專利名稱：剪切測試設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測試半導(dǎo)體器件中粘接的剪切強度的設(shè)備和方 法，更特別地，用于測試襯底和電連接到襯底的裝置之間的粘接的強 度的設(shè)備和方法，其通常是部分球形的沉積物。這種沉積物可以是焊 劑、金或其它材料，且有時也稱作焊劑凸決或球柵陣列。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件非常小，通常是從0.2mn^到25mm2。這些器件具有用 于將導(dǎo)電體粘接至此的位點。位點通常包括例如金或焊劑的部分球形 的導(dǎo)電沉積物，總稱為球體，其在使用中具有受壓球體或低圓冠的外 形，且直徑為50 1000/mi的范圍。這些沉積物形成了例如印制電路板 和芯片之間的導(dǎo)電通路的一部分，并可直接連接多個部件，或可接至 本身連接至另一部件的導(dǎo)體。許多這樣的球體可作為規(guī)則的柵狀陣列 而設(shè)在襯底上。
通常將分立的球體施加至襯底上，并使之在后續(xù)的連接至另一部 件期間重熔。
需要測試金或焊劑沉積物和襯底之間的粘接的機械強度以確信粘 接方法正確且粘接強度足夠。困難是因以下而產(chǎn)生的即部件的極小 尺寸、定位測試儀器的精度、以及要測量的極小的力和偏轉(zhuǎn)。
已有提議通過將工具施加至沉積物的一側(cè)來測試其剪切強度。為 了避免因工具在襯底表面摩擦而造成的摩擦力，需要工具恰在襯底表 面的正上方。必須嚴密地將工具距襯底的高度控制在通常是土0.001mm 以內(nèi)，以給出精確的力測量值。
一種已知的剪切測試設(shè)備包括具有支撐表面和測試頭的機器，該 測試頭以可控方式相對于支撐表面可移動。測試頭攜帶有盒套，該盒 套專用于要進行的測試且在其上具有多個可互換的工具。工具通常被 定尺寸和/或定形以適合要測試的球體沉積物。在使用中，將要測試的 襯底連接至支撐表面，并且工具安裝在盒套中并相對于球體沉積物而 驅(qū)動，以進行所需測試，該測試例如可以是剪切測試或往復(fù)疲勞測試。 工具通常相對于固定的沉積物移動。
應(yīng)當(dāng)理解通常的工具非常小，因而盒套具有柔性的元件，其上 安裝有一個或更多測力計(例如應(yīng)變計)。于是，工具和球體沉積物之間 的剪切力是通過盒套的柔性的元件的偏轉(zhuǎn)在一定距離處測量的。
WO-A-2005/114722公開了這種盒套的實例。
在撞擊測試的情況下，不易檢測剪切力，該撞擊測試中工具在與 球體沉積物接觸之前高速地移動。這是因為應(yīng)變計量元件或多或少地 遠離工具，且支撐元件的慣性掩蓋了被測量的力。通常測試的速度足 夠高，以致在應(yīng)變計有時間來響應(yīng)工具處的力之前測試就結(jié)束了。
需要一種針對現(xiàn)有技術(shù)的這一缺陷的解決方案，特別是需要一種 測試設(shè)備和測試方法，其當(dāng)剪切工具高速地移動時能夠更好地檢測球 體沉積物處的剪切力。這種剪切力可以是單向或往復(fù)的負載的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種測試設(shè)備，用于將剪切負載 施加至襯底上的導(dǎo)電材料的球體沉積物，所述設(shè)備包括支撐元件和支 撐元件上的壓電晶體，所述支撐元件適于將剪切負載施加至球體沉積 物，而所述晶體被布置為處在應(yīng)力下，從而使得電信號從其發(fā)出。電 信號被處理以提供支撐元件所受到的剪切力的測量值，該支撐元件在 優(yōu)選實施例中是剪切工具。
在這種設(shè)備中，壓電晶體可布置為靠近支撐元件的接觸面，并處 在受到足以給出可檢測電信號的應(yīng)變的任何位置中。優(yōu)選地，支撐元 件可設(shè)置作為懸臂梁，該懸臂梁上支撐著壓電晶體。
與晶體的電連接可以是傳統(tǒng)的接線裝置，例如一對適宜的截面積 的柔性導(dǎo)電體。作為替代，電通路可經(jīng)由支撐元件的材料而提供，該 支撐元件上安裝了壓電晶體。使電饋入和返回相分離的絕緣性可由任 何傳統(tǒng)方式來提供例如通過柔性導(dǎo)線的外部絕緣，或通過使支撐元 件的部件相分離的介電材料，或通過它們的組合。在一種實施例中， 支撐元件提供電饋入和返回通路，而在另一實施例中，絕緣的柔性導(dǎo) 線提供饋入和返回電通路。
在一個優(yōu)選實施例中，壓電晶體施加至剪切工具或支撐元件的背 面，而其正面用于施加所述剪切負載。在支撐元件的背側(cè)上提供壓電 元件的優(yōu)點是如果將壓電元件設(shè)在支撐元件的正面上，則當(dāng)正面對 襯底的球體沉積物進行剪切時，球體沉積物會撞上壓電元件。
在這種布置中，適于接觸球體沉積物的正面在其對襯底的球體沉 積物進行剪切時，必然處在拉伸中。相對的背面則為壓電晶體提供了 便利的安裝。當(dāng)正面因?qū)η蝮w沉積物進行剪切而處在拉伸中時，背面 必然同時處在壓縮中，且安裝在背面上的壓電元件由沿背面作用的壓 縮力而壓緊。優(yōu)選地，在使用中，晶體的安裝面是平面，并緊鄰支撐 元件的適于接觸球體沉積物的部分。
壓電晶體可以是任何適宜的形狀或厚度。 一般地說，其一面最好 是平面的，優(yōu)選為平坦的，以允許安裝在支撐元件上?？蓪w進行 校準，以確定應(yīng)力和電輸出之間的關(guān)系，并可選擇其形狀以給出理想 的特性。在優(yōu)選實施例中，晶體是矩形平面組件，其具有大體相等的 橫向尺寸并且邊緣幾乎與Z軸平行，且其安裝在支撐元件的背側(cè)上，該支撐元件當(dāng)對球體沉積物進行剪切時受到壓縮力，如以上所論述。
盡管本說明書指單個壓電晶體的使用，但應(yīng)看到可提供多于一 個的晶體，以檢測除對應(yīng)于力的作用方向以外的方向上的力。例如， 偏離中心的負載可給出惻向應(yīng)變，其可用于確定要測試的粘接的性質(zhì)。 于是本發(fā)明設(shè)想一個或更多壓電晶體，其安裝在支撐元件上并布置為 處在相對于力的作用方向的不同方向上的應(yīng)力下。本發(fā)明的設(shè)備可包 括來自多個壓電晶體的輸入的電子分辨率，以便獲得關(guān)于球體沉積物 上失效力的方向的信息。
在使用中，支撐元件由工具保持件來支持，該工具保持件又反過 來安裝在具有沿X、 Y和Z軸移動能力的已知剪切力測試機中。
這種布置特別是通過允許根據(jù)球體沉積物的性質(zhì)和形狀以及可能 的要施加的剪切力來選擇支撐元件的形狀，從而提供將剪切力測試機 適于不同剪切測試的便利手段。于是更大尺寸并可能具有更好粘性的 球體沉積物可由合適尺寸的支撐元件來測試。更特別地，可對壓電晶 體的輸出范圍進行優(yōu)化，以給出在期待的剪切力范圍內(nèi)的高靈敏度。 進而，例如從包括平坦的平面接觸面、適于球體沉積物的近似直徑的 一維彎曲接觸面、以及適于球體沉積物的近似球狀的二維彎曲接觸面 在內(nèi)的范圍中，可選擇支撐元件在與球體沉積物接觸區(qū)域中的形狀， 以適應(yīng)要進行的測試。應(yīng)當(dāng)理解球體沉積物在形狀上或多或少地不 規(guī)則，從而需要接觸面的尺寸和形狀的近似。
支撐元件可以例如是大體矩形的塊，該塊具有平行的正面和后面， 正面具有球體沉積物的接觸面，而背面具有其上安裝的壓電晶體。
在一個實施例中，支撐元件是具有平坦背面的鏟形工具，所述晶 體安裝至該平坦背面。支撐元件的正面例如通過使部分球形的凹部適 于接合球體沉積物的圓周部，從而可適于要測試的球體沉積物的形狀。
支撐元件的接觸面可減小尺寸以緊密地配合要測試的球體沉積物 的直徑。特別地，支撐元件可包括安裝有壓電晶體的主體部，和減小 尺寸的凸出接觸部。
這種布置具有許多優(yōu)點。特別地，主體部可被確定尺寸以與接觸 部的尺寸無關(guān)地容納理想比例的壓電晶體。接觸部可做成足夠小，以 接合孤立但緊鄰的球體沉積物，而不需要相應(yīng)小的支撐元件和壓電晶 體。接觸部的基礎(chǔ)也可做成A早.夠小，以便處在緊鄰的球體沉積物之間 的襯底的平坦部分上，從而在剪切測試前確保離襯底的精確提升距離； 如在介紹中所示，這種提升是避免摩擦力所需的。最終，與接觸部的 比例相關(guān)的支撐元件的比例的變動允許選擇的壓電晶體區(qū)域中的應(yīng)力 范圍；于是可將優(yōu)選尺寸和形狀的壓電晶體用于大范圍的不同尺寸和 形狀的接觸部。
可將壓電晶體以任何適宜方式安裝至支撐元件，這使得應(yīng)力以穩(wěn) 定且可重復(fù)的方式傳輸至此。 一種適宜的安裝方法是由環(huán)氧樹脂等粘 合劑進行的表面粘接。
在優(yōu)選實施例中，支撐元件和晶體之間的界面包括力分配層，其 用于給出大體均勻的平面接觸。該層可例如包括環(huán)氧樹脂，其在分別 流至各界面表面時擴散，并在設(shè)備的組裝后固化，以確保出現(xiàn)平面接 觸。
該層僅需非常薄且僅夠容納任何可在各表面中存在的不對準。環(huán) 氧樹脂的特別優(yōu)點在于相鄰部件也粘接地相互保持，以使設(shè)備成為 整體。
于是粘合劑層包括支撐元件和壓電晶體之間的薄軟墊，并具有這 樣的第二功能即以機械方式將支撐元件和壓電晶體保持在永久穩(wěn)固 的接合中。
環(huán)氧樹脂層還可提供晶體用的電絕緣體，或取決于電通路而可成 為導(dǎo)電的。這種布置在認為一個或更多柔性導(dǎo)線是不希望的情況中特 別有利。
在一種優(yōu)選實施例中，支撐元件設(shè)有用于與球體沉積物接觸的內(nèi)
嵌接觸部分。通常使接觸面退回支撐元件總寬度的30 60%。內(nèi)嵌的平 面最好與剪切力想要作用的方向正交，且通常是與襯底大體正交且在Z 軸上。在一種實施例中，內(nèi)嵌的平面與限定支撐元件的正面和背面的 平面平行、并處在該平面之間。
最好是確定內(nèi)嵌面的精確位置，從而在工具的底面上的垂直負載 穿過相對于壓電晶體的安裝面的中間平面，從而不影響其輸出。壓電
晶體的電輸出的這個適應(yīng)修改和/或信號譯釋不是必要的；特別地，電 輸出最好是與其上作用的應(yīng)變成比例、以及與所施加的剪切力成比例。 最優(yōu)選地，所施加的剪切力和電輸出之間的關(guān)系是線性的。內(nèi)嵌的位 置是由支撐元件所需的形狀和尺寸來確定的，但也可通過使用有限元
分析(FEA)等數(shù)學(xué)方法來預(yù)測，并通過依據(jù)經(jīng)驗施加垂直(Z方向)負載來 檢査。
在優(yōu)選實施例中，內(nèi)嵌與想要的剪切方向正交，并由成角度的或 輻射式的面而連接至支撐元件的正面，以消除高應(yīng)力的點或線。


本發(fā)明的其它特征將從下面結(jié)合附圖僅以示例形式示出的一些優(yōu)
選實施例的說明而變得明確。在附圖中
圖l是合并本發(fā)明的工具保持件的側(cè)視圖。
圖2是轉(zhuǎn)動了9(T的圖1的保持件的軸向截面圖。 圖3是對應(yīng)于圖2的側(cè)視圖。
圖4是放大比例的圖1的工具保持件的頭部的透視圖。
圖5是使用中的圖1 4的工具保持件的示意圖。
圖6示出了主視圖的變型。
圖7在側(cè)視圖中示出了圖5的變型。
圖8是圖7的一部分的放大圖。
圖9是圖8的一部分的進一步的放大圖。
圖10繪出了在沒有偏移球體沉積物接觸表面的剪切工具上的力。
圖ll繪出了在有偏移球體沉積物接觸表面的剪切工具上的力。
圖12是使用中的變型工具的示意圖。
圖13示意性地繪出了可使用本發(fā)明的改進的剪切測試工具的粘接 力測試機。
具體實施例方式
參照圖1 4，工具保持件11包括管狀本體12，其具有減小直徑 的連接桿13，用于連接至圖1A中示意性地示出的粘接力測試機100 等測試機。連接桿13由圖1A的卡盤102等套爪卡盤及類似物而固定 在機器中。管狀本體12例如是金屬材料的，最好是鋼等合適的堅固的 材料。在管狀本體12的口部中壓入了環(huán)狀絕緣體14，其是不導(dǎo)電塑料 等任何適宜的介電材料構(gòu)成的。在絕緣體14中壓入了例如鋼質(zhì)的工具 保持件15，如圖示，該工具保持件15具有在近端處的拼合夾具16， 該拼合夾具16包括由插座頭螺釘20緊固的可去除的蓋帽17。
拼合夾具16允許插入和拔出支撐元件或剪切工具18，其上安裝 有壓電晶體19。剪切工具是陶瓷材料的，并包括大體恒定厚度的平板。 工具18容納于工具保持件的相應(yīng)凹部中，從而當(dāng)擰緊螺釘20時被保 持和卡緊。剪切工具18作為懸臂梁而安裝，而在優(yōu)選實施例中壓電晶 體19沿梁的長度的中心區(qū)域而安裝。
本發(fā)明涉及用于測試半導(dǎo)體器件中粘接的剪切強度的儀器，更具 體地涉及包括剪切工具18和晶體19的剪切工具套件。工具保持件11
在測試機中的可拆除的安裝是所希望的，但卻并非實質(zhì)性的，而在可 拆除安裝的情況下，除了確保適當(dāng)堅硬且牢固的連接外，安裝手段并 不重要。
同理，可拆除的剪切工具18不是實質(zhì)性的，但可有利于允許不同 剪切工具與通用的工具保持件16相配。應(yīng)當(dāng)理解，剪切工具18可固 定在測試機中而成為半永久的；換言之，僅在斷裂或其它種類的故障
的情況下才認為它是可拆除的。這種布置在同一元件的反復(fù)測試的情 況中是有益的，其中.可拆除的工具保持件和/或剪切工具在測試程序 和/或產(chǎn)品頻繁變化的情況下是有益的。
應(yīng)當(dāng)看出工具保持件和剪切工具可由例如環(huán)氧樹脂粘合劑來永 久地連接，在這種情況不需要可去除的蓋帽17。
在本領(lǐng)域中，可提供能夠進行球體沉積物剪切測試的粘接力測試 機。一^1^實例是由英國Aylesbury的Dage Precision Industries, Ltd.提供 的型號4000系列機器。圖13示意性地繪出了與型號4000機器具有許 多共同元件的粘接力測試機。在圖13的機器中，保持剪切工具18的 工具保持件11的連接桿13緊固在卡盤102中，該卡盤102又反過來 安裝在工具移動器104上。工具移動器104提供剪切工具18例如在X 方向上的移動以將球體沉積物23從襯底22上剪下，以及在Z方向上 的移動以相對于球體沉積物23垂直地定位剪切工具18。襯底22安裝 在工作臺118上，該工作臺118提供襯底在X和Y方向上相對于剪切 工具18的移動。將工具移動器104緊固在殼體105上，該殼體105上 安裝有高功率顯微鏡106。殼體105還包括處理器，其對從壓電晶體 19接收的電信號進行處理，并最好是將該處理的結(jié)果顯示在連接至殼 體105的顯示屏幕107上。機器IOO還包括搖桿控制器106、 108，其 移動X-Y工作臺118和剪切工具18。操作員透過高功率顯微鏡106觀 看所關(guān)注的襯底22的區(qū)域，并使用搖桿106、 108來將剪切工具18定 位于與要從襯底22上剪下的球體沉積物23附近。 一旦剪切工具18相
對于球體沉積物23正確地定位，則工具移動器104將剪切工具18以 理想速度在X方向上移動理想距離，以將球體沉積物23從襯底22剪 下。在該剪切事件期間，壓電晶體19以將在后面更詳細地說明的方式 受到拉伸力和壓縮力。施加在壓電晶體19上的力從晶體19上產(chǎn)生電 信號，該信號可與將球體沉積物23從襯底剪下所需的剪切力相關(guān)。
由壓電晶體產(chǎn)生的電信號可由絕緣線(未圖示)來傳送，該絕緣線穿 過本體12內(nèi)的小孔5以在遠端21處出來，接著向上進入殼體105內(nèi) 所含的處理器(未岡示)。在一個實施例中，合適的電軌道可通過在陶瓷 剪切工具18的表面上進行光蝕印刷而形成，并在表面上設(shè)有按壓式電 連接件，在此處使工具緊固至工具保持件15。在本實施例中，陶瓷剪 切工具18提供了介電材料，其上設(shè)有導(dǎo)電軌道。導(dǎo)電軌道也可由其它 方法來提供，例如通過將金屬元件粘接或用其它方式固定至陶瓷工具 18。
如圖4中很好地繪出，剪切工具18的尖端24在寬度上被減小， 以緊密地配合要測試的連接球體的實際寬度。剪切工具18的寬度/厚度 比例通常在3:1 8:1的范圍內(nèi)，且尖端24通常是1000/mi或更少。如 圖示的，尖端24的寬度與剪切工具18的寬度之比可處在4:1 10:1的 范圍內(nèi)。
圖5示出了使用中的測試工具。工具保持件的本體12安裝于圖 1A所示的機器等適宜的測試機上，如圖示，該測試機具有X、 Y、 Z 橫截線，并且如前面所述，該測試機相對于襯底22移動，以處在將剪 切力施加至許多球體沉積物23中的一個的適當(dāng)位置?？商峁┻m宜的接 觸傳感設(shè)備，以確保當(dāng)剪切工具18將球體沉積物23從襯底22上剪下 時避免將剪切工具18拖曳至襯底22上。
盡管示出了兩邊緣的球體23的陣列，但也會遇到任何形狀的陣 列，包括覆蓋襯底23表面的柵格陣列。
通過將剪切工具18在"X"方向上正對著各球體23移動，并施加
逐漸增加的力直到發(fā)生斷裂來進行測試。作為替代，測試也可這樣進
行即通過例如以相對于球體沉積物23的0.5 2.5米/秒范圍內(nèi)的速度 來移動剪切工具18，以動態(tài)地將球體沉積物23從襯底22剪下。取決 于設(shè)備的能力，工具移動的速度可達10米/秒，但一般而言，與有效測 試相稱的最低速度是合適的。
剪切工具48從本體12懸臂伸出，從而在使用中，當(dāng)剪切工具18 將球體沉積物23從襯底22上剪下時剪切工具18的正面所受的負載使 該面承受拉伸力。同時，使后面相應(yīng)地承受壓縮力。相應(yīng)地，壓電晶 體19由施加在后面上的壓縮力壓緊，且晶體19生成電輸出，該電輸 出可用來確定將球體沉積物23從襯底22上剪下所需的力。
對于襯底的球體沉積物的部分或全部可重復(fù)進行測試，且在規(guī)則 陣列的情況下，測試可以是自動的。
本實施例說明了單個壓電晶體的使用，該壓電晶體具有一般在Z 方向、在剪切測試期間與移動平面正交的小孔壓縮軸。如果有必要或 方便，則可利用多個晶體在多個相互不同的方向上來檢測應(yīng)變，并可 單獨地或組合地使用多個電輸出，以解析在所關(guān)注的想要方向上的剪 切力。
如果有必要，則可通過重復(fù)剪切已知尺寸和品質(zhì)的材料例如穿過 襯底中緊密配合的孔而指向上方的線端，從而校準工具18。根據(jù)這一 方法，可將保持測試導(dǎo)線的固件緊固在工作臺118上。然后以相對于 球體沉積物來定位剪切工具18的相同方式，可將該剪切工具18定位 成與線端相鄰。然后可開啟機器以剪下測試導(dǎo)線的末端。假設(shè)測試導(dǎo) 線具有已知的材料和幾何形狀，則剪切測試導(dǎo)線所需的力也是已知的。 于是，由壓電晶體19產(chǎn)生的電信號可與已知的剪切力值相關(guān)。以這種
方式，可生成對于給定剪切力值的壓電晶體19信號輸出的表格，以用 于受測試的特定剪切工具18。這些值可用于機器處理器中，以基于從
壓電晶體19接收的電信號來指示剪下球體沉積物所需的剪切力。
在圖6 8中示出了本發(fā)明的變型。在該變型中，工具保持件41 具有安裝連接桿43和具有相對的"V"形凹槽45的口部44，以接收 剪切工具插入物46。插入物46沿凹槽45的軸線滑入保持件41，并滑 入成與阻擋板鄰接。插入物46被布置為由裝載彈片的球夾(未圖示)來 保持，并由平頭螺釘48來緊固，從而使其變得相對于工具保持件41 不可移動。
靠在插入物46上的是陶瓷剪切工具49，其具有用于接觸球體沉 積物的正面50、以及具有安裝在其上的壓電晶體52的背面51。在使 用中，如前面所述，在正面施加至球體沉積物23的剪切負載造成施加 至晶體52的壓縮應(yīng)力，其結(jié)果得到電輸出。工具49具有與第一實施 例中所示的工具相似的整體比例。
在插入物46的壓電元件52和工具保持件41之間設(shè)有適宜的滑動 電連接件53，以便隨著插入工具保持件41而通過刷擦來自動接合。
如圖示，剪切工具49的接觸面54從正面退回。在使用中，隨著 剪切工具穿越球體沉積物，除了生成水平力以外，還生成垂直力。如 果垂直力很大，則該垂直力影響晶體52的輸出并足以使被測的力失真。 在理想情況下，應(yīng)由晶體19僅記錄將球體沉積物從襯底上剪下所需的 水平力。
通過將接觸面54設(shè)置為更靠近晶體的安裝面，可將垂直力引入中 間平面，從而在安裝平面處的彎曲應(yīng)力和應(yīng)變的測量相對地?zé)o失真。 圖8A、 8B和8C示出了本發(fā)明的這一特征。
如圖9所示，接觸面54退回一段距離120，該距離在本實施例中 約是從正面50到背面(安裝面)51的距離122的40%。為特定的剪切工 具49所選擇的實際退回距離120取決于剪切工具49的整體尺寸和壓 電晶體52的尺寸和位置。
退回距離120還可受球體沉積物的形狀和接觸面52的形式的影 響。在使用中，退回距離120的尺寸通常在30% 60%的范圍內(nèi)，并且 可通過有限元分析(FEA)等數(shù)學(xué)方法從測試中，且可通過在觀察晶體52 的輸出的同時將垂直負載施加至工具49的底面來依據(jù)經(jīng)驗確定。
為了理解本實施例使接觸面54從正面50退回的剪切工具49與無 退回的剪切工具18等剪切工具相比的益處，現(xiàn)參照圖10。在圖10中， 當(dāng)剪切工具202的正面200撞擊球體沉積物23以將其從襯底22上剪 下時，產(chǎn)生了許多力。球體沉積物23以水平力210將工具210向回推。 球體沉積物23也以垂直力212將工具202向上推。此外，由于在遠離 工具202的根基的位置處將力施加至球體23，因而將彎曲力矩214施 加至工具202。彎曲力矩的大小是力臂或在接觸面200和工具202的根 基之間的距離216的函數(shù)。如前述，水平力210使工具的正面204處 在拉伸力中，并使后面206處在壓縮力中。結(jié)果，壓電晶體220受到 由水平力210產(chǎn)生的壓縮力230、對應(yīng)于垂直力212的壓縮力232,和 對應(yīng)于彎曲力矩214使晶體220處在拉伸力中的力234。拉伸力234可 能比壓縮力232更大，結(jié)果是該拉伸力234傾向于抵消力230的一部 分，導(dǎo)致不精確的剪切力測量值。
為了使該不精確最小化或減少該不精確，如圖11所示，剪切工具 302的接觸面300從正面304向后偏移。該偏移的效果是使接觸面300 更靠近工具302的彎曲中心318。這就減小了力臂308，于是減小了彎 曲力矩314。結(jié)果是工具302仍受到由球體沉積物23將工具302向 后推而產(chǎn)生的同一水平力310。工具302還受到由球體沉積物23將工 具302向上推造成的同一垂直力312。然而，由于力臂308縮短了，因
而彎曲力矩314與圖10中的彎曲力矩214比較已相應(yīng)減小了。結(jié)果， 盡管壓電元件320仍受到對應(yīng)于水平力310的同一壓縮力330和對應(yīng) 于垂直力312的同一壓縮力332，但由彎曲力矩314導(dǎo)致的拉伸力334 卻顯著地減小了。在理想情況下，工具的幾何形狀被設(shè)計為使得由彎 曲力矩314導(dǎo)致的拉伸力334大致等價于壓縮力332，結(jié)果是這些力大 體上彼此抵消，從而壓電晶體320產(chǎn)生這樣的電信號其僅對應(yīng)于由 水平力310導(dǎo)致的壓縮力330。以這種方式，晶體320產(chǎn)生出更精確地 反映出將球體沉積物23從襯底22上剪下所需的力的大小的力。
圖12示出了在將剪切力施加至一行球體沉積物中的一個前的分 步退回工具49的三維示意圖。
接觸面52的寬度通常與球體沉積物的直徑大約相同，可以是約 100 750/mi。使用可更替的內(nèi)嵌件允許提供不同寬度的工具，并允許 不同形式的工具(例如這樣的工具其具有適于球體沉積物的形狀而形 成的凹部)。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于此處說明的實施例，而且對本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員來說很明顯的變型也可在本發(fā)明的精神以及所附權(quán)利要求 書保護的設(shè)備和方法的范圍內(nèi)做出。例如，盡管在這些實施例中所示 出的壓電晶體僅處在實施例所描繪的剪切工具的后面，但壓電晶體也 可設(shè)在剪切工具的正面或其它表面上。還可做出其它這樣的修改。
權(quán)利要求
1. 一種測試設(shè)備，用于將剪切力施加至襯底上的導(dǎo)電沉積物上，以測試其間粘接的剪切強度，所述設(shè)備包括剪切工具和安裝在該剪切工具上的壓電晶體，該剪切工具適于將剪切力施加至所述沉積物，并且所述晶體布置為在應(yīng)力下被放置，該應(yīng)力是在所述剪切工具將所述剪切力施加至所述沉積物的同時沿所述剪切工具作用的壓縮或拉伸力造成的，所述晶體響應(yīng)于所述應(yīng)力而產(chǎn)生電信號，所述電信號提供將所述沉積物從所述襯底上剪下所需的剪切力的指示。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述壓電晶體施加至所述剪切工具的背面，正面適于施加所述剪切負載。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述晶體的安裝 面是平面的，并緊鄰支撐元件的在剪切作用期間受到最大應(yīng)變的部分。
4. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述剪切工具適于作 為懸臂梁固定至工具保持件。
5. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述剪切工具在與球 體沉積物接觸的區(qū)域中的形狀是從以下范圍中選擇的，該范圍包括平 坦的平面接觸面、適于所述球體沉積物的近似直徑的一維彎曲接觸面、 以及適于所述球體沉積物的近似球狀的二維彎曲接觸面。
6. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述剪切工具是大體 矩形的塊，該塊具有平行的正面和后面，所述正面具有用于所述球體 沉積物的接觸面，而背面上安裝有所述壓電晶體。
7. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述剪切工具包括 主體部，所述壓電晶體安裝到該主體部；以及減小尺寸的凸出接觸部，該凸出接觸部用于接觸所述球體沉積物。
8. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述壓電晶體通過粘 合劑安裝至所述剪切工具上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述粘合劑是環(huán)氧樹脂。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述剪切工具和所述壓電晶 體之間的界面包括力分配層，該力分配層適于給出基大均勻的平面接 觸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述層足夠容納可在所述 剪切工具和所述壓電晶體的相應(yīng)表面中存在的任何不對準。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9至11中的任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中環(huán)氧 樹脂的所述層提供用于所述壓電晶體的導(dǎo)電體。
13. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述剪切工具具有 正面和后面，并設(shè)有與所述球體沉積物接觸的接觸部分，其中所述接 觸部分從所述正面向后偏移。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述接觸部分包括從所述 正面退回所述剪切工具的總寬度的30%至60%的接觸面。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中內(nèi)嵌的平面與剪切力的意 圖施加方向正交。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13至16中的任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中確 定所述接觸面的偏移，從而減小由垂直力導(dǎo)致的作用在所述壓電晶體 上的拉伸和壓縮力。
17. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所施加的剪切力和 電輸出之間的關(guān)系是成比例的。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所施加的剪切力和電輸出 之間的關(guān)系是線性的。
19. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，進一步包括工具保持件， 所述剪切工具固定到該工具保持件，所述工具保持件適于固定到工具 移動器。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述工具保持件限定口部， 所述剪切工具被保持在該口部內(nèi)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述工具保持件包括拼合 夾具，該拼合夾具限定所述口部，并可操作用于夾持所述剪切工具。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中所述工具保持件包括本體 和由螺釘固定至該本體的可去除的蓋帽，所述本體和蓋帽限定所述拼 合夾具，并且所述蓋帽通過操作所述螺釘而相對于所述本體可調(diào)節(jié)， 以夾持所述剪切工具。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19至22中的任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所 述工具保持件是基本管狀的，并包括圓柱狀的近端，用于連接至所述 工具移動器的卡盤。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述工具保持件和剪切工 具包括互補的凸凹形式，從而允許在與所述剪切工具的剪切方向垂直 的單根線性軸線上進行連接。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中所述剪切工具包括相對的 突出滑動軌道，用于接收在所述工具保持件的對應(yīng)滑動凹部中。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的設(shè)備，還包括止動件以限制將所述剪 切工具插入所述工具保持件中，并進一步包括可松開的夾具以將所述 剪切工具保持在所述工具保持件中。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24至26中的任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，并且進 一步包括相配合的電觸點，所述相配合的電觸點適于在所述剪切工具 和工具保持件的連接件上進行聯(lián)接。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中所述電觸點包括可在所述 軸線的方向上自動接合的滑動刷。
29. 根據(jù)權(quán)利要求19至28中的任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所 述設(shè)備進一步包括用于支撐所述襯底的可移動工作臺，并進一步包括 用于相對于所述襯底上的所述沉積物定位所述剪切工具的顯微鏡和手 動控制器。
30. —種確定施加至襯底上的導(dǎo)電球體沉積物的剪切力的方法， 所述方法包括提供剪切工具，該剪切工具具有用于剪切所述沉積物的正面，并 具有粘接至該剪切工具上的壓電晶體；提供用于通過監(jiān)控所述壓電晶體的電輸出而檢測所述壓電晶體中 的應(yīng)力的變化的設(shè)備；將所述正面施加至球體沉積物，以從所述襯底剪下所述沉積物，以及在從所述襯底剪下所述球體沉積物時，檢測所述壓電晶體中的應(yīng) 力的變化。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，并且包括以下步驟相對于所述球體沉積物以一速度來施加所述剪切工具。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，并且包括以下步驟在與所述 球體沉積物接觸的點處，將所述剪切工具加速至0.5至10米每秒的范 圍內(nèi)的終點速度。
全文摘要
一種用于將剪切負載施加至襯底上的沉積物的測試設(shè)備，包括具有與沉積物接觸的尖端(24)的懸臂剪切工具(18)，和其上具有壓電晶體的背面。在使用中，背面受到壓縮力以及其它力，并且來自所述晶體的相應(yīng)電輸出與那些力成比例。在一種實施例中，剪切工具接觸沉積物的部分從該剪切工具的正面向后偏移，以改進由壓電晶體產(chǎn)生的信號的精度。該設(shè)備用于測試通常在半導(dǎo)體器件中存在的沉積物和襯底之間的粘接的強度。
文檔編號G01N3/24GK101384894SQ200780005635
公開日2009年3月11日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者約翰·羅伯特·賽科斯 申請人:達格精度工業(yè)有限公司