Tsv圆片级封装mems芯片的失效分析装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，该装置由显微镜、反光盒和探针系统组成；反光盒由外壳、反光镜和透明玻璃组成，反光镜包括两个互成90°角的左反光镜和右反光镜，左反光镜和右反光镜都是镜面朝上地置于外壳中，左反光镜和右反光镜与外壳底面夹角都为45°，透明玻璃覆盖在外壳顶部开口处；探针系统包括探针、探针臂和探针座，探针通过探针臂与探针座连接，探针上连接导线，导线与测试装置或电源连接；反光盒置于显微镜的载物台上，显微镜的物镜位于反光盒上方。该装置只需特制一个反光盒，利用反光盒内反光镜改变光线的方向，不需要背面显微镜镜头，就可以观察到MEMS结构的运动情况，分析MEMS芯片的失效机理，结构简单，效果好。
【专利说明】TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于MEMS芯片分析领域，具体是涉及到一种用于TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置。
【背景技术】
[0002]MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS制造技术利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路(ASIC)，组成智能化的微传感器、微执行器等MEMS元器件。MEMS元器件具有体积小、成本低、可靠性高、抗恶劣环境能力强、功耗低、智能化程度高、易校准、易集成的优点，被广泛应用于消费类电子产品(如手机、平板电脑、玩具、数码相机、游戏机、空中鼠标、遥控器、GPS等)、国防工业(如智能炸弹、导弹、航空航天、无人飞机等)以及工业类产品(如汽车、机器人、智能交通、工业自动化、环境监测、平台稳定控制、现代化农业、安全监控等)，MEMS元器件逐渐成为物联网技术的基石。
[0003]随着便携式电子产品，如手机、平板电脑、可穿戴装置等市场的迅猛增长，消费类电子产品已成为MEMS元器件的最大市场，几乎每个便携式电子产品中都会用到多个MEMS元器件，以智能手机为例，它用到了陀螺仪、加速度计、高度计、麦克风、电子指南针、调谐天线、滤波器等。为达到便携式电子产品对MEMS元器件体积小、性能高、功耗低、价格便宜的要求，MEMS元器件需要在圆片制造过程中先进行圆片级封装，保护可动、易碎的微机械结构，然后将圆片切割成芯片，再通过普通塑料封装方法进行封装。
[0004]MEMS结构通常由单晶硅或多晶硅材料构成，硅材料的刚性和抗疲劳性能很好，但比较脆，受到外力冲击时易发生碎裂，引起器件失效;MEMS芯片加工过程中的工艺缺陷，如残留物、吸气剂等淀积材料的剥离、密封材料外溢、键合强度不够等，也会引起器件失效；另夕卜，由于设计缺陷引起的在芯片加工或使用过程中的MEMS结构吸合，也是最常见的失效机理。在分析这些失效机理时，必须给MEMS结构提供一个激励信号(直流电压或交流电压)，然后测试MEMS结构的漏电值、电容值、共振频率、吸合电压、运动幅度等参数，判断MEMS结构的失效原因。矩形平板电容的静电力与施加的电压的平方成正比，静电力公式如下:
taW2, I ,
[0005]F = (1 + ~-τ)
2# us + d ,
[0006]ε为介电常数，a为电容长度，b为电容宽度，d为电容间距，U为施加的电压。
[0007]普通的圆片级封装的MEMS芯片如图1所示，MEMS芯片I的盖板17、MEMS层11和底板16围成一个密封腔10，为MEMS结构Ila提供一个不受外部干扰、可自由活动的空间。MEMS层11与盖板17间通过S1-Si键合或S1-S12键合工艺结合在一起，MEMS层11与底板16通过金属密封层12结合在一起；同时，MEMS结构Ila的电信号由通孔18传送到夹在第一绝缘层15和第二绝缘层13之间的导电金属层14上，再由导电金属层14从密封腔10中引出；第二绝缘层13在密封腔10外面的部分上有一个用于封装时打线用的压焊窗19。该MEMS芯片I的一个显著特点就是压焊窗19在MEMS结构Ila的侧面，除去盖板17后，MEMS结构Ila和压焊窗19同时露出来，这样，在失效分析时，将探针扎在压焊窗19中的金属上，通过显微镜可以直接观察MEMS结构Ila的响应情况，从而进行失效分析。
[0008]随着MEMS元器件市场的竞争越来越激烈，以及客户对MEMS元器件要求越来越高，为进一步缩小MEMS芯片的体积，TSV(Through Silicon Via，硅通孔)圆片级封装的MEMS芯片成为必然趋势。图2是TSV圆片级封装的MEMS芯片2的示意图，由盖板26、MEMS层21和底板27围成一个密封腔20，为MEMS结构21a提供一个不受外部干扰、可自由活动的空间。MEMS层21可根据功能分为MEMS结构21a和MEMS密封区21b，MEMS层21与盖板26间通过S1-Si键合工艺结合在一起，它们之间是电导通的；作为盖板一部分的TSV导电柱24也同时与MEMS结构21a键合在一起，它们之间也是电导通的，MEMS结构21a的电信号可以通过TSV导电柱24从密封腔20中引出，TSV导电柱24与盖板26的其他部分由TSV绝缘层23电隔离；盖板26上有绝缘层25，绝缘层25上开有通孔28，压焊块29的材料是金属，该金属在形成压焊块29的同时也填满了通孔28，压焊块29通过通孔28与TSV导电柱24相连，这样，MEMS结构21a的信号通过TSV导电柱24和通孔28引出到压焊块29上。MEMS层21的密封区21b与底板27通过密封层22结合在一起，密封层22的材料可以是S12,也可以是金属。这种TSV圆片级封装的MEMS芯片的压焊块29位于盖板26上方，除去盖板26后，压焊块29和MEMS结构21a分布在盖板26的上下两侧，这样，在失效分析时，也无法利用除去盖板、通过显微镜直接观察MEMS结构21a的响应情况，所以对于TSV圆片级封装的MEMS芯片,如何进行失效分析就成为了目前的难题。
【发明内容】
[0009]本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，可以简便地对TSV圆片级封装的MEMS芯片进行失效分析。
[0010]为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，由显微镜、反光盒和探针系统组成；
[0011 ] 显微镜自带光源，带有可活动的载物台，用于观察待分析MEMS芯片的MEMS结构及其运动；
[0012]反光盒由顶部开口的外壳、反光镜和透明玻璃组成，反光镜包括两个互成90°角的左反光镜和右反光镜，左反光镜和右反光镜都是镜面朝上地安装于外壳中，左反光镜和右反光镜与外壳底面夹角都为45°，透明玻璃覆盖在外壳顶部开口处，透明玻璃与外壳底面相平行，待分析MEMS芯片可以放置在透明玻璃上面，反光镜将显微镜光源发出的垂直于透明玻璃的入射光经过两个90°的反射，照射到待分析MEMS芯片的MEMS结构上，再将MEMS结构反射出的反射光经两个90°的反射，返回到显微镜的物镜中；
[0013]探针系统包括探针、探针臂和可移动的探针座，探针通过探针臂与探针座连接，探针上连接导线，导线与测试装置或电源连接，用于向MEMS结构输入激励信号或检测MEMS结构的输出信号，探针座置于显微镜的载物台上，在探针扎在待分析MEMS芯片的压焊块上后，待分析MEMS芯片相对于显微镜物镜的位置还可自由调节；
[0014]反光盒置于显微镜的载物台上，反光盒外壳的底面与载物台平行，显微镜的物镜位于反光盒上方。
[0015]本实用新型的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置利用普通显微镜、探针台等实验室常用设备，只需特制一个反光盒，利用反光盒内反光镜改变光线的方向，不需要背面显微镜镜头，就可以观察到MEMS结构的运动情况，分析MEMS芯片的失效机理，结构简单，成本低，效果好。
[0016]所述的反光盒还包括一对定位块，定位块位于透明玻璃表面上，用于将待分析MEMS芯片限定在固定位置。
[0017]所述的透明玻璃上表面上放置待分析MEMS芯片的位置处有凹腔，当待分析MEMS芯片的密封层随底板一起除去时，若将待分析MEMS芯片放在透明玻璃上，MEMS结构就失去了自由运动的空间，而透明玻璃上的凹腔就可为MEMS结构提供一个自由运动的空间，拓宽了待分析MEMS芯片的范围，使本实用新型的分析装置应用更加广泛。
[0018]所述透明玻璃上有光线通过的部分开有透光孔，为入射光线和反射光线提供无玻璃通道，可以减少透明玻璃的表面反光，缩小光亮损失和图像劣化程度，使分析结果更加准确、更加接近实际情况。
[0019]所述透明玻璃上相对于待分析MEMS芯片的位置处有台阶，待分析MEMS芯片的MEMS密封区承载在台阶上，在为MEMS结构提供自由运动空间的同时，也为反射光线提供无玻璃的通道。
[0020]所述探针系统还包括探针台，探针台与显微镜的载物台分离，探针座可直接置于显微镜载物台上，通过探针座上下、左右、前后调节探针的位置，将探针扎在待分析MEMS芯片的压焊块上。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是普通圆片级封装MEMS芯片的结构示意图。
[0022]图2是TSV圆片级封装MEMS芯片的结构示意图。
[0023]图3是本实用新型实施例一中显微镜使用小倍率物镜时的分析装置的结构示意图。
[0024]图4是本实用新型实施例一中显微镜使用大倍率物镜时的分析装置的结构示意图。
[0025]图5是本实用新型实施例一的待分析MEMS芯片放置部位的放大图。
[0026]图6是本实用新型实施例二的待分析MEMS芯片放置部位的放大图。
[0027]图7是本实用新型实施例三的分析装置的结构示意图。
[0028]图8是本实用新型实施例三的待分析MEMS芯片放置部位的放大图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0030]实施例一
[0031]TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置如图3、图4所示，由显微镜、反光盒4和探针系统5组成；
[0032]显微镜自带光源，带有小倍率物镜31a、大倍率物镜31b和可活动的载物台32，用于观察待分析MEMS芯片2,的MEMS结构21a及其运动；
[0033]反光盒4的作用是反射光线和承载待分析MEMS芯片2'，由顶部开口的外壳41、反光镜、透明玻璃43和一对固定待分析MEMS芯片2'用的定位块44组成，反光镜包括两个互成90°角的左反光镜42a和右反光镜42b，左反光镜42a和右反光镜42b都是镜面朝上地安装于外壳41中，左反光镜42a和右反光镜42b与外壳41底面夹角都为45°，透明玻璃43覆盖在外壳41顶部开口处，透明玻璃43与外壳41底面相平行，定位块44位于透明玻璃43表面上，用于将待分析MEMS芯片2'限定在固定位置，待分析MEMS芯片2'可以放置在透明玻璃43上面，由小倍率物镜31a或大倍率物镜31b的入射光A透过透明玻璃43到达左反光镜42a，由左反光镜42a反射到右反光镜42b，再由右反光镜42b反射到待分析MEMS芯片2,上；左反光镜42a和右反光镜42b互成90°角布置，而且与外壳41底面成45°角，这样，垂直于透明玻璃43的入射光A经过反光盒4后垂直照射到放置于透明玻璃43上的待分析MEMS芯片2,的MEMS结构21a上；待分析MEMS芯片2'反射回的反射光B反射回反光盒4中，并依次经过右反光镜42b和左反光镜42a反射，最终回到小倍率物镜31a或大倍率物镜31b中，就可以用目眼观察或用摄像头记录待分析MEM芯片2,的MEMS结构21a的运动情况。
[0034]探针系统5包括探针51、探针臂53、探针座54和探针台55，探针51上连接导线52，导线52与测试装置或电源连接，可以通过探针51向MEMS结构21a输入激励信号，探针51通过探针臂53固定在探针座54上，探针座54放置在探针台55上，探针台55与显微镜的载物台32是分离的，调节探针座54带动探针臂53和探针51可以在上下、左右、前后各方向微调待分析MEMS芯片2’的位置，以方便将探针51扎在压焊块29上。
[0035]反光盒4置于显微镜的载物台32上，反光盒外壳41的底面与载物台32平行，显微镜的物镜位于反光盒4上方。
[0036]图3是显微镜使用小倍率物镜31a时的示意图，此时，视场31a'较大，将待分析MEMS芯片2'放置在视场31a'边缘的定位块44中，此时调节显微镜的焦距，可以看到待分析MEMS芯片2'和其上的压焊块29，也可以看到MEMS结构21a ;在小倍率物镜31a下将探针51扎到压焊块29上，然后将小倍率物镜31a切换到如图4所示的大倍率物镜31b，此时视场31b'较小，只能看到放大的MEMS结构21a，看不到压焊块29和探针51 ;这样施加电压，就观察MEMS结构21a的响应情况。
[0037]图5是待分析MEMS芯片W放置部位的放大图，待分析MEMS芯片W按压焊块29朝上，密封层22和MEMS结构21a朝下的方式放置在透明玻璃43上，由于待分析MEMS芯片2'残留有密封层22，所以待分析MEMS芯片W直接放置在透明玻璃43上时，MEMS结构21a与透明玻璃43间有一个间隙6，MEMS结构21a可自由活动；两个定位块44将待分析MEMS芯片2,固定住，两个探针51分别扎在两个压焊块29上，并通过导线52向待分析MEMS芯片2'施加激励电压，就可以观察MEMS结构21a的响应情况。
[0038]实施例二
[0039]本实施例的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置与实施例一的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置不同之处仅在于:透明玻璃43上表面上放置待分析MEMS芯片2"的位置处有凹腔43a，如图6所示。由于待分析MEMS芯片2"没有密封层22，不能直接放在透明玻璃43上，需要在透明玻璃43上制作一个凹腔43a，这样，在放置待分析MEMS芯片2"时，MEMS密封区21b与透明玻璃43接触，MEMS结构21a就位于凹腔43a中，可以自由运动。
[0040]实施例三
[0041]TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置如图7所示，由显微镜、反光盒4和探针系统5组成；
[0042]显微镜自带光源，带有物镜31和可活动的载物台32，用于观察待分析MEMS芯片2"的MEMS结构21a及其运动；
[0043]反光盒4的作用是反射光线和承载待分析MEMS芯片2"，由顶部开口的外壳41、反光镜和透明玻璃43组成，反光镜包括两个互成90°角的左反光镜42a和右反光镜42b，左反光镜42a和右反光镜42b都是镜面朝上地安装于外壳41中，左反光镜42a和右反光镜42b与外壳41底面夹角都为45°，透明玻璃43覆盖在外壳41顶部开口处，透明玻璃43与外壳41底面相平行，透明玻璃43上光线通过的部位有透光孔43b和43c，在正对大倍率物镜31b的下方有透光孔43b，在放置待分析MEMS芯片2"的位置有透光孔43c，这样，入射光A由透光孔43b进入反光盒I,经反光镜42a、42b反射后,通过透光孔43c照射到待分析MEMS芯片2"上，待分析MEMS芯片2"的反射的反射光B通过透光孔43c回到反光盒1，经反光镜42b、42a反射后，通过透光孔43b回到显微镜物镜中，整个过程光线不需经过透明玻璃43，避免了玻璃的折射和表面反射。在制作透光孔43c时，在透明玻璃43上形成台阶，以容纳待分析MEMS芯片2 "，如图8所示，这样，在放置待分析MEMS芯片2 "时，MEMS密封区2Ib与透明玻璃43直接接触，将待分析MEMS芯片2 "承载在透明玻璃43的台阶上，MEMS结构21a位于透光孔43c中，不仅可以使MEMS结构21a自由运动，还可以起到固定待分析MEMS芯片22"位置的作用。
[0044]探针系统5包括探针51、探针臂53和可移动的探针座54，探针51上连接导线52，导线52与测试装置或电源连接，通过探针51向MEMS结构21a输入激励信号，探针51通过探针臂53固定在探针座54上，探针座54放置在显微镜的载物台32上，这样，探针座54和反光盒I都放置在载物台32上，只有柔软的导线52与外接测试仪器或电源相连，待分析MEMS芯片22"位置不再受显微镜物镜视场大小的限制，在高倍率或低倍率物镜31下扎好探针51后，待分析MEMS芯片22"可与探针51、探针臂53、探针座54、反光盒I 一起随载物台32前后、左右移动，解决了实例一中探针51扎到压焊块29上后MEMS芯片2’不能移动的问题。
[0045]反光盒4置于显微镜的载物台32上，反光盒外壳41的底面与载物台32平行，显微镜的物镜31位于反光盒4上方。
【权利要求】
1.TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，其特征在于:它由自带光源的显微镜、反光盒和探针系统组成； 所述反光盒由顶部开口的外壳、反光镜和透明玻璃组成，反光镜包括两个互成90°角的左反光镜和右反光镜，左反光镜和右反光镜都是镜面朝上地置于外壳中，左反光镜和右反光镜与外壳底面夹角都为45°，透明玻璃覆盖在外壳顶部开口处，透明玻璃与外壳底面相平行； 所述探针系统包括探针、探针臂和可移动的探针座，探针通过探针臂与探针座连接，探针上连接导线，导线与测试装置或电源连接； 所述反光盒置于显微镜的载物台上，反光盒外壳的底面与载物台平行，显微镜的物镜位于反光盒上方。
2.根据权利要求1所述的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，其特征在于:所述的反光盒还包括一对定位块，定位块位于透明玻璃上表面上。
3.根据权利要求1或2所述的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，其特征在于:所述透明玻璃上相对于待分析MEMS芯片的位置处有凹腔。
4.如权利要求1或2所述的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，其特征在于:所述透明玻璃上有光线通过的地方有透光孔。
5.根据权利要求4所述的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，其特征在于:所述透明玻璃上相对于待分析MEMS芯片的位置处有台阶。
6.根据权利要求1或2所述的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，其特征在于:所述的探针座置于显微镜载物台上。
7.根据权利要求1或2所述的TSV圆片级封装MEMS芯片的失效分析装置，其特征在于:所述探针系统还包括探针台，探针台与显微镜的载物台分离，所述探针座置于探针台上。
【文档编号】H01L21/66GK203983239SQ201420420024
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】华亚平 申请人:安徽北方芯动联科微系统技术有限公司