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测试基于MEMS的嵌入式设计的硬件故障 时间:2020-06-02      来源:原创

过声学微成像对MEMS粘合晶圆对进行无损内部检查对于发现,表征和消除异常和缺陷非常有用。

在产品开发过程中,声学检查有助于修改流程以避免缺陷。在生产过程中,声学检查点会拒收并识别过程漂移。

扫描晶片对的超声换能器将UHF超声脉冲进入顶表面并接收回波。换能器在表面上移动时,每秒产生数千次脉冲回声。每个扫描的xy坐标在声像中产生一个像素,在通常用于MEMS晶片的高分辨率下,该像素由数百万个像素组成。

在许多以声学方式成像的电子产品(例如塑料IC封装)中,存在多个感兴趣的深度,并且用于制作声像的返回回波信号可能会限制(选通)到特定深度,例如模具面或引线框深度。

MEMS晶片对在材料界面处可能具有一个或多个关注深度。可能需要在特定界面上进行门控,但是超声的重新聚焦不是必需的。

声学显微成像系统的用户通常会对每个MEMS器件周围的密封感兴趣,尽管他也可以对MEMS腔体本身成像,以观察例如加速度计中光束下方的蚀刻。为了看到通过蚀刻释放的光束的程度,将从背面对晶片对成像。

从换能器脉冲到结合的MEMS晶片中的超声通常具有诸如230MHz或300MHz的高频。高超声频率在声像中提供高空间分辨率。高频也不能比低频穿透更深的材料,但这在成像由薄薄的硅构成的MEMS晶片时不受限制,而硅对超声波几乎是透明的。

当脉冲进入顶表面时,超声波向下传播到晶片对中,并通过材料界面反射回换能器。除非顶部晶圆中的裂纹已形成材料界面,否则顶部晶圆的大块硅,玻璃或其他材料不会反射该材料。当脉冲到达两个晶片之间的MEMS结构时,脉冲会被两种类型的材料界面反射,如上图1所示:

固体对固体的界面(例如,芯片与MEMS腔周围的玻璃料密封之间的界面) :这种界面将一部分超声能量反射回换能器;另一部分穿过界面并深入样品。

固体间隙接口(例如顶部晶圆和MEMS腔之间的接口) 。超过99.99%的脉冲能量从固体-间隙界面反射到换能器。密封件本身中的此类界面表明存在空隙或分层。

在声像中,涉及不同材料的固体-固体界面通常为灰色阴影。实心到间隙的界面通常为亮白色,因为来自这些界面的回波具有最高的幅度。

在非MEMS直接键合的硅晶片中,由于两种材料具有相同的声学特性,因此可能根本没有界面反射。如果硅与硅之间的键合良好,则声像可能会全黑。

下面的图2 是MEMS晶片对的声学图像,显示了每个器件周围的矩形密封。腔体密封件的完整性通常是声成像的关键目标,因为即使密封件中的微小缺陷也会增长,并导致MEMS设备发生故障。

在图2中用圆圈标记的四个位置中,声像显示密封件中的间隙。MEMS空腔的区域显示为白色,因为超声波在这些区域中遇到了固体与间隙的界面。它们对应于图1中的#2。

密封的完整部分是灰色的(类似于图中的#1),因为超声波遇到了两种具有不同声学特性的固体材料。密封件中的间隙并不意味着在这些位置上完全没有密封材料。它可能会分层或包含空隙。在此点以下可能存在大多数密封材料,但密封本身已被破坏。

在 开发Au-Au键合方法的早期阶段,对下面图3中所示的晶片对进行了声学成像。一个晶片的整个区域完全镀有金。在另一个晶片上,仅存在Au密封线。每个腔周围的密封件应由Au-Au键组成,并且密封件的声像应为深灰色,因为来自Si-Au界面的超声反射。

在一些位置,Si-Au界面非常薄或不存在,这意味着密封件破裂或受损。这些位置中的三个在图3中用箭头标记。某些未用箭头标记的密封件最多是可疑的。

在产品开发工作的早期阶段,这种异常现象并不罕见,在声学设计中,声学成像通常可以加快粘合方法或粘合参数的开发速度,从而提供良好的可制造性和高产量。

下面的图4 是键合晶片对的一小部分的声像,每个器件周围的密封相对较宽,可以容纳切割。每个设备中还存在与顶部晶圆接触的结构,因此为黑色或灰色。

在印章的黑色区域内,有许多明亮的白色区域,代表小的分层或空隙。在设备区域内也存在一些此类缺陷。在密封的圆圈区域中,这些小的缺陷形成了贯穿密封的连续或几乎连续的路径。在这种情况下,划片的过程可能会导致两个设备的密封件破裂。

在下面的图5中,出现了一种现象,这种现象在Si-Si直接键合晶片中更常见。两个晶片之间的粒子(红色箭头)将两个表面分开,形成了直接键合晶片中经常出现的经典圆形非接触缺陷(用红点勾画)。

在白色圆圈的整个区域中,两个晶片没有接触。与顶部晶圆接触的唯一项目是未键合圆心的粒子。粒子看起来很暗,因为它表示固体对固体的界面。

切割后,两个相邻的设备都将向外部开放。在这种情况下,颗粒可能比密封材料厚。粒子周围的空白区域还表明,密封区域内的特征位于底部晶圆上,而不是(由于垂直方向的微小尺寸而可能)位于顶部晶圆上。

切割前对MEMS器件进行声成像可提供在增加价值之前识别间隙型缺陷的优势。必要时,MEMS设备也可以在切割后成像,特别是在希望了解切割过程是否造成损坏的情况下。无论哪种情况,UHF超声对内部特征的高灵敏度都可以提高可靠性和产量。

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