CN105938806B - 测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力的方法和设备。该方法包括：提供受测器件，该受测器件包括下测试层和层叠在下测试层上并且包括悬伸部的上测试层，该悬伸部超过所述下测试层的边缘突出预定长度；将所述下测试层固定到安装台上；以及通过在第一方向上向所述上测试层的所述悬伸部的底表面施加载荷，测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力。该设备包括：安装台，该安装台固定所述受测器件；载荷施加端头，该载荷施加端头向所述悬伸部的底表面施加载荷；位置调节器，该位置调节器调节所述受测器件和所述载荷施加端头之间的距离；测压元件，该测压元件检测已施加载荷的大小；以及控制器，该控制器控制所述位置调节器和所述测压元件。

Description

测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种测量用于层叠半导体器件的层间粘合层的拉伸模式的粘合力的方法以及一种用于测量该粘合力的设备。
背景技术
半导体芯片(晶片)被封装并电连接至外部电路以构成电子器件。当半导体芯片被封装时，半导体芯片凭借层间粘合层(诸如粘合剂或粘合膜)附装在另一个半导体芯片或者诸如印刷电路板(PCB)的基板上。
在包括层间粘合层的半导体封装中，如果层间粘合层的粘合强度不足，则可能在半导体封装的制作或使用期间在相邻层之间的接合界面处出现开裂或剥落，从而在半导体芯片之间的电连接中或半导体和基板之间的电连接中产生缺陷，并且在一些情况下在半导体封装的层叠结构中产生断裂。近来，随着半导体器件变得小型化，层间粘合层的厚度以及半导体封装的厚度大大减小，并且因而层间粘合层可能更易出现接合界面的开裂或剥落。然而，不论层间粘合层的厚度减小多少，都更需要半导体封装的可靠性，并且因而粘合层必须具有十分可靠的粘合力。因此，期望一种作为评估半导体封装的可靠性的方法的测量粘合力的量化方法。
MIL-812是一种用于量化测量的标准。MIL-812限于针对受测器件(DUT)测量剪切模式的粘合力。在封装过程期间，与层间粘合层关联的层间剥落可能不仅由剪切应力而且由拉伸应力引起。因此，在基于MIL-812的测量中，不可能准确发现半导体封装的层间粘合层的缺陷原因。
为了测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力，必须给层间粘合层施加拉力。为此，用于施加载荷的夹具(jig)可以固定到层叠半导体芯片中的任一个芯片，所述层叠半导体芯片相互组合，以使得层间粘合层布置在相邻芯片之间。然后，可以拉动固定到对应半导体芯片的夹具。然而，难于将夹具牢固地固定到具有小厚度或小尺寸的半导体芯片上。另外，层间粘合层的具体材料属性(诸如厚度或粘合力)可能在夹具固定期间发生改变。因而，准确以及可靠的测量是困难的。
发明内容
本公开内容提供一种测量拉伸模式的粘合力的方法，以用于在没有将单独的夹具机械地固定至层间粘合层或其中一个层叠半导体元件的情况下评价应用于层叠半导体元件的层间粘合层的粘合力和可靠性，其中所述方法可以应用于传统的已有的大规模生产过程，以用于直接评价来自从大规模生产过程得到的受测器件的层间粘合层的粘合力和可靠性。
本公开内容还提供一种测量用于层叠半导体元件的层间粘合层的拉伸模式的粘合力的设备，该设备具有上述优点。
根据一实施方式，一种测量用于层叠半导体元件的层间粘合层的粘合力的方法包括：提供受测器件，该受测器件包括：下测试层；上测试层，该上测试层层叠在所述下测试层上并且包括悬伸部，该悬伸部超过所述下测试层的边缘突出预定长度；以及所述层间粘合层，该层间粘合层布置在所述下测试层和所述上测试层之间并且接合至所述下测试层和所述上测试层；将所述下测试层固定到安装台上；以及通过在第一方向上向所述上测试层的所述悬伸部的底表面施加载荷，测量所述层间粘合层的拉伸模式的粘合力。
所述下测试层和所述上测试层每个都是器件层、基板、两个或更多个层叠器件层、两个或更多个层叠基板、或者是包括一个或多个器件层和一个或多个基板的层叠结构。所述器件层包括半导体芯片、半导体晶片、晶圆、封装包或者它们的组合；并且其中，所述基板包括晶圆、引线框、晶片焊盘、中介层、印刷电路板、柔性印刷电路板、膜引线或者它们的组合。
所述层间粘合层包括粘合膜或粘合剂。所述受测器件为来自半导体封装的制作过程的中间结构，所述半导体封装可以包括多个相同类型或不同类型的器件层。
提供受测器件的步骤可以包括：对第一测试层和第二测试层执行旋转过程、平移过程、翻转过程及它们的组合中的一种，以使得所述第一测试层和所述第二测试层中的一者对应所述上测试层并且所述第一测试层和所述第二测试层中的另一者对应所述下测试层。所述上测试层的所述悬伸部的所述底表面对应钝化层或增强层的表面。
所述受测器件具有楔形结构，以使得所述下测试层在第二方向上的长度大于所述上测试层的所述悬伸部在所述第二方向上的长度，所述第二方向垂直于所述第一方向，从而将拉伸应力集中在所述上测试层的所述悬伸部和所述下测试层的所述边缘之间的交叉线的两个端部。所述载荷可以由载荷施加端头施加，并且所述载荷施加端头包括突出部分。所述突出部分可以包括在施加所述载荷期间与所述悬伸部的所述底表面接触的凸形弯曲表面。
在所述凸形弯曲表面的至少一部分和所述悬伸部的所述底表面之间的接触界面为在第二方向上延伸的线性接触界面，所述第二方向对应所述悬伸部的纵向。所述载荷可以由载荷施加端头施加，其中，所述载荷施加端头包括支架和基座，所述基座安装在所述支架上；其中，所述基座接触所述悬伸部的所述底表面，并且所述基座根据所述悬伸部的倾斜而倾斜。
所述基座可以围绕在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上的旋转轴线倾斜。所述第三方向可以对应所述层间粘合层中的开裂扩展方向。所述载荷施加端头还包括：倾斜支撑部，该倾斜支撑部布置在所述支架和所述基座之间并且将所述支架和所述基座相互分离；以及沟槽，该沟槽容纳所述倾斜支撑部并且允许所述倾斜支撑部围绕所述旋转轴线旋转以使所述基座倾斜。所述沟槽可以设置在所述支架或所述基座上。
所述倾斜支撑部的截面为具有第一曲率的弧形或圆形，该截面垂直于第三方向，并且所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向并且对应所述悬伸部的横向。所述沟槽具有与所述倾斜支撑部的所述第一曲率相等的第二曲率。
可以通过根据在所述层间粘合层和所述上测试层的第一接合界面处、在所述层间粘合层和所述下测试层的第二接合界面处或者在所述第一接合界面和所述第二接合界面二者处的开裂扩展来计算能量释放率来测量所述粘合力。在一实施方式中，在开裂开始时刻或开裂中止时刻计算所述能量释放率。另外，所述粘合力可以由在第一次开裂中止时刻的能量释放率限定。
根据一实施方式，一种设备测量用于层叠半导体器件的层间粘合层的粘合力，其中所述层间半导体器件为受测器件，该受测器件包括下测试层和层叠在所述下测试层上的上测试层。所述上测试层可以包括悬伸部，该悬伸部超过所述下测试层的边缘突出预定长度。所述下测试层和所述上测试层可以通过所述层间粘合层接合在一起。所述设备包括：安装台，该安装台固定所述受测器件；载荷施加端头，该载荷施加端头在第一方向上向所述悬伸部的底表面施加载荷；位置调节器，该位置调节器调节所述受测器件和所述载荷施加端头之间的距离，从而向所述悬伸部的所述底表面施加所述载荷；测压元件，该测压元件检测已施加载荷的大小；以及控制器，该控制器控制所述位置调节器和所述测压元件。
所述层间粘合层包括粘合膜或粘合剂。另外，所述上测试层的所述悬伸部的所述底表面包括钝化层或增强层。在一实施方式中，所述受测器件具有楔形结构，以使得所述下测试层在第二方向上的长度大于所述上测试层的所述悬伸部在所述第二方向上的长度，从而将拉伸应力集中在所述上测试层的所述悬伸部和所述下测试层的所述边缘之间的交叉线的两个端部。
所述载荷施加端头可以包括突出部分。所述突出部分可以包括在施加所述载荷期间与所述悬伸部的所述底表面接触的凸形弯曲表面。所述凸形弯曲表面的至少一部分可以沿在第二方向上延伸的直线接触所述悬伸部的所述底表面。所述第二方向可以对应所述悬伸部的纵向。所述载荷施加端头可以包括支架和基座，所述基座安装在所述支架上。所述基座可以接触所述悬伸部的所述底表面，并且所述基座可以根据所述悬伸部的倾斜而倾斜。
所述基座可以围绕在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向上的旋转轴线倾斜。所述第三方向可以对应所述层间粘合层中的开裂扩展方向。在一实施例中，所述载荷施加端头包括：倾斜支撑部，该倾斜支撑部布置在所述支架和所述基座之间并且将所述支架和所述基座相互分离；以及沟槽，该沟槽容纳所述倾斜支撑部并且允许所述倾斜支撑部围绕旋转轴线旋转以使所述基座倾斜。所述沟槽可以设置在所述支架或所述基座上。
所述倾斜支撑部的截面为具有第一曲率的弧形或圆形。该截面可以垂直于第三方向。所述第三方向可以垂直于所述第一方向和所述第二方向并且对应所述悬伸部的横向。所述沟槽可以具有与所述倾斜支撑部的所述第一曲率相等的第二曲率。所述倾斜支撑部和所述沟槽在第三方向上延伸。所述第三方向可以垂直于所述第一方向和所述第二方向并且对应所述悬伸部的横向。所述控制器可以根据在所述层间粘合层和所述上测试层的第一接合界面处、在所述层间粘合层和所述下测试层的第二接合界面处或者在所述第一接合界面和所述第二接合界面二者处的开裂扩展来计算能量释放率。
附图说明
通过参照附图详细描述本公开内容的示例性实施方式，本公开内容的实施方式的上述以及其他特征和有利特性将变得明显，其中：
图1A是示出用于测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力的受测器件的图，并且图1B和图1C是用于描绘测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力的方法的截面图；
图2是根据本公开内容的一实施方式用于描绘已施加载荷和层间粘合层的粘合力之间的关系的截面图；
图3A和图3B是示出根据本公开内容的不同实施方式的制备受测器件的方法的立体图；
图4A是根据实施方式的受测器件的截面图，并且图4B是基于有限元模拟示出图4A的受测器件的应力分布的图；
图5A是根据本公开内容的实施方式的载荷施加端头的分解立体图，图5B是图 5A的载荷施加端头的工作机构的截面图，并且图5C是根据本公开内容的另一实施方式的载荷施加端头的截面图；
图6是根据本公开内容的另一实施方式的载荷施加端头的分解立体图；
图7是示出根据本公开内容的实施方式的用于测量层间粘合层的粘合力的设备的图；
图8A至图8D是层叠半导体器件的截面图，根据一实施方式，可以通过使用悬伸部将测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力的方法应用于所述层叠半导体器件；
图9是根据一实施方式示出五个受测器件的载荷-位移曲线的图，每个受测器件都包括20μm厚的晶片附装膜；
图10是根据一实施方式示出五个受测器件的载荷-位移曲线的图，每个受测器件都包括10μm厚的晶片附装膜；并且
图11是根据一实施方式示出五个受测器件的载荷-位移曲线的图，每个受测器件都包括5μm厚的晶片附装膜。
具体实施方式
现在将参照附图更详细地描述本公开内容的实施方式。
然而，本公开内容的实施方式可以以许多不同的形式来实现，且不应解释为受限于文中列出的实施方式；相反，提供这些实施方式，是为了本公开内容是详尽且完整的，并且会将本公开内容的构思完全地传递给本领域技术人员。同时，文中所用的术语仅为了描述具体实施方式的目的，不旨在对实施方式进行限制。
此外，附图中层的厚度或尺寸可能为了便于解释和清楚起见被放大，并且相同的参考数字在附图中表示相同的元件。如文中所用的，术语“和/或”表示相关列出项目中的一个或多个项目的任意和所有组合。
文中所用的术语仅为了描述具体实施方式的目的，不旨在对实施方式进行限制。如文中所用的，单数形式“一”、“一个”以及“所述”旨在还包括复数形式，除非文中另有明确说明。还应理解，文中所用的术语“包括”表示存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、构件、部件和/或其组合，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、构件、部件和/或其组合。
应理解，当提到层“形成在另一层上”，该层可以直接形成在另一个层上或者可以在这两个层之间存在中间层。同样，当提到材料与另一材料相邻时，可以在这两个材料之间存在中间材料。相比之下，当提到材料或层“直接”形成在另一层或材料上或者与另一层或材料“直接”相邻或接触时，在这两个层或材料之间不存在中间材料或层。
包括“之上”、“之下”、“上”、“下”、“水平”和“竖直”的相对术语可以用来描述如在附图中所示的元件、层或者区域与另一元件、另一层或另一区域之间的关系。应理解，这些术语不限于附图中示出的方位。
文中所用的术语“器件层”例如是指半导体芯片、半导体晶片、晶圆、封装包、层叠结构及它们的组合中的任一者，电路——诸如模拟电路和/或数字电路(包括晶体管、存储单元、逻辑电路、开关电路、图像获取器件、传感器、滤波器或RF电路) ——形成在所述器件层。在本公开内容全文中，术语“基板”是指晶圆、引线框、晶片焊盘、中介层、印刷电路板或柔性电路板。另外，术语“基板”不限于所列出的器件层，并且它可以是在其表面上可以层叠器件层的任意结构。例如，由柔性聚合物绝缘层电绝缘的柔性膜型互联件可以属于基板，这是因为上述器件可以层叠在所述柔性膜型互联件的表面上。在本公开内容中，术语“测试层”可以指上述器件层、基板、具有两个或更多个基板的层叠基板、具有两个或更多个层的层叠器件层、或者具有至少一个器件层以及在该器件层上的至少一个基板的层叠结构。层叠器件层和层叠基板为多个相同类型或不同类型的层。层叠器件层和层叠基板还具有相同形状或尺寸或具有不同形状或尺寸。
图1A是示出用于测量层间粘合层AL的拉伸模式的粘合力的受测器件100的图，并且图1B和图1C是用于描绘测量层间粘合层AL的拉伸模式的粘合力的方法的截面图。
参见图1A，受测器件100包括层叠结构，该层叠结构包括第一测试层10和第二测试层20。第一测试层10和第二测试层20通过层间粘合层AL相互接合。第一测试层10和第二测试层20可以为相同类型的器件层，例如用于增加半导体器件的容量，或者可以为不同类型的器件层，例如用于实现复合半导体器件的***内封装(SIP)。在一实施方式中，第一测试层10和第二测试层20中的一者可以为半导体器件，而第一测试层10和第二测试层20中的另一者可以为基板。在另一实施方式中，第一测试层10和第二测试层20中的至少一者可以具有：包括两个或更多个半导体器件的层叠结构、包括两个或更多个基板的层叠结构、或者包括一个或多个半导体器件和一个或多个基板的层叠结构。
根据一实施方式，如果第一测试层10为第一半导体芯片，则第一测试层10的顶表面10Sa可以为有源表面，电子电路布置在该有源表面中。在一实施方式中，顶表面10Sa可以为图1A中示出的第一钝化层PL1的表面，第一钝化层PL1例如为包括氮化硅、二氧化硅或聚合物的电绝缘层。第一钝化层PL1不限于电绝缘件，并且第一钝化层PL1可以由磁屏蔽材料、热消散材料、隔热材料或其他合适材料制成。第一测试层10的底表面10Sb可以为第一半导体芯片的背表面。类似地，在一实施方式中，如果第二测试层20为第二半导体芯片，则第二测试层20的顶表面20Sa也可以为有源表面，第二钝化层PL2的表面在该有源表面上，而第二测试层20的底表面20Sb 可以为第二半导体芯片的背表面。在另一实施方式(未示出)中，第二测试层20的顶表面20Sa也可以为半导体芯片的背表面，而底表面20Sb可以为由钝化层保护的有源表面。
半导体芯片的包括钝化层的有源表面可以比裸露的硅表面更能抵抗拉伸应力。例如，如果钝化层包含聚合物(诸如聚酰亚胺、聚乙烯或聚丙烯)，有源表面比裸露的硅表面(该硅表面对应半导体芯片的底表面)更能抵抗拉伸应力。因此，如下所述的，测试层的在测量层间粘合层AL的拉伸模式的粘合力期间出现大拉伸应变的表面，例如，由载荷施加端头接触的表面，可以为半导体的有源表面，在该有源表面上形成有钝化层。
层间粘合层AL可以包括至少一个粘合膜(例如晶片附装膜)、至少一种粘合剂 (例如环氧树脂粘合剂、硅酮粘合剂或其他)或其组合。在一实施方式中，层间粘合层AL可以为适合用在超薄半导体封装中的晶片附装膜。层间粘合层AL不限于电绝缘件，并且可以包括用于在第一测试层10和第二测试层20之间进行电连接的导电材料和/或引线。另外，层间粘合层AL可以在第一测试层10和第二测试层20重叠的整个区域中展开。层间粘合层AL可以具有一个或多个按图案布置的通孔，用于电连接或用来使热量流(例如冷却流)通过。因此，层间粘合层AL可以局部展开，以使得第一测试层10和第二测试层20之间的重叠区域未完全由层间粘合层AL覆盖。
根据一实施方式，受测器件100可以为在制作半导体封装的过程期间的中间结构。例如，该中间结构可以为在将第一测试层10电连接至第二测试层20的引线接合过程之前的结构。在图1A中示出的实施方式中，电极垫EP1和EP2可以分别布置在第一测试层10和第二测试层20的端部。
根据一实施方式，第一测试层10的宽度可以不同于第二测试层20的宽度。图 1A示出了第一测试层10的在x轴方向上的宽度大于第二测试层20的在x轴方向上的宽度的实施方式。第一测试层10可以具有超过第二测试层20的对应边缘突出的部分，并且因而提供突出部分OV_1和OV_2。包括突出部分OV_1和OV_2的受测器件100可以为在制作层叠半导体器件期间获得的中间结构。以下将参照图8A至图8D 给出各种层叠半导体器件的详细描述。
在作为中间结构的包括突出部分OV_1和OV_2的受测器件100中，用于引线接合的第一电极垫EP1可以布置在突出部分OV_1或OV_2的顶表面上。类似地，第二电极垫EP2可以布置在第二测试层20上。电极垫EP1和EP2可以相互电连接，或者电极垫EP1和EP2每个都可以通过引线接合(例如使用图8A至图8D中示出的导电引线WB)电连接至其他芯片和/或基板。
包括突出部分OV_1和OV_2的受测器件100不限于从层叠半导体器件的生产获得的中间结构。受测器件100可以是为测试目的而有意制作的器件，或者可以是从生产运行中取样的器件。受测器件100可以为用于测量层间粘合层AL的拉伸模式的粘合力的测试载体。作为测试载体，受测器件100可以被制备为使得第一测试层10和第二测试层20中的一者具有一个或多个突出部分。用于测量拉伸模式的粘合力的、具有突出部分OV_1和OV_2的受测器件100可以通过使第一测试层10和第二测试层20相对于彼此旋转、平移或者翻转来制作，而不论第一测试层10和第二测试层 20是否具有相同尺寸和相同形状。以下将参照图3A和图3B给出详细描述。
图1A示出第一测试层10在x轴方向上延伸超过第二测试层20的两个相对边缘，并且包括突出部分OV_1和OV_2。然而，本公开内容的实施方式不限于此。例如，突出部分OV_1和OV_2可以在第一方向(例如图1A中示出的x轴方向)上延伸仅超过第二测试层20的第一对应边缘和/或在第二方向(例如图1A中示出的与x轴方向垂直的y轴方向)上延伸仅超过第二测试层20的第二对应边缘。突出部分(未示出)可以在两个方向(例如x轴方向和y轴方向)上平行于第二测试层20的顶表面 20Sa展开，以使得突出部分延伸超过第二测试层20的三个或四个边缘。换句话说，在各个实施方式中，一个或多个突出部分可以在一个或多个方向上延伸以悬伸于第二测试层20之上。另外，虽然未示出，但是第二测试层20还可以在x方向上延伸超过第一测试层10的边缘，以使得第二测试层20可以具有突出部分。
参见图1B，为了测量层间粘合层AL的粘合力，图1A的受测器件100可以上下颠倒，以使得图1A的包括突出部分OV_1和OV_2的第一测试层10变成图1B的上测试层TLU。因此，第一测试层10的突出部分OV_1和OV_2中的一个突出部分对应延伸超过下测试层TLL的边缘的悬伸部OV。在本公开内容中，悬伸部OV是指这样的突出部分，载荷施加端头300接触该突出部分并且向该突出部分施加载荷P，以用于测量层间粘合层AL的拉伸模式的粘合力。
在下文中，如图1B所示，对应图1A的第一测试层10的层(在测量拉伸模式的粘合力期间，第一测试层10被提供作为受测器件100的顶层并包括悬伸部OV)将被称为上测试层TLU，而对应图1A的第二测试层20的层(第二测试层20布置在上测试层TLU之下)将被称为下测试层TLL。
为了测量层间粘合层AL的拉伸模式的粘合力，受测器件100的下测试层TLL 的底表面TLLSb(底表面TLLSb对应于图1A的第二测试层20的顶表面20Sa)可以固定在安装元件上。安装元件可以是安装台200，安装台200可以包括金属块或架子。安装台200可以机械地固定受测器件100。在一实施方式中，受测器件100可以通过将固定粘合元件(或者固定粘合层)AL’布置在下测试层TLL的底表面TLLSb和安装台200的顶表面之间而固定在安装台200上。固定粘合元件AL’可以包括牢固且强力的粘合材料，该粘合材料具有比层间粘合层AL更大的拉伸模式的粘合力和更大的剪切模式的粘合力。固定粘合元件AL’的变形在测量拉伸模式的粘合力期间小得不足以影响上测试层TLU的柔量(compliance)。在一实施方式中，固定粘合元件AL’可以为环氧树脂粘合剂或双面胶带。
参照图1C与图1B，如箭头K所指示的，通过在第三方向(例如z轴方向)上移动载荷施加端头300而向上测试层TLU的悬伸部OV的底表面OVSb施加载荷P。在z轴方向上移动的载荷施加端头300接触悬伸部OV的底表面OVSb，并且在基本垂直的方向上向悬伸部OV的底表面OVSb施加载荷P。随着载荷P向上推动上测试层TLU的悬伸部OV，向布置在上测试层TLU和下测试层TLL之间的层间粘合层 AL施加拉伸应力σ，如图1C所示。上测试层TLU可以经受因悬伸部OV的弯曲而引起的变形。此外，如果载荷P增加，可以在上测试层TLU和下测试层TLL之间的粘合界面处产生开裂。可能产生这种开裂的位置可能根据上测试层TLU、下测试层TLL和层间粘合层AL的材料属性或根据层间粘合层AL相对于上测试层TLU和下测试层TLL的粘合力而变化。例如，如图1C所示，可能在层间粘合层AL和上测试层TLU之间产生开裂。在其他实施方式中，可能在层间粘合层AL和下测试层TLL 之间或在在层间粘合层AL内部产生开裂。术语“开裂”在此用来描述因拉伸试验而导致的各种失效模式，这些失效模式包括：粘合元件和半导体元件之间的粘合接合的失效；以及粘合元件内部的机械分离或分层。
开裂可以从在上测试层TLU和下测试层TLL之间的重叠区域的边缘部分IP穿过粘合界面的内侧扩展，如箭头M所指示的。开裂可以从在上测试层TLU和下测试层TLL之间的重叠区域的边缘部分IP经由层间粘合层AL穿过粘合界面的内侧扩展，如箭头M所指示的。重叠区域的边缘部分IP可以为在上测试层TLU和下测试层TLL 之间的重叠区域的一部分，并且边缘部分可以与悬伸部OV相邻。在图1C中示出的直角坐标系中，开裂可以在垂直于z轴方向的x轴方向上扩展，载荷P是在z轴方向上施加的。在本公开内容的下文中，x轴方向(或第一方向)也可以被称为悬伸部 OV的纵向(或者上测试层TLU的纵向)，而y轴方向(或第二方向)也可以被称为悬伸部OV的横向(或者上测试层TLU的横向)。在一实施方式中，悬伸部OV的纵向长度大于悬伸部OV的横向长度。
参考标记DA和TA分别是指在上测试层TLU和下测试层TLL之间的开裂区域和未开裂区域(即接合区域)。载荷P在开始开裂之后逐渐减小，并且如下所述的，可以通过使用基于开裂扩展的能量释放率Gc来计算层间粘合层AL的粘合力。
当悬伸部OV弯曲时，在悬伸部OV的顶表面OVSa上出现压缩应力，而在悬伸部OV的底表面OVSb上出现拉伸应力。通常，相比压缩应力，半导体芯片更易受到拉伸应力的伤害。因此，可能期望悬伸部OV的施加有拉伸应力的底表面OVSb得到增强以变得更抗拉伸变形。例如，悬伸部OV的底表面可以为半导体芯片的由钝化层 PL增强的有源表面。为此，受测器件100可以如图1B所示上下颠倒，从而可以进行拉伸模式的粘合力的测量。
在一实施方式中，类似于钝化层PL的额外增强层可以形成在悬伸部OV的底表面OVSb上。在一实施方式中，当受测器件100为测试载体时，类似于钝化层PL的增强层可以有意地形成在悬伸部OV的底表面OVSb上，从而可以使悬伸部OV的底表面OVSb更抗拉伸变形。增强层可以包括聚合树脂材料、氧化物或者氮化物。增强层可能在载荷施加端头300按压增强层时不严重变形。由于层间粘合层的粘合力可以根据增强层的材料而变化，所以可以选择具体材料作为用于测量粘合力的基准。
载荷施加端头300为移动部件，诸如为可以接触上测试层TLU的悬伸部OV的底表面OVSb的夹具或杆。为了施加载荷P，载荷施加端头300在底表面OVSb上施加预定力。载荷施加端头300可以在向悬伸部OV的底表面OVSb施加载荷P的同时与底表面OVSb保持接触。
在一实施方式中，如图1B和图1C所示，载荷施加端部300可以包括突出部分 300P，突出部分300P具有与悬伸部OV的底表面OVSb接触的凸形弯曲表面300PS。突出部分300P可以在悬伸部OV的横向或y轴方向上延伸，从而在突出部分300P 和悬伸部OV的底表面OVSb之间产生线接触。在另一实施方式中，突出部分300P 可以被设计为在突出部分300P和悬伸部OV的底表面OVSb之间产生面接触，而不是线接触。换句话说，拉伸载荷可以通过接触点、线性接触面或二维接触面施加至底表面OVSb。优选地，在一实施方式中，突出部分300P和悬伸部的底表面OVSb之间的接触界面为在第二方向(y方向，即悬伸部的横向)上延伸的线性接触界面。
在悬伸部OV由载荷P弯曲的同时，在悬伸部OV的底表面OVSb和载荷施加端部300的突出部分300P之间的接触区域(例如线接触区域)可以在x轴方向上沿着载荷施加端部300的表面300PS微小地移动，由此减小或消除对弯曲的悬伸部OV的柔量的影响。
图2是根据本公开内容的一实施方式用于描绘已施加载荷P和层间粘合层AL的粘合力之间的关系的截面图。
参照图2，可以根据欧拉-伯努利梁理论或文克尔地基模型来描述包括悬伸部OV的上测试层TLU在载荷施加端部300在z轴方向上竖直地施加载荷P并移动距离δ时的变形。在图2中，参考标记a，c和k分别表示开裂长度、未开裂结合长度以及基础模量。在图2示出的该实施方式中，可以根据公式1从上测试层TLU的变形来计算能量释放率Gc。
[公式1]
Figure GDA0002400953450000121
在公式1中，Pc表示临界载荷，a表示开裂长度，b表示悬伸部OV在垂直于图 2的x和z方向的方向上的长度，并且C表示上测试层TLU的柔量。可以根据公式2 获得柔量。
[公式2]
Figure GDA0002400953450000122
在公式2中，波数λ和基础模量k可以分别根据公式3和公式4获得。
[公式3]
Figure GDA0002400953450000123
[公式4]
Figure GDA0002400953450000124
在公式4中，E和v分别表示弹性模量和泊松比，t表示厚度。下标f和s分别表示层间粘合层AL和用作悬臂梁的上测试层TLU。根据上述公式，公式1的能量释放率可以如下所示以公式5表达。
[公式5]
Figure GDA0002400953450000131
根据公式5，可以确定根据开裂扩展的能量释放率Gc并且可以获得层间粘合层 AL的粘合力。能量释放率Gc的单位为J/mm2，能量释放率Gc表示层间粘合层AL 的粘合力。
图3A和图3B是示出根据本公开内容的各个实施方式的提供受测器件100A和 100B的方法的立体图。
参见图3A，为了提供根据一实施方式的具有第一悬伸部OV的受测器件100A，可以对第一测试层和第二测试层执行旋转过程、平移过程或者翻转过程。例如，可以具有相同宽度、相同长度和相同形状(例如长方体形状)的第一测试层和第二测试层可以相对于彼此旋转某一角度(例如90°)或者线性平移某一距离，然后翻转，以使得第一测试层和第二测试层中的一者可以对应提供了受测器件100A的第一悬伸部 OV的上测试层TLU。换句话说，在一些实施方式中，层叠半导体器件的各个层的取向可以相对于生产型器件的标称取向被调整，以提供一个或多个悬伸部OV。第一悬伸部OV可以在与施加载荷P时开裂扩展的方向平行的x轴方向(或第一悬伸部OV 的纵向)上具有长度I，并且在与x轴方向垂直的y轴方向(或第一悬伸部OV的横向)上具有长度d。
在一实施方式中，可以通过上下颠倒第一测试层和第二测试层的竖直堆或者翻转该堆来将原始布置在另一层之下的层布置在另一层之上，由此提供受测器件100A的悬伸单元OV。在一实施方式中，悬伸部OV的底表面OVSb可以包括钝化层或抗拉伸变形和撞击的增强层。
旋转过程、平移过程或翻转过程可以是用于制作层叠半导体封装的过程。因此，根据本公开内容的一实施方式的受测器件100A可以为最终产品之前的中间结构。
通过对第一测试层和第二测试层执行上述过程，如图3A所示，上测试层TLU 布置在下测试层TLL上以具有悬伸部OV。上测试层TLU和下测试层TLL的相互面对的表面通过使用层间粘合层AL而接合在一起以确定层间粘合层AL的粘合力，由此提供具有悬伸部OV的受测器件100A。接下来，可以通过在z轴方向(即竖直向上方向)上向悬伸部OV的底表面OVSb施加载荷来确定层间粘合层AL的粘合力。为此，例如，下测试层TLL的底表面TLLSb可以固定至图1A的安装台200，并且载荷可以施加至上测试层TLU的悬伸部OV的底表面OVSb，然后可以确定层间粘合层AL的粘合力。
根据另一实施方式，为了通过向下测试层TLL的第二悬伸部OV’施加载荷来确定层间粘合层AL的粘合力，可以上下颠倒图3A中示出的受测器件100A。在这种情况下，受测器件100A的上测试层TLU的顶表面TLUSa可以固定到安装台上。然后，可以向下测试层TLL的第二悬伸部OV’的下表面施加载荷，以测量层间粘合层AL 的拉伸模式的粘合力。
参见图3B，受测器件100B可以包括经由层间粘合层AL相互组合并具有不同尺寸和形状的测试层。例如，受测器件100B可以为由不同类型的器件层组成的层叠结构或者为由器件层和基板组成的层叠结构。图3B示出在上下颠倒受测器件100B以施加载荷来确定层间粘合层AL的粘合力之前的受测器件100B。因此，当受测器件 100B如由箭头“翻转”所示翻转时，层叠结构的底层变成上测试层TLU，并且上测试层TLU的突出部分对应适用于评估拉伸模式的粘合力的悬伸部OV。在这种情况下，载荷施加端头会接触悬伸部OV的底表面OVSb，并且将测量层间粘合层AL的拉伸模式的粘合力。
如果受测器件的测试层如图3B所示具有不同尺寸和形状，则用于执行过程(诸如旋转过程、平移过程、翻转过程或其组合)以制备悬伸部OA的自由度可能增加。因此，受测器件100B的层叠结构以及用于测量层间粘合层AL的粘合力的悬伸部OV 的形状和尺寸可能以多种不同构造提供。
图4A是根据一实施方式的受测器件100的截面图，并且图4B是基于有限元模拟示出图4A的受测器件100的应力分布的图。
参见图4A，沿平行于y轴方向(例如图3A的悬伸部OA的横向)的直线III-III’示出了受测器件100的截面图。直线III-III’是平行于上测试层TLU的悬伸部OV和下测试层TLL的图3A的边缘TLL_EG之间的交叉线的直线。受测器件100可以具有楔形结构(其中基层宽于顶层，如图4A所示)，以使得在向上测试层TLU的悬伸部OV的底表面施加在载荷时，可以容易地出现初始层间开裂。
在楔形结构中，下测试层TLL的边缘TLL_EG的长度L大于上测试层TLU的悬伸部OV的长度d。楔形结构的实施例在图4B中示出。通常，如果层间粘合层AL 的粘合力高，则难于使得上测试层TLU或下测试层TLL与层间粘合层AL分离。因此，为了便于测量层间粘合层AL的粘合力，可能期望使得初始开裂容易地出现在上测试层TLU和下测试层TLL的界面区域处。
楔形结构可以将应力集中在楔形结构的两个端部IP，这两个端部IP对应在上测试层TLU的悬伸部OV的底表面和下测试层TLL的边缘TLL_EG之间的交叉线的两个端部。应力集中有利于层间粘合层Al的初始开裂的形成，并且因此变得容易根据开裂的扩展测量层间粘合层AL的粘合力。
参照图4B，示出了与在上测试层TLU的悬伸部OV的底表面和下测试层TLL 的边缘TLL_EG之间的交叉线邻近的应力分布。应力大小在由箭头H所示的方向上增加。在此，越靠近这两个端部IP，应力线变得越密。由于集中在楔形结构的这两个端部IP处的应力较高，所以可能易于在这两个端部IP处产生开裂。因此，楔形结构容易导致受测器件100的初始开裂，并且因而可以容易地测量层间粘合层AL的粘合力。
图5A是根据一实施方式的载荷施加端头300A的分解立体图，图5B是图5A的载荷施加端头300A的工作机构的截面图，并且图5C是根据另一实施方式的载荷施加端头300B的截面图。
参照图5A和图5B，载荷施加端头300A包括支撑元件(或支架)300S和基座元件(或基座)300L。基座元件300L安装在支撑元件300S上并且与支撑元件300S 分离，从而基座元件300L可以相对于支撑元件300S倾斜。基座元件300L接触悬伸部OV的底表面，以向上测试层的悬伸部OV施加竖直向上的载荷。参考数字300P 是指被构造为从外部动力装置(例如马达)向悬伸部OV的底表面传递力并且使载荷施加端头300A移动的连接部或夹紧部。
载荷施加端头300A可以包括设置在支撑元件300S和基座元件300L之间的倾斜支撑部310。例如，倾斜支撑部310可以为支撑元件300S或基座元件300L的一部分。在一实施方式中，倾斜支撑部310可以设置在基座元件300L的底表面上，如图5A 所示。在该实施方式中，倾斜支撑部310可以与基座元件300L的底表面成一体。
倾斜支撑部310的截面的至少一部分——该截面平行于z-y平面或者垂直于层间粘合层的开裂随着施加载荷P而扩展的方向(例如x轴方向或者悬伸部的纵向)——为具有预定曲率的弧形，并且该弧形可以在x轴方向上延伸。倾斜支撑部310用作由支撑元件300S和基座元件300L形成的杠杆的支点，以使得载荷施加端头300A的基座元件300L可以像跷跷板一样倾斜。如果倾斜支撑部310的截面为弧形，则弧心角θ可以为180°。然而，这仅是实施例，并且弧心角θ可以大于0°且小于或等于180°。
支撑元件300S可以还包括沟槽320，沟槽320容纳倾斜支撑部310并且允许倾斜支撑部310围绕x轴旋转，以使得基座元件300L可以倾斜。在一实施方式中，沟槽320可以具有与倾斜支撑部310的弧的曲率基本相同的曲率。在该实施方式中，沟槽320可以像倾斜支撑部310一样在x轴方向上延伸。
在一实施方式中，如箭头E所示，通过将基座元件300L放置在支撑元件300S 上，基座元件300L的倾斜支撑部310配合支撑元件300S的沟槽320，并且因而基座元件300L可以与支撑元件300S组合并且构造为围绕作为中心旋转轴线的x轴倾斜。在一实施方式中，倾斜支撑部310和沟槽320可以穿过基座元件300L的质量中心。
如图1C所示，为了精确地在竖直向上方向(例如z轴方向)上向悬伸部OV施加载荷P并且准确地测量上测试层TLU的柔量，期望在将受测器件100固定到安装元件 200上时准确地对齐受测器件100。在制作受测器件100或将受测器件100固定到安装台200上时，受测器件100可能偶然是倾斜的，并且更具体地，悬伸部OV可能是倾斜的，因而受测器件100可能未被精确对齐。
可以通过适当地调整测量设备基本防止悬伸部OV围绕y轴或z轴的倾斜影响粘合力的测量值。然而，由于层间粘合层AL的厚度变化，悬伸部OV可能围绕x轴倾斜。在这种情况下，悬伸部OV围绕x轴的倾斜导致载荷施加端头300和悬伸部OV 的底表面OVSb之间的接触区域在y轴方向上不均匀，由此妨碍精确地在竖直向上方向(例如z轴方向)上向悬伸部OV施加载荷P。因此，期望减小或补偿在测量拉伸模式的粘合力期间悬伸部OV围绕x轴的这种倾斜。
如图5B所示，如果悬伸部OV围绕作为中心旋转轴线的x轴倾斜，则根据一实施方式的载荷施加端头300A的基座元件300L围绕x轴倾斜以补偿悬伸部OV围绕x 轴的倾斜角，由此补偿围绕x轴倾斜的受测器件100的不对齐。因此，可以精确地在正交于粘合界面的方向上向悬伸部OV施加载荷P，该方向可以是竖直向上方向(例如z轴方向)。
在一实施方式中，为了使基座元件300L顺畅地倾斜，倾斜支撑部310的高度可以大于沟槽320的深度以在基座元件300L的底表面和支撑元件300S的顶表面之间提供间隙G。例如，间隙G可以在从大约50μm到大约700μm的范围内。
虽然未示出，但是根据另一实施方式，与图5A中示出的结构不同，具有第一弧形部的沟槽可以形成在基座元件300L的底表面上，并且具有第二弧形部以配合所述沟槽的倾斜支撑部可以设置在支撑元件300S的顶表面上。在该实施方式中，倾斜支撑部可以与支撑元件300S的顶表面成一体。
参见图5C，根据一实施方式的载荷施加端头300B的倾斜支撑部310’的截面平行于z-y平面并且垂直于层间粘合层的开裂随着施加载荷P扩展的方向(例如x轴方向或者悬伸部的纵向)，并且可以为具有预定曲率的弧形。在该实施方式中，倾斜支撑部310’可以为具有在x轴方向延伸的中心轴线CM的圆柱形，该圆柱形具有预定半径。在该实施方式中，沟槽部320a和320b——沟槽部320a和320b容纳倾斜支撑部310’并且允许倾斜支撑部310’相对于基座元件300L的底表面和支撑元件300S的顶表面移动——可以分别形成在基座元件300L的底表面上和支撑元件300S的顶表面上。沟槽320a和320b的曲率可以与倾斜支撑部310’的曲率基本相等。
在以上参照图5A至图5C描述的实施方式中，用于减小或基本消除倾斜支撑部 310或310’和沟槽320，320a或320b之间的摩擦的润滑界面可以设置在倾斜支撑部 310或310’和沟槽320，320a或320b之间的界面上。在一实施方式中，还可以在支撑元件300S和基座元件300L的至少一者上设置轴承。
基座元件300L可以包括具有凸形弯曲表面300PS的突出部分300P1。为了提供突出部分300P1，基座元件300L的整个顶表面可以为凸形弯曲表面300PS。图5A示出了为半圆柱形的突出部分300P1。突出部分300P1的凸形弯曲表面300PS可以确保载荷施加端头300A和悬伸部OV之间的线性接触界面，其中所述线性界面在y轴方向上延伸。
在一实施方式中，突出部分300P1的至少一部分可以具有具有预定曲率的弯曲表面。在一实施方式中，当悬伸部OV弯曲时，突出部分300P1可以减小或消除对弯曲的悬伸部OV的柔量的影响，这是因为悬伸部OV的底表面OVSb和载荷施加端头 300的突出部分300P1之间的接触区域(即在y轴方向上延伸的直线)沿着表面300PS 微小地移动。
图6是根据本公开内容的另一实施方式的载荷施加端头300C的分解立体图。
参见图6，载荷施加端头300C包括支撑元件300S和基座元件300L’，基座元件300L’以能够倾斜的方式安装在支撑元件300S上。载荷施加端头300C包括倾斜支撑部310和沟槽320，以使得基座元件300L’倾斜以补偿悬伸部围绕x轴的倾斜。
具有凸形弯曲表面300PS的突出部分或凸起部300P2可以布置在基座元件300L’的顶表面300SU的一部分上。突出部分300P2的平行于z-y平面的截面形状不可能是水平对称的。突出部分300P2可以在y轴方向(或者悬伸部的横向)上延伸，并且凸形弯曲表面300PS可以是这样的弯曲表面，该弯曲表面的曲率适合于确保在y轴方向上在突出部分300P2和悬伸部(例如图1C的弯曲悬伸部OV)之间的线性界面。在另一实施方式中，虽然未示出，突出部分300P2的表面300PS可以被设计为产生在突出部分300P2和悬伸部的至少一部分之间的面接触。另外，如在图5A中所示，突出部分300P2可以被修改为具有弧形的凸形弯曲表面或者具有弧形，以使得突出部分 300P2的平行于y-平面的截面是水平对称的。
倾斜支撑部的实施方式不限于参照图5A至图6上面描述的实施方式。在另一实施方式中，倾斜支撑部可以为可以像杠杆支点一样工作的间隔件以产生基座元件 300L或300L’的倾斜，从而补偿悬伸部的倾斜。例如，具有鳍状结构的间隔件可以设置作为支撑元件300S的杠杆支点，并且基座元件300L的质量中心可以以可旋转的方式附接至该鳍状结构的顶部。换句话说，在另一实施方式中，基座元件300L可以围绕直线支点枢转。
图7是示出根据一实施方式的用于测量层间粘合层的粘合力的设备1000的图。
参见图7，设备100可以包括：安装元件200，该安装元件固定受测器件100；载荷施加端头300，该载荷施加端头可以接触悬伸部OV的底表面以向受测器件100 施加拉伸模式的载荷；位置调节器400，该位置调节器移动载荷施加端头300以通过在预定方向(例如z轴方向)上推动受测器件100的悬伸单元OV的底表面来施加载荷；以及测压元件500，该测压元件检测施加到载荷施加端头300的载荷。
在一实施方式中，测量设备1000还可以包括显示器600，该显示器用于显示与施加到测压元件500的载荷有关的信息，该显示器可以为液晶显示器(LCD)元件或有机/无机发光二极管(LED)显示器。另外，设备1000还可以包括控制器700，该控制器控制位置调节器400、测压元件500和显示器600的运行。显示器600和控制器700可以被包含在单个计算机***800中。然而，实施方式不限于此。在另一实施方式中，控制器700和显示器600可以分离地位于远程位置，并且控制器700和显示器600每个都可以为由通过网络相互连接的多个电子器件组成的云资源。
安装元件(或安装台)200不限于固定台。例如，安装元件200可以为在两个维度上(例如在x轴方向和y轴方向上)能够移动以使受测器件100和载荷施加端头 300对齐的台。载荷施加端头300可以包括参照图5A至图6如上所述的能够倾斜的结构。
位置调节器400可以包括：电机，诸如伺服电机，用于精确的位置控制；合适的传动装置，诸如螺杆，用于将电机的旋转运动转换成线性运动；以及固定元件，诸如卡盘，用于固定载荷施加端头300。位置调节器400可以与载荷施加端头300组合并且例如在z轴方向上来回移动载荷施加端头300，以使得载荷施加端头300与受测器件100的悬伸部OV的底表面接触或分离。因此，根据一实施方式，可以在测量拉伸模式的粘合力期间在未将载荷施加端头300固定至受测器件的情况下测量层间粘合层AL的粘合力。
在一实施方式中，还可以设置检测载荷施加端头300的位移的位置传感器。例如，位置传感器可以为使用包括激光发射器和光接收器的阵列的激光位移测量传感器。替代地，用于监视悬伸部OV的变形的光学摄像机可以与设备1000组合。
测压元件500可以固定至支架900，例如台架，并且可以与载荷施加端头300组合。测压元件500可以包括换能器，该换能器测量通过将诸如力或载荷的物理量转换成电信号来测量力或载荷。换能器可以为弹性元件或者应变仪，该弹性元件或者应变仪通过使用根据弹性元件或应变仪的变形而改变的电阻值基于电信号的变化来检测载荷大小。换能器可以为压电元件，该压电元件通过使用根据变形而改变的电容值基于电信号的变化来检测载荷大小。
控制器700可以为：硬件，诸如电子控制单元(ECU)或者微控制单元(MCU)；在硬件上执行的软件；或者硬件和软件的组合。在一实施方式中，控制单元700还可以包括被构造为放大信号和/或过滤噪音的电路，或者控制单元700可以连接至加热设备、温度检测传感器或者湿度传感器，所述加热设备、温度检测传感器或者湿度传感器布置在外部以在测量层间粘合层AL的拉伸模式的粘合力期间控制诸如温度或湿度的环境条件。在一实施方式中，控制器700根据在层间粘合层和上或下测试层之间的接合界面处的开裂扩展计算能量释放率。
图8A至图8D是层叠半导体器件100K1、100K2、100K3和100K4的截面图，可以根据一实施方式通过使用悬伸部将测量层间粘合层AL1、AL2的拉伸模式的粘合力的方法应用于所述层叠半导体器件。
在图8A的层叠半导体结构100K1中，四个器件层20以梯级或台阶形层叠在基板10上。
在图8B的层叠半导体结构100K2中，器件层200交替地层叠。在图8C的层叠半导体结构100K3中，器件层20使用中介层25交替地层叠，所述中介层为间隔基板。作为非限制性实施例，层间粘合层AL2可以为晶片附装膜。晶片附装膜可以制备在相邻层叠的两个器件层中的一个上，之后锯开或切开加工的晶圆或者中间封装包结构以制作单个的器件层20，例如芯片或封装。
在图8C的层叠半导体结构100K3中，参考数字26表示将层叠半导体结构连接至外部电路的电极(例如锡球)。器件层20，20’层叠或者使用中介层25层叠，以使得器件层20和20’露出了通过引线WB相互连接的电极极板。作为非限制性实施例，下器件层20’可以通过使用倒装晶片层叠技术经由晶片附装膜AL2布置在基板上。在一实施例中，下器件层20’可以合适的通孔导体，例如贯通的硅通孔，用于将器件层连接至导电引线WB。
在另一实施例中，在图8D的层叠半导体结构100K4中，器件层20可以层叠在基板10的两侧。在一个实施方式中，下器件层20’可以设有通过使用倒装芯片技术安装在基板10上的倒装芯片20a。
根据本发明的各个实施方式，通过参照图8A至图8D所公开的上述实施例的任意特征、结构或层叠方法可以独立地或与其他特征、结构或层叠方法组合地实施，并且本发明的实施方式不应解释为限于图8A至图8D中的实施方式。在根据本发明的各个实施方式中，至少一个悬伸部OA可以由至少一个器件层20和20’或者基板10 提供，以使得可以通过使用所述至少一个悬伸部OA来执行对层间粘合层AL1或AL2 的拉伸模式的粘合力的测量。
根据一实施方式，层间粘合层AL1或AL2的拉伸模式的粘合力的测量可以用于基于合格/不合格测试的产品检验，例如通过对从示出的层叠半导体结构100K1、 100K2、100K3和100K4获得的预制线接合层叠半导体结构中的一些进行采样。在另一实施方式中，用于测量层间粘合层AL1或AL2的拉伸模式的粘合力的受测器件可以制备为测试载体，该测试载体具有与最终半导体器件的尺寸相同或类似的尺寸。实施方式不限于上述的层叠半导体结构，并且可以通过考虑各种因素(包括减小形状系数、减小功率消耗等)来进行各种修改。例如，层叠半导体器件可以不限于具有使用引线接合的电连接，但是可以具有使用硅通孔(TSV)的三维层叠结构。
下文中，将基于从上述实施方式中选出的实施方式来描述本公开内容的特性和有益特性。以下描述仅是示例性的，并且本公开内容的实施方式不限于此。
试验性实施例
两个硅芯片被制备作为三个测试组DUT A1-DUT A5、DUT B1-DUT B5和DUT C1-DUTC5中每个测试组的下测试层和上测试层，每个测试组包括五个受测器件。硅芯片是矩形芯片，所述矩形芯片是通过对硅晶圆执行背面磨削过程以将硅晶圆的厚度减小至550μm并且通过将抛光的硅晶圆切割成每个尺寸为9.6mm×15.2mm的芯片。厚度为4.5μm的聚酰亚胺钝化层施加至硅芯片的顶表面，该顶表面为有源表面。下测试层安装在印刷电路板上，上测试层旋转90°，然后层叠在下测试层上。结果，在上测试层上提供了悬伸部。上测试层和下测试层通过使用晶片附装膜相互组合并且在150℃热硬化2小时。
在层叠的受测器件与印刷电路板分离之后，受测器件上下颠倒并且通过使用由3M销售的SCOTCH-WELDTM环氧树脂粘合剂粘附于铝块，该铝块对应安装元件。为了使环氧树脂粘合剂活化，在60℃执行热硬化操作大约四小时。结果，制作了多个受测器件。
各自布置在各个受测器件的对应下测试层和对应上测试层之间的晶片附装膜的厚度为20μm(DUT A1-DUT A5)、10μm(DUT B1-DUT B5)和5μm(DUT C1-DUT C5)。在室温(25℃)测量晶片附装膜的粘合力。通过使用由Seiko提供的动态机械分析仪 EXSTAR 6000来测量晶片附装膜的机械性能。晶片附装膜的弹性模量和泊松比分别为1.05GPa和0.3，并且晶片附装膜的玻璃态转变温度为43℃。通过假定在(100) 晶圆在方向[110]上弯曲时具有机械性能的各向同性测量来简化硅芯片的材料各向异性，其中硅芯片的弹性模量和泊松比分别为169GPa和0.064。
使用如图5A所示的具有能够倾斜的结构的载荷施加端头300A。载荷施加端头300A的基座元件300L的突出部分300P1具有半径为大约0.75mm的半圆柱体形状。基座元件300L可以具有大约3.5mm的高度(z-方向)以及大约3.0mm的宽度(x- 方向)以在施加载荷期间具有足够刚性。载荷施加端头300A在竖直向上方向上(例如在z方向上)移动，并且向受测器件的悬伸部的底表面施加载荷，其中以10μm/s 的速度施加载荷。
图9是根据试验性实施例示出五个受测器件DUT A1-DUT A5的载荷-位移曲线的图，每个受测器件都包括20μm厚的晶片附装膜。x轴的值对应载荷施加端头的位移，而y轴的值对应已施加载荷的大小。
参见图9，已施加载荷随着载荷施加端头移动而线性增加，而观察到两次载荷下降。在载荷为28N以及位移为大约11μm时，观察到第一次载荷下降或者不可逆应变，并且该不可逆应变可以表示在接合界面出现开裂。随着位移在此之后增加，开裂在接合界面处扩展，并且观察到第二次弹性斜坡。接下来，观察到第二次载荷下降，并且接合界面处的开裂进一步扩展。第二次载荷下降可能是由于在悬伸部中出现开裂，所述开裂由层间粘合层的严重变形或塑性变形导致。
层间粘合层的拉伸模式的粘合力可以被限定为在开裂开始或者开裂中止时刻期间的能量释放率。然而，在实际的受测器件的情况下，在开裂开始期间的能量释放率可以不仅反映界面的粘合力而且反映与塑性相关的因素。因此，在开裂中止时刻期间的能量释放率可能比在开裂开始期间测量的能量释放率更适合于确定层间粘合层的拉伸模式的粘合力。
另外，根据层间粘合层的各种参数(包括厚度或尺寸)，开裂开始和开裂中止可以出现一次或多次。因此，为了使量化测量标准化，层间粘合层的粘合力可以被限定为在第一次开裂中止时刻的能量释放率，所述第一开裂中止时刻是出现初始开裂中止的时刻。
在一实施方式中，层间粘合层的拉伸模式的粘合力可以被限定为开裂开始时刻的能量释放率。在一实施方式中，拉伸模式的粘合力可以被限定为在开裂中止时刻的能量释放率。拉伸模式的粘合力可以被限定为在初始开裂中止时刻(或者第一次开裂中止时刻)的能量释放率。下面将更详细地描述初始开裂中止时刻的确定。
表1示出了从受测器件DUT A1-DUT A5测量的柔量、长度和能量释放率的值，每个受测器件包括20μm厚的晶片附装膜。参见表1，开裂长度可以根据公式2和测得的柔量值确定。在开裂中止时刻的临界载荷(在公式1中被称为基准特性“Pc”) 可以从载荷减小线和后续柔量线之间的交叉点获得。例如，当获得在第一载荷减小线和第二载荷增加线之间的交叉点IC时，交叉点IC处的载荷值对应于在第一次开裂中止时刻的初始临界载荷或初始能量释放率。接下来，可以根据上面的公式5计算能量释放率。
【表1】
Figure GDA0002400953450000231
参见表1，在对应的第一次开裂中止时刻的能量释放率的平均值为2.875mJ/mm2。在第一次开裂中止时刻的标准差的小值(即0.039)以及变异系数CV的小值(即0.014) 表示对粘合力进行了可靠测量。开裂长度在从大约6.56mm到大约7.39mm的范围内变化。在对应的第一次开裂开始期限处的能量释放率的平均值为10.161mJ/mm2，该平均值比在第一次开裂中止期限处的能量释放率的平均值大得多。在第一次开裂开始时刻测得的能量释放率比在第一次开裂中止时刻测得的能量释放率高的原因是：由受测器件的塑性变形引起的额外能量释放率对在第一次开裂开始时刻测得的能量释放率具有累积影响。另外，在第一次开裂开始时刻的能量释放率的CV值比在第一次开裂中止时刻的能量释放率的CV值大大约8.7倍。
图10是根据一实施方式示出五个受测器件DUT B1-DUT B5的载荷-位移曲线的图，每个受测器件都包括10μm厚的晶片附装膜。表2示出了从受测器件DUT B1-DUT B5测量的柔量、长度和能量释放率。
参见图10，观察到三次载荷下降。与图9的载荷下降相比，第一次载荷下载的峰值低，在第一次开裂开始时刻的开裂长度较小。参见表2，在对应的第一次开裂中止时刻的能量释放率的平均值为2.48mJ/mm2，该平均值小于图9的受测器件DUT A1-DUT A5的平均值。在对应的第二次开裂开始时刻的能量释放率的平均值为2.53 mJ/mm2，该平均值与在第一次开裂中止时刻的平均值基本相等。
【表2】
Figure GDA0002400953450000241
图11是根据一实施方式示出五个受测器件DUT C1-DUT C5的载荷-位移曲线的图，每个受测器件都包括5μm厚的晶片附装膜。表3示出了从受测器件DUT C1-DUT C5测量的柔量、长度和能量释放率。
参见图11，类似于图9的受测器件DUT A1-DUT A5，观察到两次载荷下降。然而，在第一次载荷下降时观察到十分高的约为35N的载荷，并且在对应的第一次开裂中止时刻观察到更高的为3.51mJ/mm2的能量释放率的平均值。另外，在第二次载荷下降出现之前，观察到明显的非线性表现。
【表3】
Figure GDA0002400953450000242
在上面参照图9至图11描述的试验性实施例中，从通过应用文克尔地基模型测得的柔量来计算三种类型的受测器件的开裂长度。观察到两次或三次载荷下降，并且在第一次开裂中止时刻测得的粘合力对于包括20μm、10μm和50μm厚的晶片附装膜的受测器件来说分别为2.88mJ/mm2、2.48mJ/mm2和3.51mJ/mm2。如上所述，根据本公开内容的一实施方式，测量拉伸模式的粘合力的方法使得能够独立于开裂长度测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力。
如上面在试验性实施方式中所示的，能量释放率Gc可以在开裂中止时刻测量，以使得诸如非线性变形或塑性变形的不利影响可能不显著。另外，能量释放率可以在第一开裂中止时刻测量。根据本公开内容的实施方式，测量拉伸模式的粘合力的方法使得能够独立于开裂长度测量层间粘合层的拉伸模式的粘合力。
在本发明的示例性实施方式中，层间粘合层的拉伸模式的粘合力通过如下步骤确定：提供受测器件的上测试层处的悬伸部；在竖直方向上向所述悬伸部的露出的底表面施加载荷；以及基于在上测试层和下测试层之间的接合界面处的开裂扩展来计算能量释放率。因此，层间粘合层的粘合力和可靠性可以通过向悬伸部的底表面施加载荷而不是将单独的夹具机械地固定在上测试层的上表面上来定量地测量。另外，包括具有悬伸部的上测试层的受测器件可以为在制作常见的层叠半导体封装的过程期间形成的中间结构，或者可以使用传统的半导体封装制作过程来制作。因此，本公开内容提供了一种具有良好的过程兼容性的定量测量拉伸模式的粘合力的方法。
另外，根据本公开内容的另一实施方式，可以提供一种用于定量测量用于层叠半导体元件的层间粘合层的粘合力和可靠性的设备，该设备具有上述的有益特性。
虽然已参照本公开内容的实施方式具体地示出和描述了本公开内容，但是本领域技术人员应理解，可以在形式和细节方面进行各种改变。
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2015年3月2日、名称为“量化用于层叠半导体器件的层间粘合层的拉伸模式的粘合力的方法以及用于量化该粘合力的设备”的韩国专利申请第10-2015-0029375号的权益，该韩国专利申请特此通过引用全文纳入本申请中。

Claims (27)

1.一种测量用于层叠半导体器件的层间粘合层的粘合力的方法，该方法包括：
提供受测器件，该受测器件包括：
下测试层；
上测试层，该上测试层层叠在所述下测试层上并且包括悬伸部，该悬伸部超过所述下测试层的边缘突出预定长度；以及
所述层间粘合层，该层间粘合层布置在所述下测试层和所述上测试层之间并且接合至所述下测试层和所述上测试层；
将所述下测试层固定到安装台上；以及
通过在第一方向上向所述上测试层的所述悬伸部的底表面施加载荷，测量所述层间粘合层的拉伸模式的粘合力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述下测试层和所述上测试层每个都是器件层、基板、两个或更多个层叠器件层、两个或更多个层叠基板、或者是包括一个或多个器件层和一个或多个基板的层叠结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述器件层包括半导体芯片、半导体晶片、晶圆、封装包或者它们的组合；并且
其中，所述基板包括晶圆、引线框、晶片焊盘、中介层、印刷电路板、膜引线或者它们的组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述层间粘合层包括粘合膜或粘合剂。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述受测器件为来自半导体封装的制作过程的中间结构，所述半导体封装包括多个相同类型或不同类型的器件层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，提供受测器件包括：
对第一测试层和第二测试层执行旋转过程、平移过程、翻转过程及它们的组合中的一种，以使得所述第一测试层和所述第二测试层中的一者对应所述上测试层并且所述第一测试层和所述第二测试层中的另一者对应所述下测试层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述上测试层的所述悬伸部的所述底表面对应钝化层或增强层的表面。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述受测器件具有楔形结构，以使得所述下测试层在第二方向上的长度大于所述上测试层的所述悬伸部在所述第二方向上的长度，所述第二方向垂直于所述第一方向。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载荷由载荷施加端头施加，并且
其中，所述载荷施加端头包括突出部分，所述突出部分包括在施加所述载荷期间与所述悬伸部的所述底表面接触的凸形弯曲表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述凸形弯曲表面的至少一部分和所述悬伸部的所述底表面之间的接触界面为在第二方向上延伸的线性接触界面，所述第二方向对应所述悬伸部的纵向。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载荷由载荷施加端头施加；
其中，所述载荷施加端头包括支架和基座，所述基座安装在所述支架上；
其中，所述基座接触所述悬伸部的所述底表面；并且
其中，所述基座根据所述悬伸部的倾斜而倾斜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述基座围绕在垂直于所述第一方向和第二方向的第三方向上的旋转轴线倾斜，所述第二方向对应所述悬伸部的纵向，所述第三方向对应所述层间粘合层中的开裂扩展方向。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述载荷施加端头还包括：
倾斜支撑部，该倾斜支撑部布置在所述支架和所述基座之间并且将所述支架和所述基座相互分离；以及
沟槽，该沟槽容纳所述倾斜支撑部并且允许所述倾斜支撑部围绕所述旋转轴线旋转以使所述基座倾斜，所述沟槽设置在所述支架或所述基座上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述倾斜支撑部的截面为具有第一曲率的弧形或圆形，该截面垂直于第三方向，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向并且对应所述悬伸部的横向；并且
其中，所述沟槽具有与所述倾斜支撑部的所述第一曲率相等的第二曲率。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述倾斜支撑部和所述沟槽在所述第三方向上延伸。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述粘合力包括根据在所述层间粘合层和所述上测试层的第一接合界面处、在所述层间粘合层和所述下测试层的第二接合界面处或者在所述第一接合界面和所述第二接合界面二者处的开裂扩展来计算能量释放率。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在开裂开始时刻或开裂中止时刻计算所述能量释放率。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述拉伸模式的所述粘合力由在第一次开裂中止时刻的能量释放率限定，所述方法还包括：
获得载荷-位移图，该图包括第一次载荷增加线、载荷减小线以及第二次载荷增加线，所述载荷减小线紧接着所述第一次载荷增加线，所述第二次载荷增加线紧接着所述载荷减小线；以及
确定所述载荷减小线和所述第二次载荷增加线之间的交叉点，所述交叉点对应所述第一次开裂中止时刻。
19.一种测量用于层叠半导体器件的层间粘合层的粘合力的设备，其中所述层间半导体器件为受测器件，该受测器件包括下测试层和层叠在所述下测试层上的上测试层，所述上测试层包括悬伸部，该悬伸部超过所述下测试层的边缘突出预定长度，所述下测试层和所述上测试层通过所述层间粘合层接合在一起，所述设备包括：
安装台，该安装台固定所述受测器件；
载荷施加端头，该载荷施加端头在第一方向上向所述悬伸部的底表面施加载荷；
位置调节器，该位置调节器调节所述受测器件和所述载荷施加端头之间的距离，从而向所述悬伸部的所述底表面施加所述载荷；
测压元件，该测压元件检测已施加载荷的大小；以及
控制器，该控制器控制所述位置调节器和所述测压元件。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述载荷施加端头包括突出部分，所述突出部分包括在施加所述载荷期间与所述悬伸部的所述底表面接触的凸形弯曲表面。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述凸形弯曲表面的至少一部分沿在第二方向上延伸的直线接触所述悬伸部的所述底表面，所述第二方向对应所述悬伸部的纵向。
22.根据权利要求19所述的设备，其中，所述载荷施加端头包括支架和基座，所述基座安装在所述支架上；
其中，所述基座接触所述悬伸部的所述底表面；并且
其中，所述基座根据所述悬伸部的倾斜而倾斜。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述基座围绕在垂直于所述第一方向和第二方向的第三方向上的旋转轴线倾斜，所述第二方向对应所述悬伸部的纵向，所述第三方向对应所述层间粘合层中的开裂扩展方向。
24.根据权利要求22所述的设备，其中，所述载荷施加端头包括：
倾斜支撑部，该倾斜支撑部布置在所述支架和所述基座之间并且将所述支架和所述基座相互分离；以及
沟槽，该沟槽容纳所述倾斜支撑部并且允许所述倾斜支撑部围绕旋转轴线旋转以使所述基座倾斜，所述沟槽设置在所述支架或所述基座上。
25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述倾斜支撑部的截面为具有第一曲率的弧形或圆形，该截面垂直于第三方向，所述第三方向垂直于所述第一方向和第二方向，所述第二方向对应所述悬伸部的纵向，并且所述第三方向对应所述悬伸部的横向；并且
其中，所述沟槽具有与所述倾斜支撑部的所述第一曲率相等的第二曲率。
26.根据权利要求24所述的设备，其中，所述倾斜支撑部和所述沟槽在第三方向上延伸，所述第三方向垂直于所述第一方向和第二方向，所述第二方向对应所述悬伸部的纵向，并且所述第三方向对应所述悬伸部的横向。
27.根据权利要求19所述的设备，其中，所述控制器根据在所述层间粘合层和所述上测试层的第一接合界面处、在所述层间粘合层和所述下测试层的第二接合界面处或者在所述第一接合界面和所述第二接合界面二者处的开裂扩展来计算能量释放率。
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