CN1998075A - 测试装置 - Google Patents

Abstract

一种用于对半导体器件的微小突起部进行剪切测试的设备(10)，包括用于探测剪切测试工具(15)的表面接触情况的传感器(30)。当工具在基片上往复运动时也用侧向剪切力传感器探测摩擦力，从而可对非刚性基片给出精确的表面接触检测。在检测到接触之后，测试工具撤回以确保剪切测试是在基片上没有工具拖动时进行的。

Description

测试装置

技术领域

本发明涉及一种用于半导体器件及其电导体之间焊接牢固性的测试装置。

背景技术

半导体器件很小，通常从0.2平方毫米到15平方毫米。用于电导体焊接的各个点通常设在传感导体基片上；这些点通常约0.05mm宽，间隔0.05至0.7mm。各焊接部由粘附在基片上的焊球或金球组成。很细的导线，直径通常约0.025mm，可焊接在相应的点上，且将这些点连接到相关的电路和部件上。或者诸点可直接焊接在上覆的部件上。必须测试诸点处焊接的牢固性以确认焊接方法恰当以及焊接强度足够。因为零件尺寸很小、测试设备必须设置的精确度很高、以及所要测试的力和偏移量很小，产生了难题。

一种已知的测试装置具有用来与相应点的焊接部相接触的探针。约束住半导体器件并用探针将焊接部向一旁推来确定焊接的剪切强度。设备中包括力传感器来测量剪切焊接部所需要的横向力。

为了确保可重复性，探针在半导体表面上方预定高度与焊接部的侧面接触是很重要的。这个距离很小但很关键，因为焊接部通常是半球形的。离表面的预定间距既消除了探针在半导体基片上的滑动摩擦，又确保了剪切负荷相对于焊接界面施加在准确的位置。因而，在实践中，探针移动到与半导体表面接触；然后缩回预定量，通常小于或等于0.005mm；最后再侧向移动到与焊接点相接触。

有几个难题。设备本身机构内的摩擦和静态阻力可引起检测与半导体表面接触的困难；不精确的表面传感将不可避免地影响探针缩回的距离，且因此影响对焊接部测试的高度。涉及的距离是非常非常小的，因此需要非常小心地检测与表面接触的准确瞬间而不致挤压半导体基片。还必须小心防止探针在测试高度以及在剪切测试力施加之前不受控制地移动；这种移动可再次严重地影响测试结果，且探针的显著移动可损坏临近的焊接部及导线。

当检测半导体基片时的低接触力，以及测试高度的精确控制这两个目标很难解决。

US6,078,387揭示了一种检测设备，用于检测传感测试头和基片的接触适于立即停止测试头向下驱动。该设备确保了在基片上相对轻地触地，并最小化由于检测到与基片接触和停止向下驱动之间的延迟而产生的向下接触负荷。

在使用时测试头缩回预定量以具有在基片上方的间隙。这允许测试头侧向移动以对焊接部施加剪切力而不在基片上拖动该工具。

最近提出了分层基片，且其中一层突出侧面形成悬臂。焊接点通常设在悬臂部分上，但现有的接触检测传感方法不能防止基片很小程度的弯曲。相应地，很难确保当测试头缩回时，与基片仍然保持间隙。

由于基片的局部硬度是未知的或难以计算，例如在基片的边角区域，以及因此所需要缩回的程度未知，难题加剧了。

所需要的缩回程度类似于偏移程度，且相应地所有情况下的安全缩回将引起剪切测试高度不可接受的变化。

不希望计算悬臂基片所需的缩回量，不仅因为基片数量变化非常大，而且基片材料通常也是可变的。

需要一种适于检测在非刚性基片上接触的装置和方法，且还适于能够从基片缩回到一预定的间隙，尽管基片表面随着接触力的减小而移动。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供有一种剪切测试设备，具有适于基本上竖直地朝向或远离基片驱动的测试头，且包括用于检测测试头和基片间接触的传感装置，测试头还适于在基片上方横向驱动以对基片上的突起部施加剪切负荷，并包括用于检测施加在突起部上的剪切力的测量装置，其中所述测量装置还适于探测基片上测试头的拖动负荷。

较佳地，检测装置包括位移探测器，其在优选实施例中为适于停止所述测试头的移动的光电传感器。光学探测确保了基片表面的无摩擦检测。

在优选实施例中，设备还包括一驱动器以横向地在基片上往复移动所述测试头，由此允许探测拖动负荷。

根据本发明的另一方面，提供了一种基片突起部的剪切测试方法，包括以下步骤：

a)将测试工具前进到基片，

b)在接触到基片时停止测试工具的前进，

c)将测试工具撤回一预定距离，

d)相对于基片横向往复移动测试工具，并探测任何拖动力，

e)如果探测到拖动力，再将测试工具撤回所述预定距离的一部分，并重复步骤d)直到探测不到拖动力，以及

f)抵靠基片的突起部而侧向移动测试工具，从而进行剪切测试。

该方法还包括附加步骤：

e1)如果探测不到拖动力，将测试工具前进所述预定距离的一部分，并重复步骤d)直到探测到拖动力，以及

e2)在进行所述剪切测试之前将测试工具撤回所述预定距离的一部分。

‘磨擦’作用允许基片表面的高度精确检测，即使表面有些柔性。最重要地，由现有的侧向力传感器而不是竖直力传感器检测表面接触。往复运动应该理想地将测试工具返回至接触位置，或者基本上到接触位置。

该方法可选地包括在检测到拖动后撤回所述测试工具一设定距离的步骤，因此确保显著但精确的预设剪切测试高度。

附图说明

从以下参照附图对较佳实施例以示例性方式描述，本发明的其它特征将是显而易见的，其中：

图1是用于接触检测的现有设备的侧视图。

图2是图1中沿线X-X的剖视图，示出了非作用的状态。

图3对应于图2且示出了作用状态。

图4-6以放大尺寸示出了器件移动中的阶段。

图7示出了悬臂基片。

具体实施方式

参照图1-3，传感器匣10包括底板11，上面由螺钉13牢固地连接着固定块12。固定块具有上部和下部悬臂14a、14b，在它们的自由端连接着移动块15。悬臂14a、14b允许移动块15上下运动，并一起确定移动块15的静止位置。

臂14a、14b自由端的内侧支撑着支承板16，其本身抵靠底板11设置。在静止位置，臂14a、14b设置成朝向底板11施加偏置力，所述力刚好足以加紧支承板16并因此防止移动块15在上下方向摆动。偏置力确保了当底板本身移动时移动块不相对于底板11移动。

底板11包括空气支承件20，其中包括供气导管21，所述供气导管在支承板16的下侧具有通向腔19的出口22。向导管21供应受压空气引起支承板16从底板11移开，逆着臂14a、14b的偏置力，并因此允许移动块在上下方向的无摩擦运动。

偏置力和克服它所需要的气压程度是详细设计的问题，且可由技术人员根据测试要求确定。同样，臂14a、14b在支承板16上的接触区域、支承板在底板11上的接触区域、空气进口设置和其它可变因素可根据具体情况确定。通常来说，偏置力应当刚好足以在进行测试时限制移动块15的运动，且气压应当刚好足以使移动块15自由移动。

行进传感器支架30用螺钉31固定在底板11上。支架30具有光电发射器32和接收器33，在它们之间延伸着柱头螺栓34，其螺纹连接在上部悬臂14a的突起35内。如图1所示，可将柱头螺栓34拧入与支架30接触，并由此阻止移动块15相对底板11向上。当空气支承件作用时，这种设置允许由臂14a、14b支承且由柱头螺栓34支承的移动块15的实际质量的均衡调节。这确保了探针尖最轻的接触会引起探针的轻微上相移动，并由此改变柱头螺栓34使发射器32和接收器之间的光路模糊的程度。通常探针尖最初的接触力在0-50g范围内，例如15g，但可根据柱头螺栓34的突起部调节。

负荷分担配设计减轻了移动块15的实际质量可足以使半导体41的表面40凹陷或弯曲的问题或将探针移到与表面40接触的装置可能会使探针在向下驱动停止前插入表面的问题。对于接触被检测到，以及对于Z轴线停止驱动，不可避免地存在短暂却有限的时间。本设计使得接触点的检测具有相当的精度，因为移动块15的运动是无摩擦的且光电传感器32、33可探测传输的光度的微小变化。Z轴线停止驱动所用时间可与一精确的距离相联系，且因而可方便地在该距离内形成一间隙量，通过该间隙量将探针在测试前缩回。

底板的突起部61宽松地位于测试头的孔62内并用于限制臂14a、14b到弹性范围的移动。

设备的使用步骤如图4-6所示，图中其示出了探针尖50、半导体基片51、电接触件52、电导线53和焊接部54。

焊接部54的精确形状可根据生产技术变化，从而如图4-7所示的焊接部仅用于说明目的。为了更清楚的示出特征，有些尺寸是夸大的。

在使用时施加气压且移动块由臂14a、14b的弹性偏移支撑。在这个阶段，可调节由柱头螺栓34承受的负荷比例以给出所需要的接触负荷。没有必要在最初设置后再调节柱头螺栓，除非测试情况变化。然后驱动底板11朝向基片51，直到探针尖50接近测试点；移动块15的实际质量不是很大，不会在底板迅速移动时产生振动。

就在基片上方，减慢底板的移动速度直到由光传感器32，33检测到发生接触为止(图4)。在空气支撑件上形成的缺口70在图3中被夸大；实际上会选择气压以确保臂14a。14b刚好从底板11分离。

一旦检测到发生接触，底板的行程停止。向支撑件的空气供应也停止，结果横梁细微地移动以与底板接触(图2)。在这个阶段，移动块15相对底板通过由横梁14a、14b产生的内在侧向弹力牢牢保持。横梁14a、14b内轻微的残余负荷也可由该内在弹力保持。由于空气供应的停止产生的移动仅沿近在压扁空气缺口的方向进行，且探针尖保持与基片表面的轻轻接触。

然后底板撤回预定量(图5)并且抵靠着焊接部侧向移动(图6)以开始剪切测试。

实际上底板的驱动是自动的以确保测试条件的可重复性。将探针定位在所测焊接部附近通常是使用放大技术人工进行的，或者如果已知数据和焊接点间距通过预编程进行。

可提供几个不同的测试头，每个根据施加负荷的范围设计。通常可提供适于施加25g，250g，5kg和100kg标称负荷的测试头。

该装置没有内部移动部件，因而消除了不可预知的摩擦和静态阻力。

如图7所示，如果基片是可变形的就产生了问题。图4-6假设基片51在牢固的支撑表面55上。但如果基片51从另一设备56悬伸，当探针尖接触时将会沿箭头57方向不可避免地弯曲。因而，在基片通过其内在弹性恢复到其原始位置时探针尖50的竖直缩回不足以确保间隙。在这种情况下，探针尖在剪切测试之前会更接近基片51，或者将与其轻轻拖动接触，尽管探针尖上的竖直负荷几乎是零。在前一种情况下，由于测试高度不同，测试结果是不可比较的，在后一种情况下，拖动力将掩盖记录的剪切负荷。

根据本发明，通过探针尖的侧向移动检测到的任何力可假设成由在基片上的拖动产生。在这种情况下，探针尖上提适当小的量，通常0.5μm，重新开始侧向移动。如果检测到力，探针尖再次上提，且这样直到侧向移动是没有力时为止，在这时才进行剪切测试。探针尖约10μm的侧向移动足以显示拖动。

该操作方法使得现有的测试装置适用于更加柔性的基片，同时避免了对竖直方向的力进行高灵敏测试的需要。保持了无摩擦的光学的接触检测。

为了提高测试高度的精确性，可进行磨擦测试。这种测试在有支撑的和没有支撑的基片情况下，或者当基片材料是柔性的或易于弯曲时是有用的。

在该实施例中探针尖前进至与基片接触，如前述参考图4那样检测表面接触。然后工具尖缩回标准量，并侧向移动以观察是否检测到侧向力。然后采取重复步骤以确保探测到的力在探针尖和基片轻轻紧密接触的预定指示范围内。如果没有探测到力，探针前进，如果探测到力，探针头撤回通常很小的5μm范围内的距离。这种安排给出了相对于基片表面探针尖位置的高度精确指示，且与基片弹性无关。因而探针尖在剪切测试之前的上提给出了高度精确的测试高度，且提高了测试的可重复性。

Claims (8)

1.一种剪切测试设备(10)，该设备具有适于基本竖直地朝向或远离基片驱动的测试头(15)，且包括用于检测测试头(15)和基片间接触的传感装置(30)，测试头(15)还适于在基片上方横向驱动以对基片上的突起部施加剪切负荷，并包括用于检测施加在突起部上的剪切力的测量装置，其中所述测量装置还适于探测基片上测试头的拖动负荷。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感装置(30)包括位移探测器。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述探测器为光电传感器(32，33)。

4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于，该设备还包括适于在所述测量装置探测到预定的拖动负荷时停止其横向移动的装置。

5.如权利要求1-4任一项所述的设备，其特征在于，该设备还包括一驱动器以横向地往复移动所述测试头。

6.一种基片突起部的剪切测试方法，包括以下步骤：

a)将测试工具前进到基片，

b)在接触到所述基片时停止所述测试工具的前进，

c)将所述测试工具撤回一预定距离，

d)相对于所述基片横向往复移动所述测试工具，并探测任何拖动力，

e)如果探测到拖动力，再将所述测试工具撤回所述预定距离的一部分，并重复步骤d)直到探测不到拖动力，以及

f)抵靠基片的突起部而侧向移动所述测试工具，从而进行剪切测试。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，它还包括以下附加步骤：

e1)如果探测不到拖动力，将所述测试工具前进所述预定距离的一部分，并重复步骤d)直到探测到拖动力，以及

e2)在进行所述剪切测试之前将所述测试工具撤回所述预定距离的一部分。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，它包括以下替代步骤：在首次检测到拖动后撤回所述测试工具一设定距离，并立即进行所述剪切测试。

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