专利名称：剪切测试设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测试半导体器件中结合(bond)的剪切强度的设备，并且更具体的，涉及测试衬底和与它电连接的装置间的结合(典型的，焊料或金的部分球状的淀积)的强度的设备。
背景技术：
半导体器件非常小，典型的，从0.2平方毫米到25平方毫米。这些器件具有用于将电导体结合于其的部位。所述部位典型地包括金或焊剂的部分球状淀积，统称为焊球(ball)，在使用中其具有扁球或低圆顶的外形以及在50-1000μm范围的直径。这些淀积在例如印刷电路板和芯片之间形成电通路，并且可以直接连接元件，或者可以被结合到其自身连接到另一元件的导体。可以在衬底上提供许多这样的焊球作为规则的格栅状阵列。
典型地，将离散的焊球应用到衬底，并在随后到另一元件的连接中使其回流。
对金或焊料淀积与衬底之间的结合的机械强度进行测试是必要的，以证明结合方法是适当的并且结合强度是足够的。由于这些元件非常小的尺寸、必须使测试设备定位的精确度、以及要测量的非常小的力和挠曲(deflection)，而产生了许多困难。
已经提出通过将一刀具应用到其一侧来测试这种淀积的剪切强度。为避免由于该刀具在衬底的表面上刮擦而导致的摩擦，必须调节该刀具正好在衬底表面上。必须精密地控制刀具在衬底上的高度，典型地，在±0.001mm内，以给出准确的力的测量。
已知的剪切测试装置包括具有支撑表面以及以受控的方式相对于该支撑表面移动的测试头的机械。该测试头携载有专用于要进行的测试的夹具(cartridge)，且其上具有数种可互换的刀具中的一种。典型地，该刀具其尺寸和/或形状适合要测试的焊球淀积。在使用中，将要测试的衬底附着到支撑表面，并相对于焊球淀积驱动该刀具，以进行所需测试，这可以是例如剪切测试或往复疲劳测试。
应当理解，典型的刀具是很小的，并且因此夹具具有上面安装一个或多个测力计(例如应变计)的柔性元件。因而，通过夹具中的挠曲在一定距离上测量刀具与焊球淀积间的剪切力。
在其中刀具在与焊球淀积接触之前高速移动的冲击测试的情况下，不易检测剪切力。这是因为应变计量元件离刀具在某种程度上有些远，并且夹具的惯量掩蔽了要测量的力。典型地，该测试的速度足够高，以致在应变计有时间响应刀具上的力之前测试就结束了。
发明内容
根据本发明第一方面，提供一种用于将剪切负荷应用到衬底上的金或焊料的焊球淀积的测试装置，该装置包括支撑元件、在该支撑元件上的压电晶体，该支撑元件适于经所述晶体将剪切负荷应用到焊球淀积，因此将该晶体置于应变下，并使得从其发出电信号。
优选的，该装置进一步包括用于该晶体的屏蔽，使得剪切负荷经该屏蔽应用到该焊球淀积。
该屏蔽可包括直接应用到该晶体的保护表面，或者可以是安装在该支撑元件上并且适于挤靠(bear against)该晶体的刀具元件。可以布置这种刀具元件以预加载(pre-load)该晶体以便改善其稳定性。
例如通过具有适于与该焊球淀积的圆周的一部分啮合的部分球状凹陷，该屏蔽可以适合所要测试的焊球淀积的形状。
在优选实施例中，支撑元件与晶体间的界面和/或晶体与屏蔽间的界面包括力分布层，其适于给出基本均匀的平面接触。这种层例如可以包括环氧树脂，其散布同时流动在各界面表面上，并且在该装置组装之后固化，以确保产生平面接触。以这样的方式可以避免点和线负荷。
该层仅需非常薄，并且仅足以容纳可能出现的任何不对准。环氧树脂的一个特别的优点在于，相邻的部件还粘着地彼此保持，使得该装置变得一体化。
该层还可以提供对该晶体的电绝缘，或者，根据电学路径，可以是导电的。
根据本发明的第二方面，提供了一种设备，其用于校准适于将剪切负荷应用到衬底上的金或焊料的焊球淀积的装置，该设备包括具有平坦表面以及与所述表面成直角的通孔的平板元件，所述孔大小适于接收金或焊料的线，由此将该线分度(indexing)突出于所述表面，并且所述设备适于向其应用剪切负荷。
金或焊料的线能够非常紧密地与各焊球淀积相关，并且因此给出一个剪切刀具装置相对于另一个的精确校准。该设备可以包括用于根据需要将线分度通过所述孔，和用于确定每一分度线在所述表面上的突起的装置。用于分度的装置可以马达驱动。
根据第二方面，还提供一种用于校准金或焊料的焊球淀积的剪切刀具的方法，该方法包括步骤提供具有与其成直角的通孔的平坦表面；
在所述孔中提供金或焊料的线；分度所述线，以突出在所述表面上；以及利用所述刀具对所述线的突出部分进行剪切测试。
线是一致的材料，并且很好地适于重复测试，因为检测的剪切力可精密重复。因此，可以将使用不同剪切刀具的连续剪切测试相关联，并且可以对照一致的标准校准各刀具的剪切传感器。
线的机械特性通常是公知的，并因此利用该方法检测的剪切力可以涉及绝对和相对值。
从下面通过在附图中以示例的方式示出的数个优选实施例的说明中，本发明其他特征将是显而易见的，在附图中图1示意地示出现有的测试设备；图2示意地以放大的比例示出根据本发明的测试设备；图3以侧视图示出典型的剪切测试；图4是图3的在线4-4上的视图；图5是以侧视图的替代刀具，其具有以纵向剖面示出的刀具元件；图6-8以侧视图示出多个替代刀具；图9以正视图示出刀具；以及图10是在线‘9’-‘9’上图9的刀具的横向剖面。
具体实施例方式
参考附图，图1示出现有的测试装置，其包括支撑表面11以及相对于其可水平(XY)和垂直(Z)移动的测试头12。该测试头包括夹具，刀具安装件15通过平行臂16附着于其上。测试刀具17设置在刀具安装件15上。
在使用中，刀具以箭头14的方向向安装于表面11上的焊球淀积侧向移动，以进行剪切测试，并且通过响应臂16的挠曲的应变计确定力。测试刀具17的尖通常非常小，并且具有焊球淀积的直径的量级，即，在50-1000μm的范围内。
图2示出了本发明的第一实施例，并且示出了刀具20，其包括支撑元件21，其上端22适于直接连接到现有技术的测试头12或以任何适合的方式连接到其夹具。后一装置确保用于现存测试装置的部件的可互换性。
下端23逐渐变尖，并具有附着与其的压电晶体24。晶体的外表面具有屏蔽25。该晶体被示为方形，当然其他的形状也是可能的，例如圆柱形。
该晶体具有通常与要测试的焊球淀积相同量级的宽度，例如，100μm。图中未示出该晶体的通常的电连接，通过其可以检测该晶体的变化应力，并且通过校准，计算实际负荷。
该屏蔽可以是任何合适材料的覆盖物，其适于保护晶体免受机械损伤，但仍允许负载向其完全传递。例如，所述屏蔽可以包括结合到该晶体的薄金属板。
图3示出了使用中并要在箭头26的方向向安装在衬底28上的焊球淀积27应用剪切负荷的图2的设备。
图4的剖面图示出该屏蔽和晶体是如何适合焊球淀积27的弯曲外形的。
图5中示出第二实施例，并且第二实施例包括支撑元件21，砧31从其悬挂在销32或任何适当类型的夹子上。该刀具是板状，并可以直接将压缩负载应用到晶体24。在优选实施例中，该刀具通过其内部弹力相对该晶体偏置，例如，通过减小与上端22接触的部分的厚度。
以剖面形式示出了替换的砧33，其具有部分球形的凹陷34以紧密地啮合焊球淀积。
图6示出了替换实施例，其中，刀具40的下表面具有向上前角(rake)49，使得在剪切测试之前可以准确地确定在衬底48之上的引导沿46的高度。该前角可以是确保引导沿后空隙同时维持刀具的机械完整性的任何适合的角度(典型的，在15-30°的范围)。
图7对应于图5，并且示出了类似的负前角59。图8示出了替换的砧61，其向下突出，如图所示，使得不需要对该刀具其余部分的负前角。
图8和图9示出了典型的刀具70的组件的示例性布置。
刀具主体71，例如黄铜质的，具有安装在其上的压电晶体74。如所示的，该晶体部分地凹陷，并且其侧壁由例如尼龙的丝81电绝缘。
刀具71通过埋头螺钉安装于主体71的前表面；埋头孔保证刀具的正确定位，并且通过被引导在主体71的槽83中的栓82来避免旋转。
晶体74的一面(后侧)形成与主体71的电接触，而前面具有被焊接于其并通过主体的内部连接到突出的接触85的引线84。合适的灌封材料(potting material)86将接触针脚85与主体71绝缘。
压电晶体是商业可获得的产品，具有大致4mm×2mm的尺寸和0.3mm厚度。晶体的材料典型是韧性、坚硬的非导电陶瓷材料，比如氧化锆。
砧71具有向下的突起87用于与测试淀积接触。
在所有的实施例中，晶体和主体间以及砧和晶体间的界面，可以包括例如环氧树脂的负载分布层。将该树脂散布同时流动，并固化以提供确实平坦的负载路径。从而避免在制造或组装中的些微缺陷，并且因此消除负载的点和线转移(transfer)。在固化时，环氧树脂具有在一体组装中保持部件的优点。
在使用中，利用已知技术，将刀具安装在测试头，向衬底降低，并且撤出规定的距离。然后向要测试的淀积驱动刀具，并将剪切负载从砧71直接发送到压电晶体74，其中应变变形导致表示负载的电信号，其被传送到合适的记录和分析设备，这不需要在此进一步说明。
利用诸如应变计和压电晶体等元件感测力的刀具的一个问题是，要校准刀具。通常不能够确定绝对值(如，以克计的断裂负载)，并且用户必须依赖允许结果比较的相对值。后一种技术在仅使用一个测试刀具的情况下是可以接受的，但是在测试刀具需要替换时会变得有问题，或者必须比较数个类似刀具的结果。
图11示出了一种技术，借此可以比较类似剪切刀具的负载/输出，并提供还校准刀具的可能性，以给出断裂负载的绝对读数。
衬底91具有以直角延伸通过其的孔92，并且通过其突出线93。在箭头95的方向驱动的测试刀具94将剪切该线，并且如果适当地调节能够测量相对断裂负载。例如，该刀具可以依赖于本文件中描述的电子应变计或压电晶体设备。
可以通过将进一步长度的线分度通过孔来重复测试。要理解，孔上方的线的长度可以不是关键的，并且在每一测试测试刀具沿相同的轴冲击该线；这些特征使得测试非常易于实现。
线是非常一致的材料，此外，其易于用作要应用到用在半导体设备中的衬底的焊料或金焊球的前体。因此，能够使用要在测试刀具的商用中测试的精密材料实现校准测试。
孔92应当优选地紧密配合到线93，以确保测试刀具以直角冲击。
已经明了，根据本方法的剪切测试给出了具有极佳可重复性的结果。任何不同线突起的类似的效果可通过经验测试容易地检查，并且如果一致等量的线馈送是必要的话，也可以包括合适的分度设备。
因此，该技术允许校准类似的刀具，以及标称一致的刀具，使得从数个不同刀具得到的结果能够进行比较。该技术在可能用在许多不同制造场合中的产品测试刀具的校准的情况下具有特别的价值。
还将理解，使用已知的关于线的强度和材料的信息，能够获得绝对断裂负载的好得多的指示，使得本技术允许校准测试刀具，以给出以例如克、牛顿或任何其他合适单位的读数值。
权利要求
1.一种用于将剪切负载应用到衬底上的金或焊料的焊球淀积的测试装置，该装置包括支撑元件(21)，以及在该支撑元件(21)上的压电晶体(24)，该支撑元件(21)适于将剪切负载经所述晶体(24)应用到焊球淀积，从而将该晶体置于应力下并导致从其发出电信号。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括用于所述晶体的屏蔽(25)，剪切负载经所述屏蔽应用到焊球淀积。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述屏蔽(25)包括直接应用到所述晶体(24)的保护表面。
4.如权利要求2所述的装置，其中，所述屏蔽包括安装在支撑元件(21)上并适于挤靠所述晶体(24)的刀具元件(31)。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述刀具元件(31)被布置以在期望的剪切方向预加载所述晶体(24)。
6.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述屏蔽适合要测试的焊球淀积的形状。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述屏蔽(23)具有部分球状的凹陷(34)，其适于与焊球淀积的圆周的部分啮合。
8.如前述任一权利要求所述的装置，其中，所述支撑和所述晶体间的界面包括适于给出基本均匀的平面接触的力分布层。
9.如权利要求2-5的任一项所述的装置，其中，所述屏蔽和所述晶体间的界面包括适于给出基本均匀平面接触的力分布层。
10.如权利要求8或9所述的装置，其中，所述层包括环氧树脂，所述环氧树脂适于散布同时流通在各界面表面上，并且在组装后固化，以确保平面接触。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述层将各界面表面固定地彼此结合，以给出一体的组装。
12.如权利要求8-11任一项所述的装置，其中所述层是电绝缘体。
13.如权利要求8-11任一项所述的装置，其中所述层是导电的。
全文摘要
用于半导体衬底上的金和焊料焊球的剪切测试装置，包括支撑元件(21)，其上在直接剪切负载路径中提供压电晶体(24)。该晶体(24)可以具有屏蔽(25)。该屏蔽和晶体间以及晶体和支撑元件间的界面可以包括环氧树脂层，以分布力并将各部件保持为一体。
文档编号G01N3/42GK101014847SQ200580026930
公开日2007年8月8日 申请日期2005年8月5日 优先权日2004年8月10日
发明者罗伯特·约翰·赛科斯 申请人:达格精度工业有限公司