本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

鍵合是半導(dǎo)體制造過(guò)程中一種不可或缺的技術(shù)，被廣泛地運(yùn)用于精密制造工藝特別是電子產(chǎn)品的機(jī)械及電氣連接中。尤其是在微機(jī)電系統(tǒng)(mems)研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，封裝是最終確定其體積、壽命和成本的關(guān)鍵技術(shù)，而封裝方法中最為重要的一類技術(shù)就是鍵合技術(shù)。因而鍵合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度決定了mems系統(tǒng)的應(yīng)用范圍大小和使用壽命長(zhǎng)短。正因如此，精確地測(cè)量芯片鍵合強(qiáng)度就顯得尤為重要。

到目前為止，針對(duì)芯片鍵合強(qiáng)度的測(cè)量，國(guó)內(nèi)外科研人員提出了一些測(cè)量方法。如1988年，maszara等(maszarawp,goetzg,“bondingofsiliconwaferforsilicon-on-insulator”.j.appl.phys.1988,64(10):4943-4950.)提出裂紋傳播擴(kuò)散法，通過(guò)將刀片插入鍵合位置并測(cè)量裂紋長(zhǎng)度來(lái)測(cè)量鍵合強(qiáng)度。但是刀片插入通常是人工進(jìn)行，刀片的插入速率、插入的方式、測(cè)量環(huán)境等因素都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。1990年，charalambides等(charalambidespg,caohc,lundj,evansag,“devel-opmentofatestmethodformeasureingthemixedmodefrac-tureresisanceofbiomaterialinterfaces”.mech.mater.1990,8(4):269-283.)提出四點(diǎn)彎曲分層技術(shù)，通過(guò)底部?jī)芍c(diǎn)支撐、頂部?jī)蓧毫c(diǎn)施壓的方法來(lái)測(cè)量鍵合強(qiáng)度。這種方法較裂紋傳播擴(kuò)散法更精確，但其測(cè)量范圍受限，當(dāng)退火溫度達(dá)到900℃～1000℃后，鍵合強(qiáng)度就可能超出該方法的測(cè)量范圍而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量。目前最常用的鍵合強(qiáng)度測(cè)量方法為直拉法，但其測(cè)量范圍受到鍵合芯片與拉力手柄間粘合劑材質(zhì)的限制，當(dāng)鍵合強(qiáng)度大于粘合劑的粘黏度時(shí)，拉力手柄就會(huì)在待測(cè)芯片分裂之前與待測(cè)芯片脫離，從而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量。該方法通常使用環(huán)氧樹脂作為粘合劑，所能測(cè)量的最大鍵合強(qiáng)度約為80mpa。同時(shí)，直拉法對(duì)測(cè)試設(shè)備的精度特別是拉力和鍵合界面間的垂直度、待測(cè)芯片上下兩面粘接的同軸度和平行度要求很高，很難得到精確的測(cè)量結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置及方法，此外還提出了芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，通過(guò)精確地測(cè)量法布里-珀羅腔的變化量，精確得到待測(cè)芯片裂開時(shí)的壓強(qiáng)值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片鍵合強(qiáng)度的測(cè)量。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置，該裝置包括待測(cè)芯片、玻璃支柱、金屬毛細(xì)管、傳輸光纖、壓力接頭、壓力入口、隔離膜片、導(dǎo)壓液體、底座、密封圈、充液孔、封堵鋼珠和外殼；其中：

所述待測(cè)芯片經(jīng)膜片和基底片鍵合制成，其中膜片作為彈性膜片感受壓力，同時(shí)作為法布里-珀羅腔的第二個(gè)反射面；基底片表面中心腐蝕有微腔，微腔底部作為法布里-珀羅腔的第一個(gè)反射面，微腔的腐蝕深度決定法布里-珀羅腔的初始長(zhǎng)度；

所述待測(cè)芯片和玻璃支柱間通過(guò)激光焊接方式連接；所述金屬毛細(xì)管、玻璃支柱、底座通過(guò)高溫?zé)Y(jié)方式密封連接；所述底座與壓力接頭間通過(guò)密封圈密封連接；外殼與壓力接頭通過(guò)螺紋配合并為底座提供支撐；

所述隔離膜片設(shè)置在壓力接頭中壓力入口的下方，將外界壓力介質(zhì)與導(dǎo)壓液體隔離。

所述待測(cè)芯片的鍵合方式包括陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合、熱壓鍵合、黏著鍵合、玻璃焊料鍵合和低溫鍵合。

所述待測(cè)芯片的底面形狀包括圓形、矩形和多邊形；所述玻璃支柱的上端面與待測(cè)芯片的底面形狀相契合。

一種芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置的制作方法，包括以下步驟：

(1)將待鍵合的膜片、基底片切割為所需形狀；在基底片上腐蝕深度10～100μm的微腔，將膜片與基底片進(jìn)行鍵合；

(2)將金屬毛細(xì)管、玻璃支柱、底座進(jìn)行凈化、干燥、組裝后，整體置于高溫爐進(jìn)行燒結(jié)，制成芯片支撐結(jié)構(gòu)；

(3)將所述芯片支撐結(jié)構(gòu)置于激光焊接設(shè)備中，令玻璃支柱上端面與待測(cè)芯片下表面重合并緊密貼合，利用激光將兩者焊為一體；

(4)將切割好的傳輸光纖從金屬毛細(xì)管底端插入，使傳輸光纖上端面與待測(cè)芯片下表面貼合；微調(diào)傳輸光纖位置并通過(guò)光譜儀觀測(cè)干涉信號(hào)，待干涉信號(hào)最強(qiáng)時(shí)通過(guò)膠粘劑固定傳輸光纖位置；

(5)在壓力接頭上焊接隔離膜片；

(6)在底座側(cè)壁加裝密封圈后，裝配于壓力接頭后端的圓槽內(nèi)；

(7)通過(guò)充液孔將導(dǎo)壓液體注滿壓力接頭中的剩余空間；

(8)將封堵鋼珠壓入充液孔；

(9)擰上外殼，完成所述芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置的制作。

根據(jù)所述芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置組成的芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括白光光源、芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置、壓力源、3db耦合器、光譜儀和光纖，其中：

所述白光光源發(fā)出的光耦合到光纖，經(jīng)過(guò)一個(gè)3db耦合器后，進(jìn)入所述芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置并入射至待測(cè)芯片；經(jīng)基底片與膜片反射后，帶有腔長(zhǎng)信息的反射光重新返回3db耦合器，之后進(jìn)入光譜儀，通過(guò)記錄反射光的光譜信息可以計(jì)算出此時(shí)的腔長(zhǎng)值；所述芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置安裝在壓力源的壓力出口上。

所述芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括以下步驟：

(1)使用壓力源對(duì)所述片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置施加初始?jí)毫Γ⒂涗洿藭r(shí)的光譜信息；

(2)選擇加壓步長(zhǎng)，提高壓力源對(duì)鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置施加的壓力值；

(3)將壓力源施加的壓力值降為0，觀察光譜儀顯示是否有干涉信號(hào)：若有，重復(fù)步驟(2)直到降下壓力后光譜儀干涉信號(hào)消失；若無(wú)，則上一步中施加的壓力值即為待測(cè)芯片鍵合后可承受的最大壓力值，反映了芯片的鍵合強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)記錄的光譜數(shù)據(jù)可計(jì)算出上一步中所施加的壓力值。

現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：

1.本發(fā)明提出的芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量方法采用對(duì)芯片施加液體壓力的方式進(jìn)行測(cè)量，施加壓力均勻，測(cè)量過(guò)程可控，且對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械精度要求較低；通過(guò)多光束干涉原理對(duì)微小法布里-珀羅腔長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)一步提高了測(cè)量可靠性和精度。

2.本發(fā)明提出的芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量方法可以用來(lái)測(cè)量包括陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合、熱壓鍵合、黏著鍵合、玻璃焊料鍵合、低溫鍵合等在內(nèi)的各種鍵合方式的鍵合強(qiáng)度；被測(cè)的芯片包括各種形狀；可以測(cè)量鍵合芯片在各種介質(zhì)中的短期、長(zhǎng)期鍵合強(qiáng)度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中待測(cè)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量過(guò)程中待測(cè)芯片的受力示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例中芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)得到的反射光譜圖；

附圖標(biāo)記：1、待測(cè)芯片，2、激光焊接點(diǎn)，3、玻璃支柱，4、壓力接頭，5、金屬毛細(xì)管，6、壓力入口，7、隔離膜片，8、導(dǎo)壓液體，9、傳輸光纖，10、底座，11、密封圈，12、充液孔，13、封堵鋼珠，14、外殼，17、膜片，18、法布里-珀羅腔，19、基底片，20白光光源，21、芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置，22、3db耦合器，23、壓力源，24、光譜儀，25、光纖，26、芯片鍵合位置，27、側(cè)向壓力，28、活塞式壓力源

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

實(shí)施例1：一種芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置的具體實(shí)施方式

如圖1和圖2所示，芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置中，待測(cè)芯片1經(jīng)膜片17和基底片19鍵合制成，其中膜片17作為彈性膜片感受壓力，同時(shí)作為法布里-珀羅腔18的第二個(gè)反射面；基底片19上在鍵合之前即腐蝕有微腔，微腔底部作為法布里-珀羅腔18的第一個(gè)反射面，微腔的腐蝕深度決定了法布里-珀羅腔10的初始長(zhǎng)度。玻璃支柱3與待測(cè)芯片1通過(guò)激光焊接的方式連接，并形成有激光焊接點(diǎn)2，作為待測(cè)芯片1的受壓支撐基底，同時(shí)也是金屬毛細(xì)管5的固定裝置、金屬毛細(xì)管與底座10間的密封裝置。傳輸光纖9經(jīng)金屬毛細(xì)管5底端插入，其端面切割平整并與待測(cè)芯片1的底面貼合。底座10與壓力接頭4間通過(guò)密封圈11密封，外殼14與壓力接頭4通過(guò)螺紋配合并為底座10提供支撐。

白光光源20發(fā)出的光經(jīng)傳輸光纖9入射待測(cè)芯片1，在腐蝕微腔底面發(fā)生第一次反射，在膜片17底面發(fā)生第二次反射，這兩束反射光形成干涉，干涉信號(hào)中包含光程差信息，且該光程差是對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)的2倍。當(dāng)壓力源23施加的壓力通過(guò)導(dǎo)壓液體8作用于待測(cè)芯片1上時(shí)，膜片17發(fā)生變形，從而改變膜片17的底面與腐蝕微腔底面之間的距離即法布里-珀羅腔腔長(zhǎng)，通過(guò)記錄的光譜數(shù)據(jù)可以精確地計(jì)算出待測(cè)芯片1裂開時(shí)的壓力值。

隔離膜片7、充液孔12、封堵鋼珠13構(gòu)成隔離系統(tǒng)，將導(dǎo)壓液體8與壓力源23的壓力介質(zhì)隔離開來(lái)。隔離膜片7設(shè)置在壓力接頭4中壓力入口6的下方，將外界壓力介質(zhì)與導(dǎo)壓液體8隔離，在本裝置中加入隔離系統(tǒng)，可以通過(guò)單一壓力源23測(cè)量待測(cè)芯片1在各種介質(zhì)環(huán)境中的鍵合強(qiáng)度；且通過(guò)充導(dǎo)壓液體8并長(zhǎng)期靜置后再進(jìn)行測(cè)量的方式，可以測(cè)量各種介質(zhì)氛圍對(duì)芯片鍵合強(qiáng)度的長(zhǎng)期影響。

實(shí)施例2：高精度大測(cè)量范圍芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量方法與光譜解調(diào)

由圖1中芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置21組成的芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)包括白光光源20、芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置21、壓力源23、3db耦合器22、光譜儀24和光纖25；通過(guò)如圖5所示芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)的具體實(shí)施例，來(lái)說(shuō)明本芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量方法的實(shí)施方式。圖5所示系統(tǒng)中，壓力源23采用活塞式壓力源28。

白光光源20發(fā)出的光耦合到光纖25，經(jīng)過(guò)一個(gè)3db耦合器22后，進(jìn)入芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置21并入射到待測(cè)芯片1；經(jīng)膜片17和基底片19反射后，帶有腔長(zhǎng)信息的反射光重新返回3db耦合器22，之后進(jìn)入光譜儀24。通過(guò)光譜儀24掃描得到傳感器返回的光譜，圖6是本芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置經(jīng)過(guò)光譜儀測(cè)取的光譜；通過(guò)求取光譜包絡(luò)的峰值位置，即可獲得光纖法布里-珀羅腔18的腔長(zhǎng)信息，法布里-珀羅腔長(zhǎng)與其干涉光譜之間的關(guān)系式為：其中，d表示法布里-珀羅腔長(zhǎng)，λ1,λ2分別表示光譜包絡(luò)的兩個(gè)峰值位置。

芯片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置21安裝在活塞式壓力源28的壓力出口上。當(dāng)活塞式壓力源28施加的壓力通過(guò)導(dǎo)壓液體8作用于待測(cè)芯片1上時(shí)，膜片17發(fā)生變形，從而改變膜片17的底面與腐蝕微腔底面之間的距離即法布里-珀羅腔腔長(zhǎng)，法布里-珀羅腔長(zhǎng)與壓力的關(guān)系式為：δd為法布里-珀羅腔長(zhǎng)變化量，p表示壓力，e為膜片17的楊氏模量，ν為膜片17的泊松比，b為腐蝕微腔的直徑，c為膜片17的厚度。

在進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，其方法為：

第1、使用活塞式壓力源28對(duì)所述片鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置21施加適當(dāng)?shù)某跏級(jí)毫Γ⒂涗洿藭r(shí)的光譜信息；通過(guò)此時(shí)記錄的光譜即可計(jì)算出法布里-珀羅腔18的初始腔長(zhǎng)。

第2、選擇合適的加壓步長(zhǎng)，提高活塞式壓力源28對(duì)鍵合強(qiáng)度測(cè)量裝置21施加的壓力值；

第3、將活塞式壓力源28施加的壓力值降為0，觀察光譜儀24顯示是否仍有干涉信號(hào)；若仍有信號(hào)，重復(fù)第2步直到降下壓力后光譜儀24干涉信號(hào)消失；若無(wú)信號(hào)，則此時(shí)待測(cè)芯片1的芯片鍵合位置26已被側(cè)向壓力27壓破(見圖4)，導(dǎo)壓液體8已經(jīng)進(jìn)入法布里-珀羅腔18中。則上一步中施加的壓力值即為待測(cè)芯片1鍵合后可承受的最大壓力值，直接反映了芯片的鍵合強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)上一步中記錄的光譜數(shù)據(jù)可以精確地計(jì)算出上一步中施加的壓力值。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對(duì)具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。