一、       什么是焊球剪切測(cè)試

焊球剪切測(cè)試，是微電子封裝、引線鍵合工藝中，專門檢測(cè)焊球與焊盤界面結(jié)合強(qiáng)度的力學(xué)檢測(cè)方式。用以量化焊點(diǎn)的抗剪性能，判定鍵合工藝優(yōu)劣、排查虛焊/弱焊缺陷，為半導(dǎo)體封裝制程質(zhì)控與工藝參數(shù)校準(zhǔn)提供判定的數(shù)據(jù)依據(jù)。

二、       焊球剪切測(cè)試誕生的背景

一直以來，行業(yè)傳統(tǒng)主流檢測(cè)方法都是引線拉力測(cè)試，但是這種測(cè)試存在一定缺陷，比如：斷裂位置多為引線薄弱處，無法反映焊球底部焊接界面的真實(shí)牢固度，難以檢出界面隱性缺陷。而焊球剪切測(cè)試直接作用于焊球本體，可以直接考核焊點(diǎn)界面粘接可靠性。

三、       焊球剪切測(cè)試的原理

1.       測(cè)試結(jié)構(gòu)：以精密剪切刀為執(zhí)行部件，樣品固定于顯微觀測(cè)平臺(tái)；

2.       作業(yè)方式：剪切刀平行于基板表面、貼近焊球底部間隙，施加水平側(cè)向推力；

3.       判定邏輯：持續(xù)加載直至焊球從焊盤界面剝離脫落，采集臨界最大剪切力，作為評(píng)價(jià)鍵合強(qiáng)度的核心指標(biāo)。

四、       焊球剪切測(cè)試常用設(shè)備

1.       傳統(tǒng)臺(tái)式精密設(shè)備

底座平臺(tái)移動(dòng)、剪切刀固定，配置高精度力傳感器與顯微系統(tǒng)，測(cè)試速率穩(wěn)定，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)，適用于標(biāo)準(zhǔn)化定量檢測(cè)。

2.       現(xiàn)代全自動(dòng)測(cè)試設(shè)備

樣品固定、剪切刀數(shù)控位移，自動(dòng)定位、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)分析失效模式，適配工業(yè)化批量封裝檢測(cè)場(chǎng)景。

除以上兩種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型外，還有手動(dòng)探頭式簡(jiǎn)易剪切方式，不過僅用于現(xiàn)場(chǎng)快速定性判斷，無法輸出精準(zhǔn)定量數(shù)據(jù)。

五、       影響焊球剪切測(cè)試精度的因素

1.       剪切刀高度偏差

刀頭與基板間隙過大或過小，會(huì)分別造成受力位置偏移、基板摩擦阻力干擾，直接導(dǎo)致剪切力數(shù)據(jù)失真。

2.       材質(zhì)界面二次粘合

金質(zhì)焊球與金焊盤摩擦過程中易產(chǎn)生冷焊復(fù)粘，提升測(cè)量數(shù)值，需通過優(yōu)化刀頭結(jié)構(gòu)規(guī)避誤差。

牢固的金球鍵合經(jīng)歷摩擦后重新焊接到金層焊盤上的示例圖

3.       基底材質(zhì)差異

厚膜、薄膜基板表面平整度、鍍層附著力不同，會(huì)直接影響焊球鍵合基礎(chǔ)強(qiáng)度，造成測(cè)試結(jié)果差異化。

粘附性較差的金厚膜上熱壓鍵合焊球的剪切示例圖

4.       特殊焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)

多層堆疊、球上球復(fù)合焊點(diǎn)等異形結(jié)構(gòu)，受力邏輯復(fù)雜，需定制化測(cè)試參數(shù)，保證檢測(cè)有效性。

六、焊球剪切力與鍵合面積的關(guān)系

1.不同引線材質(zhì)本身存在固有剪切強(qiáng)度：摻雜微量Cu/Ag的金絲：剪切強(qiáng)度約90MPa；合金金絲強(qiáng)度可再提升10%~20%；硬態(tài)Al1%Si鋁絲：剪切強(qiáng)度139MPa；退火態(tài)鋁絲：84MPa。

2.剪切力與鍵合區(qū)域的對(duì)照曲線直觀證明了鍵合區(qū)域直徑越大，可承受的剪切力呈近似冪函數(shù)增長(zhǎng)；金絲曲線具有單一穩(wěn)定性，即退火金球幾乎不受摻雜影響，數(shù)據(jù)一致性高；而鋁絲存在強(qiáng)度區(qū)間。

3.       理論上滿焊面積僅為理想最大值，真實(shí)生產(chǎn)存在損耗：常規(guī)熱超聲鍵合，實(shí)際有效焊接面積通常僅占標(biāo)稱焊球面積的65%，工藝優(yōu)化后最高可達(dá)80%以上；表面清潔度、鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化，可顯著提升有效焊接占比，拉高實(shí)測(cè)剪切力；根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，75~90μm直徑焊球，金-金鍵合剪切力約40gf；金-鋁鍵合剪切力約30gf。

七、焊球剪切強(qiáng)度公式

1. 剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)化定義

為消除焊球尺寸差異、實(shí)現(xiàn)跨規(guī)格橫向?qū)Ρ?，行業(yè)定義

剪切強(qiáng)度 = 實(shí)測(cè)剪切力 ÷ 焊球有效鍵合面積

 2. 實(shí)測(cè)冪函數(shù)擬合模型

基于海量工業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)公式，可直接用于細(xì)間距（≤100μm，尤其≤70μm）工藝的剪切力快速預(yù)判

3. 細(xì)間距工藝特殊趨勢(shì)

- 芯片工藝持續(xù)向＜50μm超細(xì)間距迭代，焊球尺寸大幅縮小

- 直徑＜50μm后，剪切力快速跌至20gf以下，測(cè)試難度陡增，對(duì)設(shè)備定位精度、刀具精度要求指數(shù)級(jí)提升

- 間距過小時(shí)，剪切測(cè)試可行性大幅下降，行業(yè)會(huì)回歸輔助拉力測(cè)試做補(bǔ)充

八、Au-Al金屬間化合物對(duì)焊球剪切性能影響

1. 初始加工態(tài)：鍵合界面新生金屬間化合物層極薄，不降低剪切強(qiáng)度，反而是實(shí)現(xiàn)牢固Au-Al冶金結(jié)合的必要基礎(chǔ)

2. 熱暴露/長(zhǎng)期老化后：金屬間化合物持續(xù)生長(zhǎng)、變厚；純凈無空洞的化合物界面，整體強(qiáng)度可達(dá)純金/純鋁基體的3~10倍，高溫初期甚至?xí)^測(cè)到剪切力不降反升（+10%以上）

3. 失效風(fēng)險(xiǎn)隱患：劣質(zhì)鍵合界面，化合物會(huì)形成尖銳“刺狀結(jié)構(gòu)"，反而會(huì)造成虛假偏高的剪切力，掩蓋內(nèi)部隱性缺陷；同時(shí)會(huì)對(duì)硅芯片基底產(chǎn)生應(yīng)力，誘發(fā)硅片彈坑、暗裂損傷

九、焊球剪切測(cè)試的局限與失效驗(yàn)證手段

僅靠靜態(tài)剪切力數(shù)值，無法分辨真實(shí)牢固鍵合、和虛假高阻的尖刺缺陷鍵合，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)合格、長(zhǎng)期熱應(yīng)力后快速失效的誤判。

驗(yàn)證方案：拉拔測(cè)試、撬杠測(cè)試、翻轉(zhuǎn)測(cè)試：用刀片撬動(dòng)、剝離焊球，觀察界面殘留與尖刺形態(tài)，識(shí)別隱蔽不良

KOH腐蝕法：腐蝕去除鋁焊盤，直接觀測(cè)底部金屬間化合物分布與斷裂形貌

熱應(yīng)力老化驗(yàn)證：不良鍵合剪切力降至初始值50%以下、甚至25%以下時(shí)，尖刺失效機(jī)制會(huì)集中爆發(fā)

十、焊球剪切測(cè)試與拉力測(cè)試對(duì)比

觀察200°C時(shí)金球鍵合點(diǎn)的剪切力和拉力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖可以看到，高溫200℃長(zhǎng)期時(shí)效后，焊球剪切力大幅衰減（界面強(qiáng)度下降2.6倍），而同期引線拉力數(shù)值不降反升，僅金絲本身冶金特性改變，無法反映界面真實(shí)退化。可以得出焊球剪切測(cè)試相對(duì)于引線拉力測(cè)試，能夠更加精準(zhǔn)表征焊球-焊盤界面真實(shí)結(jié)合情況。

十一、焊球剪切測(cè)試在鍵合工藝中的應(yīng)用與參數(shù)指導(dǎo)

1. 熱壓（TC）鍵合場(chǎng)景

傳統(tǒng)熱壓鍵合因?yàn)闇囟雀摺㈡I合時(shí)間長(zhǎng)，目前已經(jīng)逐步被行業(yè)淘汰，但它是鍵合原理的基礎(chǔ)，是理解剪切測(cè)試開發(fā)邏輯的前提。

典型工藝參數(shù)（25μm/1mil金絲，Al/Au金屬焊盤）：

界面溫度：300℃

鍵合時(shí)間：0.2s

鍵合力：100~125gf

測(cè)試價(jià)值：剪切測(cè)試結(jié)果可以反向優(yōu)化鍵合機(jī)參數(shù)；存在有機(jī)污染時(shí)，溫度越高，剪切鍵合強(qiáng)度越高。

2. 熱超聲（TS/US）鍵合場(chǎng)景

超聲功率：是最核心影響變量；超聲功率提升，剪切強(qiáng)度明顯上升；且Al金屬層對(duì)超聲功率的敏感度遠(yuǎn)高于Au金屬層。

頻率差異：同工藝關(guān)系在60kHz/120kHz下趨勢(shì)近似；100kHz在更短鍵合時(shí)間下，剪切強(qiáng)度優(yōu)于60kHz，高頻可提升生產(chǎn)效率。

超聲功率對(duì)焊球-剪切力的影響圖

3.參數(shù)設(shè)置方法

現(xiàn)代行業(yè)通用 DOE（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）方法，來批量?jī)?yōu)化機(jī)器變量、鎖定最you參數(shù)。

自動(dòng)鍵合機(jī)（鍵合時(shí)間8~15ms，高頻超聲）和老式手動(dòng)鍵合機(jī)（50ms左右）結(jié)果差異極大，自動(dòng)機(jī)必須用DOE校準(zhǔn)。

十二、延伸：楔形鍵合點(diǎn)的剪切測(cè)試

1. 細(xì)徑Al超聲楔形鍵合

形變?cè)龃髸r(shí)，鍵合根部變?nèi)酰ɡο陆担?，但焊接接觸面積變大；剪切測(cè)試只對(duì)焊接面積敏感、對(duì)根部弱化不敏感，因此對(duì)細(xì)Al楔形鍵合評(píng)估價(jià)值有限，僅適用于形變≤1.25倍線徑、線徑≤25μm的場(chǎng)景。

2. 粗線徑功率器件楔形鍵合

多用于功率器件粗鋁絲（≥100μm）鍵合，良好鍵合點(diǎn)剪切力可達(dá)拉力的2~4倍。

專屬剪切強(qiáng)度公式：

3. 其他場(chǎng)景

薄帶線鍵合、晶圓級(jí)TAB凸點(diǎn)、倒裝芯片焊球強(qiáng)度，都可使用剪切測(cè)試評(píng)估。

十三、焊球剪切測(cè)試行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

1. ASTM F1269：1990年發(fā)布，2006、2013年更新，球形鍵合剪切測(cè)試通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

2. JEDEC EIA/JESD22-B116：商用通用引線鍵合剪切測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，給出了不同鍵合直徑下的最小剪切強(qiáng)度推薦閾值。

3. 可靠性分級(jí)要求

普通工況：參考標(biāo)準(zhǔn)下方基礎(chǔ)合格曲線；

高溫長(zhǎng)期高可靠場(chǎng)景（175℃、1000h壽命要求，Au-Al鍵合體系）：必須采用上方高標(biāo)準(zhǔn)曲線，zuidi剪切強(qiáng)度要求84MPa（5.5g/mil2）。

十四、焊球剪切測(cè)試主要應(yīng)用價(jià)值

工藝層面：校準(zhǔn)鍵合設(shè)備參數(shù)，優(yōu)化球形鍵合生產(chǎn)工藝；

品質(zhì)層面：識(shí)別虛焊、界面開裂、鍍層脫落等隱性封裝缺陷；

可靠性層面：評(píng)估長(zhǎng)期使用環(huán)境下，芯片焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與使用壽命；

行業(yè)層面：成為半導(dǎo)體、微電子、集成電路封裝領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化可靠性檢測(cè)項(xiàng)目。

以上就是科準(zhǔn)測(cè)控小編關(guān)于焊球剪切測(cè)試相關(guān)介紹的全部?jī)?nèi)容了，希望對(duì)您有幫助，如果您正在從事微電子封裝或半導(dǎo)體鍵合工藝相關(guān)工作，在焊球剪切測(cè)試中遇到任何問題，或需要高精度測(cè)試設(shè)備支持，歡迎聯(lián)系科準(zhǔn)測(cè)控，我們?yōu)槟峁I(yè)建議。