定法布里-珀罗腔的初始长度；

所述待测芯片和玻璃支柱间通过激光焊接方式连接；所述金属毛细管、玻璃支柱、底座通过高温烧结方式密封连接；所述底座与压力接头间通过密封圈密封连接；外壳与压力接头通过螺纹配合并为底座提供支撑；

所述隔离膜片设置在压力接头中压力入口的下方，将外界压力介质与导压液体隔离。

所述待测芯片的键合方式包括阳极键合、共晶键合、热压键合、黏着键合、玻璃焊料键合和低温键合。

所述待测芯片的底面形状包括圆形、矩形和多边形；所述玻璃支柱的上端面与待测芯片的底面形状相契合。

一种芯片键合强度测量装置的制作方法，包括以下步骤：

(1)将待键合的膜片、基底片切割为所需形状；在基底片上腐蚀深度10～100μm的微腔，将膜片与基底片进行键合；

(2)将金属毛细管、玻璃支柱、底座进行净化、干燥、组装后，整体置于高温炉进行烧结，制成芯片支撑结构；

(3)将所述芯片支撑结构置于激光焊接设备中，令玻璃支柱上端面与待测芯片下表面重合并紧密贴合，利用激光将两者焊为一体；

(4)将切割好的传输光纤从金属毛细管底端插入，使传输光纤上端面与待测芯片下表面贴合；微调传输光纤位置并通过光谱仪观测干涉信号，待干涉信号最强时通过胶粘剂固定传输光纤位置；

(5)在压力接头上焊接隔离膜片；

(6)在底座侧壁加装密封圈后，装配于压力接头后端的圆槽内；

(7)通过充液孔将导压液体注满压力接头中的剩余空间；

(8)将封堵钢珠压入充液孔；

(9)拧上外壳，完成所述芯片键合强度测量装置的制作。

根据所述芯片键合强度测量装置组成的芯片键合强度测量系统，该系统包括白光光源、芯片键合强度测量装置、压力源、3dB耦合器、光谱仪和光纤，其中：

所述白光光源发出的光耦合到光纤，经过一个3dB耦合器后，进入所述芯片键合强度测量装置并入射至待测芯片；经基底片与膜片反射后，带有腔长信息的反射光重新返回3dB耦合器，之后进入光谱仪，通过记录反射光的光谱信息可以计算出此时的腔长值；所述芯片键合强度测量装置安装在压力源的压力出口上。

所述芯片键合强度测量系统的测量方法，包括以下步骤：

(1)使用压力源对所述片键合强度测量装置施加初始压力，并记录此时的光谱信息；

(2)选择加压步长，提高压力源对键合强度测量装置施加的压力值；

(3)将压力源施加的压力值降为0，观察光谱仪显示是否有干涉信号：若有，重复步骤(2)直到降下压力后光谱仪干涉信号消失；若无，则上一步中施加的压力值即为待测芯片键合后可承受的最大压力值，反映了芯片的键合强度，同时通过记录的光谱数据可计算出上一步中所施加的压力值。

现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明提出的芯片键合强度测量方法采用对芯片施加液体压力的方式进行测量，施加压力均匀，测量过程可控，且对系统的机械精度要求较低；通过多光束干涉原理对微小法布里-珀罗腔长进行测量，进一步提高了测量可靠性和精度。

2.本发明提出的芯片键合强度测量方法可以用来测量包括阳极键合、共晶键合、热压键合、黏着键合、玻璃焊料键合、低温键合等在内的各种键合方式的键合强度；被测的芯片包括各种形状；可以测量键合芯片在各种介质中的短期、长期键合强度。

附图说明

图1是本发明芯片键合强度测量装置的结构示意图；

图2是本发明中待测芯片的结构示意图；

图3是本发明中芯片键合强度测量系统的结构示意图；

图4是本发明实施例测量过程中待测芯片的受力示意图；

图5是本发明实施例中芯片键合强度测量系统的示意图；

图6是本发明实施例中芯片键合强度测量系统得到的反射光谱图；

附图标记：1、待测芯片，2、激光焊接点，3、玻璃支柱，4、压力接头，5、金属毛细管，6、压力入口，7、隔离膜片，8、导压液体，9、传输光纤，10、底座，11、密封圈，12、充液孔，13、封堵钢珠，14、外壳，17、膜片，18、法布里-珀罗腔，19、基底片，20白光光源，21、芯片键合强度测量装置，22、3dB耦合器，23、压力源，24、光谱仪，25、光纤，26、芯片键合位置，27、侧向压力，28、活塞式压力源

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

实施例1：一种芯片键合强度测量装置的具体实施方式

如图1和图2所示，芯片键合强度测量装置中，待测芯片1经膜片17和基底片19键合制成，其中膜片17作为弹性膜片感受压力，同时作为法布里-珀罗腔18的第二个反射面；基底片19上在键合之前即腐蚀有微腔，微腔底部作为法布里-珀罗腔18的第一个反射面，微腔的腐蚀深度决定了法布里-珀罗腔10的初始长度。玻璃支柱3与待测芯片1通过激光焊接的方式连接，并形成有激光焊接点2，作为待测芯片1的受压支撑基底，同时也是金属毛细管5的固定装置、金属毛细管与底座10间的密封装置。传输光纤9经金属毛细管5底端插入，其端面切割平整并与待测芯片1的底面贴合。底座10与压力接头4间通过密封圈11密封，外壳14与压力接头4通过螺纹配合并为底座10提供支撑。

白光光源20发出的光经传输光纤9入射待测芯片1，在腐蚀微腔底面发生第一次反射，在膜片17底面发生第二次反射，这两束反射光形成干涉，干涉信号中包含光程差信息，且该光程差是对应腔长的2倍。当压力源23施加的压力通过导压液体8作用于待测芯片1上时，膜片17发生变形，从而改变膜片17的底面与腐蚀微腔底面之间的距离即法布里-珀罗腔腔长，通过记录的光谱数据可以精确地计算出待测芯片1裂开时的压力值。

隔离膜片7、充液孔12、封堵钢珠13构成隔离系统，将导压液体8与压力源23的压力介质隔离开来。隔离膜片7设置在压力接头4中压力入口6的下方，将外界压力介质与导压液体8隔离，在本装置中加入隔离系统，可以通过单一压力源23测量待测芯片1在各种介质环境中的键合强度；且通过充导压液体8并长期静置后再进行测量的方式，可以测量各种介质氛围对芯片键合强度的长期影响。

实施例2：高精度大测量范围芯片键合强度测量方法与光谱解调

由图1中芯片键合强度测量装置21组成的芯片键合强度测量系统如图3所示，该系统包括白光光源20、芯片键合强度测量装置21、压力源23、3dB耦合器22、光谱仪24和光纤25；通过如图5所示芯片键合强度测量系统的具体实施例，来说明本芯片键合强度测量方法的实施方式。图5所示系统中，压力源23采用活塞式压力源28。

白光光源20发出的光耦合到光纤25，经过一个3dB耦合器22后，进入芯片键合强度测量装置21并入射到待测芯片1；经膜片17和基底片19反射后，带有腔长信息的反射光重新返回3dB耦合器22，之后进入光谱仪24。通过光谱仪24扫描得到传感器返回的光谱，图6是本芯片键合强度测量装置经过光谱仪测取的光谱；通过求取光谱包络的峰值位置，即可获得光纤法布里-珀罗腔18的腔长信息，法布里-珀罗腔长与其干涉光谱之间的关系式为：其中，d表示法布里-珀罗腔长，λ₁,λ₂分别表示光谱包络的两个峰值位置。

芯片键合强度测量装置21安装在活塞式压力源28的压力出口上。当活塞式压力源28施加的压力通过导压液体8作用于待测芯片1上时，膜片17发生变形，从而改变膜片17的底面与腐蚀微腔底面之间的距离即法布里-珀罗腔腔长，法布里-珀罗腔长与压力的关系式为：Δd为法布里-珀罗腔长变化量，P表示压力，E为膜片17的杨氏模量，ν为膜片17的泊松比，B为腐蚀微腔的直径，C为膜片17的厚度。

在进行键合强度测量时，其方法为：

第1、使用活塞式压力源28对所述片键合强度测量装置21施加适当的初始压力，并记录此时的光谱信息；通过此时记录的光谱即可计算出法布里-珀罗腔18的初始腔长。

第2、选择合适的加压步长，提高活塞式压力源28对键合强度测量装置21施加的压力值；

第3、将活塞式压力源28施加的压力值降为0，观察光谱仪24显示是否仍有干涉信号；若仍有信号，重复第2步直到降下压力后光谱仪24干涉信号消失；若无信号，则此时待测芯片1的芯片键合位置26已被侧向压力27压破(见图4)，导压液体8已经进入法布里-珀罗腔18中。则上一步中施加的压力值即为待测芯片1键合后可承受的最大压力值，直接反映了芯片的键合强度，同时通过上一步中记录的光谱数据可以精确地计算出上一步中施加的压力值。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种芯片键合强度测量装置，其特征在于，该装置包括待测芯片(1)、玻璃支柱(3)、金属毛细管(5)、传输光纤(9)、压力接头(4)、压力入口(6)、隔离膜片(7)、导压液体(8)、底座(10)、密封圈(11)、充液孔(12)、封堵钢珠(13)和外壳(14)；其中：

所述待测芯片(1)经膜片(17)和基底片(19)键合制成，其中膜片(17)作为弹性膜片感受压力，同时作为法布里-珀罗腔(18)的第二个反射面；基底片(19)表面中心腐蚀有微腔，微腔底部作为法布里-珀罗腔(18)的第一个反射面，微腔的腐蚀深度决定法布里-珀罗腔(18)的初始长度；

所述待测芯片(1)和玻璃支柱(3)间通过激光焊接方式连接；所述金属毛细管(5)、玻璃支柱(3)、底座(10)通过高温烧结方式密封连接；所述底座(10)与压力接头(4)间通过密封圈(11)密封连接；外壳(14)与压力接头(4)通过螺纹配合并为底座(10)提供支撑；

所述隔离膜片(7)设置在压力接头(4)中压力入口(6)的下方，将外界压力介质与导压液体(8)隔离。

2.根据权利要求1所述一种芯片键合强度测量装置，其特征在于，所述待测芯片(1)的键合方式包括阳极键合、共晶键合、热压键合、黏着键合、玻璃焊料键合和低温键合。

3.根据权利要求1或2所述一种芯片键合强度测量装置，其特征在于，所述待测芯片(1)的底面形状包括圆形、矩形和多边形；所述玻璃支柱(3)的上端面与待测芯片(1)的底面形状相契合。

4.根据权利要求1所述一种芯片键合强度测量装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将待键合的膜片(17)、基底片(19)切割为所需形状；在基底片(19)上腐蚀深度10～100μm的微腔，将膜片(17)与基底片(19)进行键合；

(2)将金属毛细管(5)、玻璃支柱(3)、底座(10)进行净化、干燥、组装后，整体置于高温炉进行烧结，制成芯片支撑结构；

(3)将所述芯片支撑结构置于激光焊接设备中，令玻璃支柱(3)上端面与待测芯片(1)下表面重合并紧密贴合，利用激光将两者焊为一体；

(4)将切割好的传输光纤(9)从金属毛细管(5)底端插入，使传输光纤(9)上端面与待测芯片(1)下表面贴合；微调传输光纤(9)位置并通过光谱仪(24)观测干涉信号，待干涉信号最强时通过胶粘剂固定传输光纤(9)位置；

(5)在压力接头(4)上焊接隔离膜片(7)；

(6)在底座(10)侧壁加装密封圈(11)后，装配于压力接头(4)后端的圆槽内；

(7)通过充液孔(12)将导压液体(8)注满压力接头(4)中的剩余空间；

(8)将封堵钢珠(13)压入充液孔(12)；

(9)拧上外壳(14)，完成所述芯片键合强度测量装置的制作。

5.根据权利要求1所述芯片键合强度测量装置组成的芯片键合强度测量系统，其特征在于，该系统包括白光光源(20)、芯片键合强度测量装置(21)、压力源(23)、3dB耦合器(22)、光谱仪(24)和光纤(25)，其中：

所述白光光源(20)发出的光耦合到光纤(25)，经过一个3dB耦合器(22)后，进入所述芯片键合强度测量装置(21)并入射至待测芯片(1)；经基底片(19)与膜片(17)反射后，带有腔长信息的反射光重新返回3dB耦合器(22)，之后进入光谱仪(24)，通过记录反射光的光谱信息可以计算出此时的腔长值；所述芯片键合强度测量装置(21)安装在压力源(23)的压力出口上。

6.根据权利要求5所述芯片键合强度测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用压力源(23)对所述片键合强度测量装置(21)施加初始压力，并记录此时的光谱信息；

(2)选择加压步长，提高压力源(23)对键合强度测量装置(21)施加的压力值；

(3)将压力源(23)施加的压力值降为0，观察光谱仪(24)显示是否有干涉信号：若有，重复步骤(2)直到降下压力后光谱仪(24)干涉信号消失；若无，则上一步中施加的压力值即为待测芯片(1)键合后可承受的最大压力值，反映了芯片的键合强度，同时通过记录的光谱数据可计算出上一步中所施加的压力值。