CN202033250U - 剪切力测试装置 - Google Patents

Abstract

一种剪切力测试装置，包括一个基板，在所述基板上设有水平对称结构弹性体，所述水平对称结构弹性体具有可朝向或远离所述基板移动的自由端，测试头连接在所述自由端上，所述水平对称结构弹性体包括左右两个弹性体，每个所述弹性体分别有上自由端和下自由端，所述上自由端和下自由端间隔一定距离固定连接，所述弹性体的固定端与所述基板固定连接。本实用新型具有在剪切力测试过程中，接触定位位置不会发生水平方向的偏移，保证在细线间距或极细线间距半导体剪切力测试中极端精密定位的要求，具有测试可靠性和精准性高的优点。

Description

剪切力测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于细线间距和超细线间距半导体器件及其导线或导体焊接牢固性剪切力测试装置。

背景技术

随着半导体科技的不断发展，越来越多的功能被集成到尺寸很小的晶元基板上，晶元基板上的布线越来越密集。目前，65nm线宽器件已经开发成功，而45nm线宽技术终将实现量产。细线间距(Fine Pitch)或超细线间距(Ultra Fine Pitch)引线键合技术逐步推广应用，使得焊接于晶元上的导线或导体间的间距越来越小，达到了60-40um。未来的几年甚至可能达到35-30um的极细线间距。同样大小的芯片，具有了更为强大的功能。

而焊接在晶元上的导线直径通常为25.4um/20um或更细的直径如18um.焊接金球的直径则相应为32um-50um。这些连接导线和金球必须牢固可靠地焊接在晶元基板上的焊盘上。因为被测试焊接目标物很小，测试装置必须能精准地对准要测试的焊接金球，并在对准后测试结束前不产生对位偏移，以保证测试结果的准确性。

已知的测试装置都是具有水平摆放或竖直摆放的测力传感器和用来与被测试焊接目标物附着平面进行接触定位和进行剪切力测试的工具推刀的基本结构。通过工具推刀与被测试焊接目标物附着平面进行接触，从而感知被测试焊接目标物附着平面在Z轴向的位置，以此位置为基准，确定被测试焊接目标物的底部，并相对该被测试焊接目标物的底部位置上升一个预定的高度h，如3um，再进行剪切力测试相对运动。从而得到具有可重复性的焊接强度测试值。

据公开的专利US6078387，揭示了一种实现感知接触的机构：这种机构的主体是由具有水平双臂悬臂梁结构，该双臂悬臂梁的一端固定在固定块上，另一端(自由端)连接着移动块和探针(即本文所说的工具推刀)。在空气轴承的作用下，该双臂悬臂梁的自由端可以上下自由移动。再利用光电传感器感知固定在该双臂悬臂梁的自由端的移动块上的探针在接触到被测试焊接目标物附着平面而产生的位移。然后，关闭压缩空气的供给，停止空气轴承的作用，利用该双臂悬臂梁的弹性把移动块固定在固定块上，实现定位的目的。

根据物理常识和几何学知识，悬臂梁自由端相对固定端发生上下位移形变时，自由端不可避免地会同时发生水平方向上的位移。也就是说，采用悬臂梁结构实现接触感知的方法实际上存在接触前和接触后定位位置水平偏移的问题。如图4所示的偏移量P1。

假设悬臂梁的长度为L；为了接触，自由端在接触目标平面后，旋转一个角度a1；悬臂梁自由端端点从D1移动到D2。悬臂梁自由端不可避免地发生了一个位置偏移P1。由三角关系，很容易得出位置偏移P1与旋转角度a1和两次位移连线与垂直线的夹角a2及悬臂梁长度L的对应关系如下：

B＝2×L×Sin(a1/2)

P1＝B×Sina2＝2×L×Sin(a1/2)×Sin(a2)

在此，我们不讨论具体悬臂梁结构带来的具体偏移量的问题，但可以肯定的判断：由悬臂梁结构构成的接触定位方式会导致接触定位位置偏移，而这种接触定位位置水平偏移P1(图4)，有可能导致工具推刀与被测试焊接目标物发生错位。且不同大小接触力度会造成接触定位位置水平偏移量P1的非线性变化，不利于控制不同大小接触力度。

图5从剪切力测试相对运动方向形象地展示了细线间距或极细线间距半导体产品金球焊接剪切力测试中，工具推刀和焊接金球的相对应尺寸关系和测试时相对位置关系。如图5，在密集排列的焊接金球阵列中，因为排列的焊接金球很密集，焊接金球之间的间距很小，工具推刀在进行剪切力测试前对准的位置不能发生沿着定位位置水平偏移P1(图5)方向上的位置偏移。这种定位位置偏移，有可能导致工具推刀和被测试焊接金球发生错位的剪切，即焊接金球可能没有被完整地剪切和部分地剪切到了两个焊接金球，从而招致失败的测试结果。这种定位位置水平偏移的问题在细线间距或超细线间距半导体剪切力测试时，是应该尽量避免的。

当然，在使用悬臂梁结构的情况下，可以想办法把旋转角度控制在很小的范围，以减小定位位置水平偏移量P1。但并不能避免用这种方式进行感知接触时定位位置偏移的产生。且当需要较大的接触力来确认接触时，势必需要较大的旋转角度a1，而这样一来，定位位置偏移P1就会相应大幅度加大。

为了解决上述问题，中国专利文献CN201382828公开了一种剪切力测试装置，包括一个可上下移动的基板，在所述基板上设有弹性体，所述弹性体具有一个可朝向或远离所述基板移动的自由端，测试头连接在所述自由端上，所述弹性体是一个水平对称结构弹性体，所述自由端位于所述水平对称结构弹性体的对称线上，在所述测试头上方设有一个用于固定所述测试头的压紧机构；所述自由端和基板之间设有便于自由端和连接于其上的测试头一起上下移动的间隙，当所述测试头定位准确后，在所述压紧机构的作用下，所述自由端紧靠在所述基板上，固定所述测试头。这种剪切力测试装置，较好地解决了在剪切力测试过程中，接触定位位置时会发生水平方向的偏移的问题，但是，这种装置还存在前后微小幌动的问题，因此，面对目前在细线间距或极细线间距半导体剪切力测试中更高极端精密定位的要求，该技术还有需要进一步改进的必要。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述缺陷，向社会提供一种不仅可完全消除定位位置水平偏移的问题，而且还可以保证测试具有更高的可靠性和精确性的剪切力测试装置。

本实用新型的技术方案是：设计一种剪切力测试装置，包括一个基板，在所述基板上设有水平对称结构弹性体，所述水平对称结构弹性体具有可朝向或远离所述基板移动的自由端，测试头连接在所述自由端上，所述水平对称结构弹性体包括左右两个弹性体，每个所述弹性体分别有上自由端和下自由端，所述上自由端和下自由端间隔一定距离固定连接，所述弹性体的固定端与所述基板固定连接。

作为对本实用新型的改进，在所述自由端和基板之间设有用于在所述测试头感知微小的接触力的过程中，使自由端和连接于其上的测试头保持远离基板一定间隙的微动机构。

作为对本实用新型的进一步改进，所述微动机构包括滑块和空气轴承，所述滑块与所述自由端活动连接，并平整地压在所述基板上，在所述滑块后侧设有空气轴承，空气轴承的出气口对着所述滑块的后侧面。当压缩空气导入时，空气轴承启动作用，将所述滑块与所述自由端和连接于其上的所述测试头推开并保持与所述基板一定间隙。当接触定位位置准确地找到后，撤除压缩空气，空气轴承停止作用，所述滑块与所述自由端和连接于其上的所述测试头被所述水平对称结构弹性体压回到基板上，并通过接触摩擦力固定到基板上。

作为对本实用新型的进一步改进，所述微动机构是平面滚动轴承或直线轴承。

作为对本实用新型的进一步改进，所述微动机构是在所述自由端设有磁性体，在相对于自由端的位置的基板上设有线圈，线圈通电后，所述线圈产生的磁性与所述自由端上的磁性相同，对所述自由端产生排斥作用，将所述自由端和连接于其上的所述测试头推开并保持与所述基板一定间隙。当接触定位位置准确地找到后，所述线圈通入反向电流，所述线圈产生与所述自由端上的磁体磁性相吸的磁性，所述滑块与所述自由端和连接于其上的所述测试头被所述水平对称结构弹性体和磁性力共同作用压回到基板上，以通过更大的接触摩擦力固定到基板上。

作为对本实用新型的进一步改进，在水平对称结构弹性体应变集中的地方贴有用于感应水平对称结构弹性体的形变，控制接触力大小，以适应不同软硬表面接触的敏感元件。

作为对本实用新型的进一步改进，所述敏感元件是应变计或光电传感器。

作为对本实用新型的进一步改进，所述水平对称结构弹性体是矩形、半圆形、菱形或跑道形。

作为对本实用新型的进一步改进，所述水平对称结构弹性体包括沿测试头的轴线对称设置的左右两个跑道形弹性体，每个所述跑道形弹性体分为上下两个跑道形部分，其中上跑道形的下边固定端和下跑道形的上边固定端与中间连接块连接，所述上跑道形的上边端头和下跑道形的下边端头分别是上、下自由端，所述上、下自由端通连接件固定连接。

作为对本实用新型的进一步改进，所述测试头的轴线与所述水平对称结构弹性体的对称线重合，在所述自由端上设有一个用于固定所述测试头的压紧机构；当所述测试头定位准确后，所述压紧机构将所述自由端及连接在自由端上的所述测试头固定。

本实用新型在剪切力测试过程中，由于采用了两个对称的弹性体，且弹性体的上、下自由端间隔一定距离固定连接，这样，不仅接触定位位置不会发生水平方向的偏移，而且也不会存在自由端前后幌动的问题。此外，在所述微动机构的作用下，所述自由端及连接在自由端上的所述测试头，在感知微小的接触力的过程中，基本上处于上下无摩擦，在重力作用下自然下垂的状态，保证了在细线间距或极细线间距半导体剪切力测试中极端精密定位的更高要求，更加提高了测试的可靠性和精准性。

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的立体结构示意图。

图2是图1的主视平面结构示意图。

图3是图1的侧视平面结构示意图。

具体实施方式

图中：1.水平对称结构弹性体；111.左右跑道弹性体；2.固定端；21.中间连接块；3.镙栓；4.基板；5.自由端；6.测力传感器；7.工具推刀；8.压紧机构；9.被测试焊接目标物附着平面；10.被测试焊接目标物；11.应变计；12.测试头；13.滑块；14.空气轴承；15.光电传感器；16.微动机构。

请参见图1、图2和图3，一种剪切力测试装置，包括一个可上下移动的基板4，在所述基板4上设有水平对称结构弹性体1，所述水平对称结构弹性体具有可朝向或远离所述基板4移动的自由端5，测试头12连接在所述自由端5上，所述测试头12的轴线与所述水平对称结构弹性体1的对称线重合，在所述测试头12上方设有一个用于固定所述测试头12的压紧机构8；当所述测试头13定位准确后，在所述压紧机构8的作用下，所述自由端5紧靠在所述基板4上，固定所述测试头12；在所述自由端5和基板4之间设有用于在所述测试头12感知微小的接触力的过程中，使自由端5和连接于其上的测试头12保持远离基板4一定间隙的微动机构16。本实例中，所述测试头12包括测力传感器6和工具推刀7。本实例中的微动机构16包括滑块13和空气轴承14(见图3)，所述滑块13与所述基板4活动连接，在所述滑块13与所述基板4之间设有空气轴承14，所述空气轴承14的出气口对着所述滑块13的后侧面，在不使用时，停止压缩空气的供应，所述空气轴承14的出气口完全被所述滑块13密封。使用时，当空气轴承14通入压缩空气后，滑块13和水平对称弹性体1的自由端5和与自由端5相连接的测试头12被顶起，形成与基板4间一个很小的间隙，在压缩空气持续供应下，该间隙持续保持，滑块13和测试头12进入了上下无摩擦运动状态。通过光电传感器15或应变计11，就可以感知微小的接触力。一旦检测到接触，关闭压缩空气，压紧机构8将测试头12和滑块13压回到基板4上，通过基板4和滑块13间较大的摩擦力将测试头12和滑块13固定在基板4上。从而实现了接触定位的动作。

本实用新型中，所述微动机构16也可以是平面滚动轴承或直线轴承。利用平面滚动轴承或直线轴承来代替滑块与空气轴承结构，也是可以的。

本实用新型中，所述微动机构16还可以是在所述自由端5设有磁性体，在相对于自由端5的位置的基板4上设有线圈，线圈通电后，所述线圈产生的磁性与所述自由端5上的磁性相同，对所述自由端5产生排斥作用，达到让自由端5及连接在其上的测试头12远离基板4的目的。当接触定位位置找到后，所述线圈通入反向电流，所述线圈的磁场改变方向，所述自由端5及连接在其上的测试头12被所述水平对称结构弹性体1压回到基板上，并且通过磁性吸引力进一步增强施加于自由端5并将自由端5及连接在其上的测试头12固定在基板上的压力，从而增加接触摩擦力。

图1所示实施例中，所述水平对称结构弹性体1包括沿测试头12的轴线对称设置的左右两个跑道形弹性体111，每个所述跑道形弹性体111分为上下两个跑道形部分，其中上跑道形的下边固定端和下跑道形的上边固定端与中间连接块21连接，所述上跑道形的上边端头和下跑道形的下边端头是自由端5，所述自由端5与测试头12固定连接。

在水平对称结构弹性体1应变集中的地方贴有用于感应水平对称结构弹性体1的形变，控制接触力大小，以适应不同软硬表面接触的敏感元件11。本实施例中的敏感元件11是应变计或光电传感器15，也可以同时使用以达到更好的效果。

使用时，本装置具有XY轴和Z轴移动平台。水平对称结构弹性体1上部固定端2和中间连接块21一起用镙栓3固定在安装于基板4上，所述基板4安装于Z轴上，并可随Z轴上下移动。自由端5牢固地连接着测力传感器6和工具推刀7。通过微动机构16使自由端5和基板4之间保持很小的一个间隙，使得自由端5和连接于其上的测力传感器6和工具推刀7一起可自由上下移动，并在水平对称结构弹性体1的弹性力和测力传感器6及工具推刀7的重量作用下自然下垂，达到平衡。水平对称结构弹性体1的应变集中的位置贴有感知弹性变形的敏感元件如应变计11。基板4在Z轴的带动下，朝向被测试焊接目标物附着平面运动，当工具推刀7接触到被测试焊接目标物附着平面9时，水平对称结构弹性体1产生对称形变，形变量随接触力度大小不同而不同。由于水平对称结构弹性体1所发生的形变是水平对称的，所以在弹性体1的弹性形变范围内，弹性体1不会产生左右或前后的错位偏移，即不会产生定位位置水平偏移量P1。贴在水平对称结构弹性体1应变集中位置的应变计11在水平对称结构弹性体1的不同大小形变作用下，发送不同大小的电信号给信号采集系统。系统根据软件设定参数，在不同大小电信号指示作用下，停止Z轴的运动，消除微动机构16对自由端5的推力，并同时驱动压紧机构8将水平对称结构弹性体1的自由端5用机械力的方式压紧，完成感知接触，并实现定位。因为水平对称结构弹性体1产生的形变是两边对称的，所以工具推刀7从接触的开始到感知接触结束的过程中，所发生的垂直方向上的位移一直保持在同一垂直直线上，不会带来水平方向上的位移。也就是说，彻底消除了接触定位位置偏移的问题，从而严格地保证了精密定位的需要。并且，对应变计11发送的电信号进行处理即可方便地实现软件调整不同大小的接触力度，并且接触力度大小的调整不造成定位位置偏移。当完成接触定位后，系统控制基板4上升一个预定的高度如几个um后，XY轴带动被测试焊接目标物10和被测试焊接目标物附着平面9产生朝向工具推刀7的运动，进行剪切力测试。信号采集系统开始采集测力传感器6在整个测试过程的信号变化。当完成剪切测试运动后，基板4在Z轴的带动下，上升一个安全的高度。

所述水平对称结构弹性体1可以设计成多种形状。以得到不同弹性系数的水平对称结构弹性体。水平对称结构弹性体可以是矩形、圆形、菱形和跑道形等等。但关键是其必须设计成相对于其弹性体中心轴线呈对称的形状，当沿其弹性体中心轴线发生弹性形变时因其对称的结构，弹性体的对称的两边可以相互抵消垂直于其弹性中心轴线的位移趋势，从而保持弹性形变位移一直在其弹性中心轴线上。

压紧机构8可以是多种结构方式如电磁体压紧、气缸压紧等，在这不作详细说明。XYZ移动平台、伺服控制系统、数据采集系统和软件在这里不作详细说明。

以上所述之实例，只是本实用新型的较佳实例而已，并非来限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型申请专利范围所述的特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型申请专利范围内。

Claims (10)

1.一种剪切力测试装置，包括一个基板，在所述基板上设有水平对称结构弹性体，所述水平对称结构弹性体具有可朝向或远离所述基板移动的自由端，测试头连接在所述自由端上，其特征在于：所述水平对称结构弹性体包括左右两个弹性体，每个所述弹性体分别有上自由端和下自由端，所述上自由端和下自由端间隔一定距离固定连接，所述弹性体的固定端与所述基板固定连接。

2.如权利要求1所述的剪切力测试装置，其特征在于：在所述自由端和基板之间设有用于在所述测试头感知微小的接触力的过程中，使自由端和连接于其上的测试头保持远离基板一定间隙的微动机构。

3.如权利要求2所述的剪切力测试装置，其特征在于：所述微动机构包括滑块和空气轴承，所述滑块与所述自由端活动连接，并平整地压在所述基板上，在所述滑块后侧设有空气轴承，空气轴承的出气口对着所述滑块的后侧面。

4.如权利要求2所述的剪切力测试装置，其特征在于：所述微动机构是平面滚动轴承或直线轴承。

5.如权利要求2所述的剪切力测试装置，其特征在于：所述微动机构是在所述自由端设有磁性体，在相对于自由端的位置的基板上设有线圈，线圈通电后，所述线圈产生的磁性与所述自由端上的磁性相同，对所述自由端产生排斥作用。

6.如权利要求1至5中任何一项权利要求所述的剪切力测试装置，其特征在于：在水平对称结构弹性体应变集中的地方贴有用于感应水平对称结构弹性体的形变，控制接触力大小，以适应不同软硬表面接触的敏感元件。

7.如权利要求6所述的剪切力测试装置，其特征在于：所述敏感元件是应变计或光电传感器。

8.如权利要求7所述的剪切力测试装置，其特征在于：所述水平对称结构弹性体是矩形、半圆形、菱形或跑道形。

9.如权利要求1所述的剪切力测试装置，其特征在于：所述水平对称结构弹性体包括沿测试头的轴线对称设置的左右两个跑道形弹性体，每个所述跑道形弹性体分为上下两个跑道形部分，其中上跑道形的下边固定端和下跑道形的上边固定端与中间连接块连接，所述上跑道形的上边端头和下跑道形的下边端头分别是上、下自由端，所述上、下自由端通连接件固定连接。

10.如权利要求1所述的剪切力测试装置，其特征在于：所述测试头的轴线与所述水平对称结构弹性体的对称线重合，在所述自由端上设有一个用于固定所述测试头的压紧机构；当所述测试头定位准确后，所述压紧机构将所述自由端及连接在自由端上的所述测试头固定。

Images