一种叠层芯片粘接强度比较的方法和装置与流程

本申请涉及叠层封装技术领域，特别涉及一种叠层芯片粘接强度比较的方法和装置。

背景技术：

随着集成电路技术的发展，芯片上集成更多的晶体管，集成度越来越大，微电子封装技术向三维封装方向发展。三维叠层封装是将功能不同的数个芯片，直接封装成具有完整系统功能，可有效地缩减封装面积以达到较高的硅芯片使用率、多功能性及高运算速度。与单芯片封装相比，尽管封装器件的功能性方面得到了很大的提高，但是叠层封装结构比较复杂，叠层封装中，芯片是以堆叠的方式结合在一起的，在芯片与芯片之间通常会用一层隔离片将芯片隔离开来，芯片与隔离片的连接方式以引线键合为主，芯片之间的连接方式主要是粘结剂将其结合在一起，所以，叠层封装器与其它的封装器件相比较，有更多的界面层。微电子器件封装中往往都要使用多种不同热膨胀系数的材料，由于材料间的热适配且在制造和使用过程中的温度变化，使各层界面将产生不同的热应力与热应变，由于叠层封装的界面层较多，当这些热应力与热应变达到塑性范围时，则会随着热循环过程变化而累积，层间界面的热应力和端部处的热应力集中常常造成封装结构的脱层破坏，从而导致封装器件的失效，因此叠层界面间的粘接强度是表征叠层封装可靠性关键的因素之一。

目前提高芯片间粘接强度的最主要方法是对粘接剂配方或粘接工艺进行优化，在优化研究中需要对不同粘接剂配方或粘接工艺的粘接性能进行反复比较，才能选出更优粘接配方和工艺，增加芯片间的粘接强度，提高芯片封装的可靠性。目前界面结合强度的判定方法有很多，根据其受力模式的不同，可分为双悬臂梁测试、三点弯曲试验、四点弯曲试验、断裂韧性端边切口试验等。这些方法都需要制备特定形状及尺寸的测试试样后，在专用的装置上进行测量及比较，导致实验研究周期长，阻碍了叠层封装研究的进展。

因此，如何提供一种解决提高叠层封装芯片可靠性研究的速率的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种叠层芯片粘接强度比较的方法和装置，能够快速比较叠层芯片粘结强度。其具体方案如下：

本申请提供一种叠层芯片粘接强度比较的方法，包括:

根据激光层裂法利用激光器按照各个预设能量发射的激光对待测样品进行测试，获取各个冲击波信号；

根据各个所述冲击波信号与基准冲击波信号，获取能量阈值；

若第一测试样品的能量阈值大于第二测试样品的能量阈值，则确定所述第一测试样品的粘结强度大于所述第二测试样品的粘结强度。

可选的，根据激光层裂法利用激光器按照各个预设能量发射的激光对待测样品进行测试，获取各个冲击波信号，包括：

获取所述激光器按照各个所述预设能量发射的所述激光；

所述激光经聚焦透镜和约束层汇聚至能量吸收层，形成第一冲击波；

所述第一冲击波在所述待测样品内传播；

当所述第一冲击波传播至所述待测样品自由表面时被所述自由表面反射及透射，获取第二冲击波；

利用超声装置对所述第二冲击波的冲击波信号采集，获取各个所述冲击波信号。

可选的，所述约束层为水层、所述能量吸收层为黑胶带层。

可选的，根据各个所述冲击波信号与基准冲击波信号，获取能量阈值，包括：

比较各个所述冲击波信号的第一波峰个数与所述标准冲击波信号的第二波峰个数；

若所述第一波峰个数大于所述第二波峰个数，则得到预设数目的初始能量阈值；

对所述预设数目的所述初始能量阈值进行平均值计算，得到所述能量阈值。

可选的，各个预设能量是初始能量值为0.25j，按照0.25j递增而得到的各个所述预设能量。

本申请提供一种叠层芯片粘接强度比较的装置，包括：

激光器，用于按照各个预设能量发射激光；

光路系统，用于利用聚焦透镜将所述激光通过约束层汇聚到能量吸收层；

式样体系，包括待测样品，设置在所述待测样品上表面的所述能量吸收层，设置在所述待测样品下表面的超声耦合剂；

超声波装置，用于获取所述激光通过所述式样体系后的冲击波信号；

与所述超声波装置连接的计算机，用于记录所述冲击波信号，根据各个所述冲击波信号与基准冲击波信号，获取能量阈值；若第一测试样品的能量阈值大于第二测试样品的能量阈值，则确定所述第一测试样品的粘结强度大于所述第二测试样品的粘结强度。

可选的，还包括：固定所述待测样品的试样夹具。

可选的，还包括：

底座；

调节照射在所述能量吸收层上激光光斑的大小的z轴调节杆；

调节所述激光光斑照射在所述能量吸收层上的位置的x轴调节块；

调节所述激光光斑照射在所述能量吸收层上的位置的y轴调节块。

可选的，所述激光器是铷玻璃激光器。

可选的，所述超声波装置包括：超声探头、超声探头调节杆、超声放大器、滤波器、示波器；其中，所述超声探头中轴线与所述激光器的出光孔中心位于同一直线。

本申请提供一种叠层芯片粘接强度比较的方法，包括：根据激光层裂法利用激光器按照各个预设能量发射的激光对待测样品进行测试，获取各个冲击波信号；根据各个冲击波信号与基准冲击波信号，获取能量阈值；若第一测试样品的能量阈值大于第二测试样品的能量阈值，则确定第一测试样品的粘结强度大于第二测试样品的粘结强度。

可见，本申请通过利用激光层裂法测试得到的冲击波信号与基准冲击波信号得到能量阈值，由于能量阈值与叠层芯片间的粘结强度成正比，因此通过比较能量阈值即可快速比较待测样品的粘结强度，避免了相关技术中测试周期长的缺点，提高效率，改善用户体验。本申请同时还提供了一种叠层芯片粘接强度比较的装置，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种叠层芯片粘接强度比较的方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种叠层封装结构示意图；

图3为本申请实施例提供的激光照射能量吸收层的光斑的分布示意图；

图4为本申请实施例提供的一种冲击波信号记录图；

图5为本申请实施例所提供的一种叠层芯片粘接强度比较的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

常见的界面结合强度的判定方法有很多，根据其受力模式的不同，可分为双悬臂梁测试、三点弯曲试验、四点弯曲试验、断裂韧性端边切口试验等。这些方法都需要制备特定形状及尺寸的测试试样后，在专用的装置上进行测量及比较，导致实验研究周期长。基于上述技术问题，本实施例提供一种叠层芯片粘接强度比较的方法，通过利用激光层裂法测试得到的冲击波信号与基准冲击波信号得到能量阈值，由于能量阈值与叠层芯片间的粘结强度成正比，因此通过比较能量阈值即可快速比较待测样品的粘结强度，避免了相关技术中测试周期长的缺点，提高效率，改善用户体验，具体请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种叠层芯片粘接强度比较的方法的流程图，具体包括：

s101、根据激光层裂法利用激光器按照各个预设能量发射的激光对待测样品进行测试，获取各个冲击波信号。

激光层裂法是利用高能量、短脉冲的激光辐照材料表面的能量吸收层，在能量吸收层和约束层的共同作用下形成高压压缩应力波，并向材料内部传播。当应力波到达材料自由表面被反射后，会转变为拉伸应力波，拉伸应力波会与压缩应力波相互叠加，当叠加后的拉伸波应力强度超过材料的动态抗拉强度时，材料内部就会发生局部层裂现象。叠层芯片是包括多个芯片的一种叠层的芯片，具体的叠层芯片的封装结构图如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种叠层封装结构示意图，叠层封装芯片的结构包括：用于连接镀膜层5与芯片2的金线1，多个芯片2；用于使两个芯片进行粘结的芯片粘结层3，模制树脂4；镀铜层5；基底6；焊球7。

待测样品是一种叠层芯片样品，包括第一芯片层、芯片粘结层、第二芯片层，芯片粘结层用于粘结第一芯片层与第二芯片层，本实施例是实现比较两种乃至多种的待测样品即叠层芯片的粘结强度。本实施例不对第一芯片层与第二芯片层进行限定，不对芯片粘结层进行限定，值得注意的是，第一测试样品于第二测试样品的第一芯片层与第二芯片层是一致的，以便保证单一性测试。

本实施例不对预设能量进行限定，用户可根据实际情况进行设置。可以是设置用户自定义设置能量初始值直至能够得到能量阈值，也可以按照预设规则进行设置，只要是能够实现本实施例的目的即可。

进一步的，各个预设能量是初始能量值为0.25j，按照0.25j递增而得到的各个预设能量。

按照各个预设能量发射激光依次对待测样品进行测试，可以理解的是，多次测试的时对应的待测样品的测试位置不同，主要是为了减少因材料疲劳强度而造成的测试误差，提高准确性，具体请参考图3，图3为本申请实施例提供的激光照射能量吸收层的光斑的分布示意图，第一次按照预设能量进行照射时的能量吸收层32的光斑对应的第一个冲击点8，下一个按照新的预设能量进行照射时的能量吸收层32的光斑对应的第二冲击点9。一般的，测试位置不同，以提高精确度。

具体的，设置初始能量值为0.25j，按照0.25j递增得到各个预设能量，可以理解的是，设置的各个预设能量是0.25j，0.5j、0.75j、1.00j、1.25j、1.50j、1.75j、2.00j等。可见，通过按照上述规则进行预设能量的设置，能够有规律的科学的对待测样品进行测试，以便结果更加精确，提高叠层芯片粘结强度的准确性。

进一步的，根据激光层裂法利用激光器按照各个预设能量发射的激光对待测样品进行测试，获取各个冲击波信号，包括：获取激光器按照各个预设能量发射的激光；激光经聚焦透镜和约束层汇聚至能量吸收层，形成第一冲击波；第一冲击波在待测样品内传播；当第一冲击波传播至待测样品自由表面时被自由表面反射及透射，获取第二冲击波；利用超声装置对第二冲击波的冲击波信号采集，获取各个冲击波信号。

具体的，本实施例不对约束层进行限定，可以是水层、水玻璃层，当然也可以是其他的约束层，本实施例不对约束层的厚度进行限定，用户可根据实际需求进行设置。本实施例不对能量吸收层进行限定，只要是能够实现本实施例的目的即可，可以是黑胶带层也可以是其他材质的能量吸收层，用户可根据实际情况进行设置。本实施例采用采集第二冲击波的冲击波信号与基准冲击波信号对比，可知，采集点应该与激光照射点对应以便减少信号接收误差。

进一步的，约束层为水层、能量吸收层为黑胶带层。

s102、根据各个冲击波信号与基准冲击波信号，获取能量阈值。

本步骤的目的是得到能量阈值。具体的，基准冲击波信号是在基准能量的情况下进行激光层裂法得到的冲击波信号，一般情况下，基准能量小于各个预设能量，当然，基准能量一般设置较小，以便确保当前的样品未发生层裂，可以设置0.25j或0.3j或0.5j，当然也可以是其他的数值，只要是能够实现本实施例的目的即可。本实施例不对获取的能量阈值的方式进行限定，用户可根据实际情况进行设置，可以是当冲击波信号与基准冲击波信号进行比较得到当前的预设能量使待测样品发生层裂，此时，将此预设能量确定为能量阈值，也可以是逐步增加能量值，得到多个能量值，且多个能量值均可是待测样品发生层裂，此时求取平均值，将平均值确定为能量阈值；当然，除了上述方法，可以是利用其它方法，只要是能够实现本实施例的目的即可。

s103、若第一测试样品的能量阈值大于第二测试样品的能量阈值，则确定第一测试样品的粘结强度大于第二测试样品的粘结强度。

一般的，能量阈值与使待测样品的粘结强度成正比，能量阈值越大，对应的粘结强度越大，因此，第一测试样品与第二测试样品的粘结强度可以利用能量阈值进行判断。若第一测试样品的能量阈值大于第二测试样品的能量阈值，则确定第一测试样品的粘结强度大于第二测试样品的粘结强度；若第一测试样品的能量阈值小于第二测试样品的能量阈值，则确定第一测试样品的粘结强度小于第二测试样品的粘结强度。

基于上述技术方案，本实施例通过利用激光层裂法测试得到的冲击波信号与基准冲击波信号得到能量阈值，由于能量阈值与叠层芯片间的粘结强度成正比，因此通过比较能量阈值即可快速比较待测样品的粘结强度，避免了相关技术中测试周期长的缺点，提高效率，改善用户体验。

在本发明所提供的叠层芯片粘接强度比较的方法的一种具体实施方式中，根据各个冲击波信号与基准冲击波信号，获取能量阈值，包括：比较各个冲击波信号的第一波峰个数与标准冲击波信号的第二波峰个数；若第一波峰个数大于第二波峰个数，则得到预设数目的初始能量阈值；对预设数目的初始能量阈值进行平均值计算，得到能量阈值。

本实施例通过比较各个冲击波信号的第一波峰个数和标准冲击波信号的第二波峰个数确定初始能量阈值来确定能量阈值，冲击波信号对应的冲击波信号图，具体请参考图4，图4为本申请实施例提供的一种冲击波信号记录图，当信号与初始时间对应的信号相同时，且在连续的时间范围内基本保持不变，则确定为信号的终止时间，此时，得到冲击波信号记录图，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示冲击波信号，每个冲击波信号对应的冲击波信号记录图中的波峰个数记为第一波峰个数，标准冲击波信号对应的冲击波信号记录图中的波峰个数记为第二波峰个数，a表示待测样品的基准冲击波信号，b表示满足冲击波信号的第一波峰个数大于标准冲击波信号的第二波峰个数即发生层裂现象的冲击波信号，圆圈代表b中的波峰，方块代表a中的波峰，可以看出，当待测样品发生层裂时，在整个冲击波信号图中，波峰的个数明显增多，表明对应的预设能量值产生的冲击波使待测样品发生层裂。进一步的，本实施例还可以对冲击波信号进行去噪平滑处理，以便更清楚的得到对应的波峰的信息。

例如，将激光器以5j且保持其他激光参数与标准冲击波信号进行测试时不变，将此次电脑记录的冲击波信号图形与基准冲击波信号对应的冲击波信号图形进行比较，直至冲击波信号的第一波峰个数大于标准冲击波信号的第二波峰个数，则该次施加的激光能量为此样品激光冲击时的初始能量阈值，记为第一个初始能量阈值；按照0.25j递增得到各个预设能量重复执行预设数目的初始能量阈值，可以直接求平均值获取能量阈值；也可以是去掉最大值和最小值，将剩余的三个初始能量阈值求平均，得到能量阈值，其中，预设数目可以是4或5或6或7，用户可根据实际需求进行设定。

当然，也可以利用其它方式进行层裂的判断，例如判断冲击波信号对应的冲击波信号记录图与基准冲击波信号对应的冲击波信号记录图的相似度是否小于预设阈值，若是，则确定冲击波信号对应的预设能量为初始能量阈值。

基于上述技术手段，本实施例通过比较各个冲击波信号的第一波峰个数与标准冲击波信号的第二波峰个数来得到预设数目的初始能量阈值，进而得到能量阈值，简化了确定能量阈值的方法，提高检测效率。

下面对本申请实施例提供的一种叠层芯片粘接强度比较的装置进行介绍，下文描述的一种叠层芯片粘接强度比较的装置与上文描述的一种叠层芯片粘接强度比较的方法可相互对应参照，参考图5，图5为本申请实施例所提供的一种叠层芯片粘接强度比较的装置的结构示意图，包括：

激光器10，用于按照各个预设能量发射激光；

光路系统20，用于利用聚焦透镜将激光通过约束层汇聚到能量吸收层；

式样体系30，包括待测样品31，设置在待测样品31上表面的能量吸收层32，设置在待测样品31下表面的超声耦合剂33；

超声波装置40，用于获取激光通过式样体系后的冲击波信号；

与超声波装置40连接的计算机50，用于记录冲击波信号，根据各个冲击波信号与基准冲击波信号，获取能量阈值；若第一测试样品的能量阈值大于第二测试样品的能量阈值，则确定第一测试样品的粘结强度大于第二测试样品的粘结强度。

本实施例不对激光器10进行限定，只要是高能量短脉冲激光器即可，具体型号用户可根据实际需求进行选择。

光路系统20，用于利用聚焦透镜将激光通过约束层汇聚到能量吸收层32，

当然，本实施例不对光路系统20进行限定，只要是最终能够利用聚焦透镜将激光通过约束层汇聚到能量吸收层32即可。具体的光路系统20可以是只有聚焦透镜，即激光器10发射激光后，通过聚焦透镜进行光束的汇聚，此时，为保证冲击波信号的正常采集，激光器10的发射孔需要与超声波装置40的采集端重合；具体的光路系统20也可以包括反射镜，即激光器10发射激光后经反射镜反射，激光通过反射镜反射至聚焦透镜，聚焦透镜对光束进行汇聚，以便超声波装置40能够采集到冲击波信号。

式样体系30包括待测样品31，待测样品31是一种叠层芯片样品，包括第一芯片层31-1、芯片粘结层31-2、第二芯片层31-3，芯片粘结层31-2用于粘结第一芯片层31-1与第二芯片层31-3，本实施例是实现比较两种乃至多种的待测样品即叠层芯片的粘结强度。

进一步的，还包括：固定待测样品的试样夹具60。.

本实施例不对式样夹具60的形状、材料进行限定，只要是能够实现本实施例的目的即可。

进一步的，还包括：底座70；

调节照射在能量吸收层上激光光斑的大小的z轴调节杆80；

调节激光光斑照射在能量吸收层上的位置的x轴调节块90；

调节激光光斑照射在能量吸收层上的位置的y轴调节块100。

进一步的，激光器10是铷玻璃激光器。

进一步的，超声波装置40包括：超声探头41、超声探头调节杆42、超声放大器43、滤波器44、示波器45；其中，超声探头41中轴线与激光器10的出光孔中心位于同一直线。本实施例不对超声波装置40的组成的型号等进行限定。

具体的提供一种激光层裂从激光器10发出的激光束经聚焦透镜及水层照射到能量吸收层32上，使能量吸收层32吸收激光能量后瞬间爆炸性气化产生应力波向待测样品31传播，应力波穿过第一芯片层31-1、粘接层31-2、第二芯片31-3层及超声耦合剂33后由超声探头41接收，并依次将信号传递给超声放大器43、滤波器44、示波器45及计算机50，由计算机50记录并储存此次冲击波的信号；x轴调节块90用于调节照射在能量吸收层32上激光光斑的大小，z轴调节杆80和y轴调节块100用于调节激光光斑照射在能量吸收层32上的位置。

本实施例提供一种具体的叠层芯片粘接强度比较的操作方法，包括：

(1)在由两芯片粘接组成的待测样品31一面贴上一层能量吸收层32例如黑胶带，将贴有能量吸收层可以是黑胶带层的一面面向激光将待测样品31放试样夹具60的中心位置，拧紧蝶形螺栓将试样夹紧；

(2)调节x轴调节块90将待测样品31调节至激光照射到能量吸收层的光斑直径为1mm；

(3)调节z轴调节杆80和y轴调节块100使待测样品31位于yz面第一个位置，将激光器10的脉宽设置为10ns，能量设置为0.5j；

(4)在待测样品31的另一表面涂上适当厚度的超声耦合剂33，调节超声探头调节杆42，使超声探头41与涂有超声耦合剂33的待测样品31表面紧密接触，在能量吸收层的表面施加约束层如水层，启动激光器10发出激光，超声探头41将接收的冲击波信号经超声放大器43、滤波器44及示波器45转换后传至计算机50记录此次的冲击波信号作为基准图(0.5j能量不会使芯片层间发生层裂)，调节超声探头调节杆42，使超声探头41与待测样品31表面分离；

(5)将激光器10的能量增加0.25j，保持其他激光参数不变，调节z轴调节杆80和y轴调节块100使试样位于yz面下一位置，重复步骤(4)，将此次计算机50记录的冲击波信号图形与步骤(4)中记录的冲击波信号图形进行比较，重复步骤(4)和(5)，直至根据该次计算机50记录的冲击波信号图形与步骤(4)中记录的冲击波信号基准图形判断得到层裂现象，则该次施加的激光能量为此待测样品31激光冲击时的初始能量阈值；

(6)重复上述步骤(3)至(5)四次，去掉5个初始能量阈值的最大值和最小值，将其余3个初始能量阈值的平均值作为该待测样品31激光冲击时的能量阈值；

(7)将待测样品31换成由相同芯片不同粘接剂或粘接工艺制成的待测样品31,重复上述步骤(1)至(6)，即可获得该待测样品激光冲击时的能量阈值；

(8)通过比较各待测样品31激光冲击时的能量阈值即可判定各待测样品粘接力相对大小，从而筛选出好的粘接剂配方或粘接工艺。

基于叠层芯片粘接强度比较的操作方法，本操作方法通过利用激光层裂法测试得到的冲击波信号与基准冲击波信号得到能量阈值，由于能量阈值与叠层芯片间的粘结强度成正比，因此通过比较能量阈值即可快速比较待测样品的粘结强度，避免了相关技术中测试周期长的缺点，提高效率，改善用户体验。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。