微机电器件（MEMS）圆片键合可靠性评价方法

ICS31.200

CCSL55

团体标准

T/CIEXXX-2022

微机电（MEMS）器件圆片键合可靠性评价

方法

ReliabilityevaluationmethodforwaferlevelbondingofMEMSdevice

（征求意见稿）

（本草案完成时间：2022.5.20）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

xxxx-xx-xx发布xxxx-xx-xx实施

中国电子学会发布

T/CIEXXX-2022

微机电（MEMS）器件圆片键合可靠性评价方法

1范围

本文件确立了对MEMS器件圆片键合开展可靠性评价的方法和程序。

本文件适用于基于圆片键合工艺加工的MEMS器件，包括MEMS器件成品结构、圆片键合工艺过程结

构等，可用于MEMS器件的提供者、使用者和第三方评价MEMS器件圆片键合结构的可靠性。此处第三方

是指在MEMS器件产品交付过程中进行认证和提供鉴定、试验等服务的独立机构。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文

件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适

用于本文件。

GB/T26111微机电系统（MEMS）技术术语

GJB548B-2005微电子器件试验方法和程序

IEC62047-9-2011半导体器件微机电器件第9部分：晶圆间键合强度测量

3术语和定义

GB/T26111界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

微机电系统micro-electromechanicalsystems；MEMS

关键（部件）特征尺寸在亚微米至亚毫米之间，能独立完成机电光等功能的系统。微机电系统

一般包括微型机构、微型传感器、微执行器、信号处理和控制、通讯接口电路以及能源等部分。

3.2

微机电器件micro-electromechanicaldevice

集成了传感器、执行器、换能器、谐振器、振荡器、机械组件和/或电路的微型化器件。

3.3

微加工micromachining

实现微观结构的加工工艺。源自半导体制造技术给加工工艺，用于实现生产微机械或MEMS的微

观结构。

3.4

体微加工bulkmicromachining

去除部分衬底材料的微加工。

3.5

键合bonding

将一个对象连接到另一个对象的一种技术。典型的例子包括阳极键合、扩散键合、硅熔融键合。

在这些例子中，材料在没有粘合剂材料的情况下被粘合。

3.6

晶圆级封装waferlevelpackaging

1

T/CIEXXX-2022

在晶圆划片前完成封装的工艺。

4一般要求

4.1一般测试条件

除非另有规定，测试条件为标准大气条件，环境温度为(15~35)℃、相对湿度为(20~80)%及大气

压力(86~106)kPa。

4.2设备要求

(1)校准：测试及试验设备应符合GJB2712A-2009的要求。

(2)误差：用于控制或监测试验参数以及进行测试及试验的仪器、设备，其误差应不大于被测/

被控参数误差的三分之一，或按有关标准的规定。

4.3安全防护

在涉及安全的操作时，应采取防护措施，确保在安全的状态下进行操作。

4.4注意事项

(1)测试前，应按照产品相关详细规范和使用说明书的要求，牢固安装被测样品及附属系统，

正确连接电源线及测试线缆。

(2)异常终止试验的条件：当试验过程中出现以下情况时应立即终止试验。

a)出现危及样品或人员安全的情况；

b)试验设备未按设定程序运行，或程序设定有误；

c)试验数据表明试品明显不符合规定的指标，且继续试验已无意义；

d)发生试验室断电等其它异常情况。

5详细要求

5.1参数检测

5.1.1键合强度检测

5.1.1.1测试目的

通过测试MEMS圆片键合结构的键合强度，同时观察测试后的表面形貌来判定圆片键合工艺及键

合结构是否良好。

5.1.1.2测试要求

(1)设备要求

本测试所需设备为一台能施加载荷的仪器及测力计，要求其准确度达到满刻度的±5%。

(2)样品要求

测试前应对测试样品做处理，露出圆片键合结构，具备检测条件。

5.1.1.3失效评定

2

T/CIEXXX-2022

依据产品手册规定的键合强度及残留形貌特征要求确定是否失效。

5.1.2键合界面检测

5.1.2.1测试目的

通过检测MEMS圆片键合结构界面处是否有分层或裂纹来判定圆片键合工艺及键合结构是否良好。

5.1.2.2测试要求

(1)设备要求

本测试所需设备为扫描电子显微镜，要求其在使用条件下测量图像时应具有25nm或更高的分辨

率，其放大倍数在1000倍~20000倍间可调节。

(2)样品要求

测试前应对测试样品做切片处理，露出圆片键合纵向剖面结构，具备检测条件。

5.1.2.3失效评定

符合以下任一条判据均应视为失效。

(1)圆片键合界面处出现分层现象；

(2)圆片键合基体结构中出现裂纹现象，且该裂纹起始处位于键合界面处。

5.1.3键合对准精度检测

5.1.3.1测试目的

通过测量MEMS圆片键合结构的键合对准精度来判定圆片键合工艺及键合结构是否良好。

5.1.3.2测试要求

(1)设备要求

本测试所需设备为扫描电子显微镜，要求其在使用条件下测量图像时应具有25nm或更高的分辨

率，其放大倍数在1000倍~20000倍间可调节，并具备尺寸测量功能。

(2)样品要求

测试前应对测试样品做切片处理，露出圆片键合纵向剖面结构，具备检测条件。

5.1.3.3失效评定

符合以下任一条判据均应视为失效。

(1)键合对准精度超出设计规定范围；

(2)在无明确键合对准精度要求时，键合对准精度大于5μm。

5.2可靠性试验

5.2.1温度循环试验

5.2.1.1试验目的

模拟MEMS圆片键合结构暴露于高低温环境下，以及抗御高低温环境的能力。

5.2.1.2试验要求

3

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将试验样品置于专用温度循环试验箱中，通过施加规定的温度循环应力来评价MEMS圆片键合结

构在温度循环应力下性能是否发生退化。

温度循环试验条件：极限温度应从下表中选取，温度循环次数不少于100次，从热到冷或从冷到

热的总转换时间不得超过1min，一次温度循环包括表中的步骤1至步骤3；推荐使用试验条件B。

温度循环试验条件

步骤ABC

温度℃时间温度℃时间温度℃时间

00

10≥10min-55-5≥10min-65-5≥10min

-40-3

2转换≤1min转换≤1min转换≤1min

+3+5

3+3≥10min1250≥10min1500≥10min

850

备注：

(1)本文件中的温度循环试验未将相对湿度列为试验条件，但为避免试验过程中在试品表面发生

水汽冷凝，试验时应考虑对高低温箱进行干燥处理。

(2)试验箱内的温度控制，应使工作空间内任一测量点的温度保持在±2℃之内；试验箱的构造

应使工作空间内任一点的温度，在任何时间偏离测量点不超过±3℃。

5.2.1.3参数检测

温度循环试验后应进行键合强度检测（参见5.1.1）和键合界面检测（参见5.1.2）。

5.2.2高温试验

5.2.2.1试验目的

模拟MEMS圆片键合结构暴露于高温环境下，以及抗御高温环境的能力。

5.2.2.2试验要求

将试验样品置于专用高温箱中，通过施加规定的高温应力来评价MEMS圆片键合结构在高温应力

下性能是否发生退化。

高温试验条件如下表：极限温度应从下表中选取；推荐使用试验条件B。

高温试验条件

ABC

温度℃时间温度℃时间温度℃时间

+5+5+5

+125-3160h+150-380h+175-348h

备注：

(1)试验箱内的温度控制，应使工作空间内任一测量点的温度保持在±2℃之内；试验箱的构造

应使工作空间内任一点的温度，在任何时间偏离测量点不超过±3℃。

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5.2.2.3参数检测

高温试验后应进行键合强度检测（参见5.1.1）和键合界面检测（参见5.1.2）。

5.2.3机械冲击试验

5.2.3.1试验目的

模拟MEMS圆片键合暴露于机械冲击环境下，以及抗御机械冲击环境的能力。

5.2.3.2试验要求

将试验样品安装固定于机械冲击设备上，通过施加规定的机械冲击应力来评价MEMS圆片键合结

构在机械冲击应力下的可靠性水平。

使用机械冲击谱试验方法进行机械冲击试验，本文件采用半正弦冲击模拟装置产生规定的冲击响

应谱。

机械冲击试验条件：试验量级和持续时间如下；按照产品实际使用环境确定试验条件，推荐使用

试验条件D。按照产品实际使用情况选择机械冲击方向，推荐在X、Y、Z方向各冲击1次。

试验条件峰值脉冲宽度（ms）波形

A1000g1半正弦

B5000g0.3半正弦

C10000g0.1~0.2半正弦

D20000g0.1~0.2半正弦

备注：

(1)机械冲击试验后，所有产品固定用紧固件不得有松脱、动态干涉、损坏现象。

(2)机械冲击试验容差为±15%。

5.2.3.3参数检测

机械冲击试验后应对样品进行外观检查，外观完好的情况下进行键合界面检测（参见5.1.2）。

5.2.4扫频振动试验

5.2.4.1试验目的

模拟MEMS圆片键合暴露于机械振动环境下，以及抗御机械振动环境的能力。

5.2.4.2试验要求

将试验样品安装固定于扫频振动设备上，通过施加规定的扫频振动应力来评价MEMS圆片键合结

构在扫频振动力学环境条件下性能是否发生退化。

本试验在能够提供相应试验条件的正弦振动台上完成，试验夹具优先选用铝合金夹具。基本运动

为时间的正弦函数，试验样品各固定点应基本上同相沿平行直线运动。

试验量级和持续时间如下表：按照产品实际使用情况选择机械振动方向，推荐在X、Y、Z方向

各振动4次。

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频率范围Hz位移幅值mm试验持续时间

一次扫频时间扫频次数总试验时间

20~20001.52±0.15min每方向次数×方向数min

44×3=1248

备注：

(1)机械冲击试验后，所有产品固定用紧固件不得有松脱、动态干涉、损坏现象。

(2)机械冲击试验容差为±15%。

5.2.4.3参数检测

扫频振动试验后应对样品进行外观检查，外观完好的情况下进行键合强度检测（参见5.1.1）和

键合界面检测（参见5.1.2）。

6评价流程

6.1一般流程

针对MEMS圆片键合开展可靠性评价的一般流程如下：

(1)将样品进行分组，共5组，包括平行组、温度循环试验组、高温试验组、机械冲击试验组、

扫频振动试验组，每组样品数量不少于6只；

(2)对样品进行编号；

(3)对平行组样品进行参数检测，包括键合强度检测、键合界面检测、键合对准精度检测；

(4)在平行组样品未发生失效的情况下，对其他试验组样品进行可靠性试验；

(5)对温度循环试验组样品进行温度循环试验，试验后对样品进行外观检查，外观完好的情况下

进行键合强度检测和键合界面检测；

(6)对高温试验组样品进行高温试验，试验后对样品进行外观检查，外观完好的情况下进行键合

强度检测和键合界面检测；

(7)对机械冲击试验组样品进行机械冲击试验，试验后对样品进行外观检查，外观完好的情况下

进行键合界面测试；

(8)对扫频振动试验组样品进行扫频振动试验，试验后对样品进行外观检查，外观完好的情况下

进行键合强度检测和键合界面检测。

6.2参数检测流程

6.2.1键合强度检测

6.2.1.1检测准备

(1)对样品进行处理，露出圆片键合结构；

(2)准备好测试夹具，用于将样品固定于测试仪器上。

6.2.1.2检测程序

(1)检查试验样品是否完好，并记录检测结果；

6

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(2)对样品进行处理；

(3)将样品固定于测试仪器上；

(4)选择并安装好合适的劈刀头等测试工具；

(5)设定好测试仪器参数；

(6)选定待测试的键合结构；

(7)芯片接触工具应在固定芯片的基座成90°的芯片边沿由0N到规定值逐渐施加机械力；

(8)记录使键合界面脱离时所加力的大小和脱离的类别：a.从上层基体中脱离；b.从下层基体中

脱离；c.从键合界面脱离。

(9)计算键合结构的键合面积，得到圆片键合强度（单位为MPa），并记录检测结果。

6.2.2键合界面检测

6.2.2.1检测准备

(1)对样品进行切片处理；

(2)露出待检测的圆片键合纵向结构。

6.2.2.2检测程序

(1)检查样品是否完好，并记录检测结果；

(2)对样品进行切片处理；

(3)对切片样品进行扫描电镜检测前的处理；

(4)将样品放置于扫描电镜中；

(5)设定好扫描电镜检测仪器参数；

(6)观察圆片键合界面处是否有分层及裂纹现象；

(7)记录观察结果。

6.2.3键合对准精度检测

6.2.3.1检测准备

(1)对样品进行切片处理；

(2)露出待检测的圆片键合纵向结构。

6.2.3.2检测程序

(1)检查样品是否完好，并记录检测结果；

(2)对样品进行切片处理；

(3)对切片样品进行扫描电镜检测前的处理；

(4)将样品放置于扫描电镜中；

(5)设定好扫描电镜检测仪器参数；

(6)在圆片键合结构处，测量键合结构中的上层键合结构中心点与下层键合结构中心点的距离；

(7)记录上述距离即为键合对准精度。

6.3可靠性试验流程

6.3.1温度循环试验评价

7

T/CIEXXX-2022

6.3.1.1试验准备

(1)温度循环试验箱应有足够的热容量，以便试验样品放入温度循环试验箱后，在规定工作时间

就能回复到规定的温度值。

(2)试验样品的安装和支撑架的热导率应低，以保证试验样品与安装和支撑架间处于一种绝热状

态。

6.3.1.2试验评价程序

按下列步骤进行温度循环试验评价：

(1)初始检测。对试验样品按照相关标准及产品详规的规定进行外观检查，并记录检测结果。

(2)将试验样品置于低温箱中，试验样品不加电。此时，低温箱的温度已调至规定的极值温度，

并在此温度下保持规定时间。

(3)低温保温时间到，在1min内将试验样品从低温箱移至高温箱中。此时，高温箱的温度已调

至规定的极值温度，并在此温度下保持按规定的时间。

(4)高温保温时间到，在1min内将试验样品从高温箱移至低温箱中。

(5)按照极限温度及温度循环次数规定的循环次数，重复（3）~（4）两条。当试验样品从一个

试验箱转换到另一个试验箱时，不应承受强制的循环气流。

(6)温度循环结束后，停止温度循环程序，待箱内温度自行缓慢降低到室温后切断温度循环试验

箱电源。

(7)将试验样品置于试验的标准大气条件下达到温度稳定。

(8)对试验样品进行外观检查，并记录检测结果；

(9)外观检查完好的情况下，依据6.2.1和6.2.2对试验后样品的键合强度和键合界面分别进行检

测，并记录检测结果。

备注：

(1)在完成规定试验总循环数期间，为了进行样品批的加载或去载，或由于电源或设备故障，允

许中断试验。然而，对任何给定的试验，若中断次数超过规定循环总次数的10%时，试验必须从头

开始。

6.3.2高温试验评价

6.3.2.1试验准备

(1)高温试验箱应有足够的热容量，以便试验样品放入高温试验箱后，在规定工作时间就能回复

到规定的温度值。

(2)试验样品的安装和支撑架的热导率应低，以保证试验样品与安装和支撑架间处于一种绝热状

态。

6.3.2.2试验评价程序

按如下步骤进行高温试验评价：

(1)初始检测。对试验样品按照相关标准及产品详规的规定进行外观检查，并记录检测结果。

(2)将试验样品置于高温箱中，试验样品不加电。

(3)将箱内温度以3℃/min升高到最高温度点。

(4)在最高温度点停留时间规定时间。

(5)试验结束后，待箱内温度自行缓慢降低到室温后切断高温箱电源。

8

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(6)将试验样品置于试验的标准大气条件下达到温度稳定。

(7)对试验样品进行外观检查，并记录检测结果。

(8)外观检查完好的情况下，依据6.2.1和6.2.2对试验后样品的键合强度和键合界面分别进行检

测，并记录检测结果。

备注：

(1)若在规定进行的试验时间内的某段时间出现了导致高温应力未能加载到样品上时，应延长试

验时间以保障样品实际受到高温应力作用的时间满足规定的最少总试验时间要求。

6.3.3机械冲击试验评价

6.3.3.1试验准备

(1)标定并安装冲击传感器；

(2)进行机械冲击预试验，记录全部响应点响应曲线。

6.3.3.2试验评价程序

按如下步骤进行机械冲击试验评价：

(1)初始检测。对试验样品按照相关标准及产品详规的规定进行试验前的外观检查，并记录检测

结果。

(2)设置机械冲击试验参数。

(3)进行