從測試到標(biāo)準(zhǔn)：如何科學(xué)設(shè)定鍵合強度合格線？

在微電子封裝的質(zhì)量控制中，確定鍵合強度的合格標(biāo)準(zhǔn)是一項復(fù)雜而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳌Ｃ鎸Σ煌叽绲暮盖颉⒉煌牟牧辖M合，以及可靠性的嚴(yán)苛要求，工程師們常常面臨這樣的疑問：測得的剪切力多少才算“合格”？這個標(biāo)準(zhǔn)是基于單一經(jīng)驗值，還是有一套科學(xué)、系統(tǒng)的方法可以遵循？今天，科準(zhǔn)測控小編將帶您深入探討，如何從海量測試數(shù)據(jù)中，建立起既嚴(yán)謹(jǐn)又具操作性的鍵合強度判定標(biāo)準(zhǔn)。

一、標(biāo)準(zhǔn)化的首要步驟：測量方法的統(tǒng)一與精進

建立可比性標(biāo)準(zhǔn)的第一步，是統(tǒng)一測量和計算的基礎(chǔ)。這不僅涉及單位，更關(guān)乎測量方法本身。

實用化的單位選擇：在行業(yè)內(nèi)，剪切強度（Shear Strength, SS）常使用如gf/mil2等單位。這是因為使用國際單位制（SI）的MPa或GPa時，對于微米尺度的鍵合點，數(shù)值會顯得過大或過小，不利于工程師的直觀理解和快速比對。

關(guān)鍵直徑的精準(zhǔn)測量：測量哪一部分的直徑，直接影響對“有效鍵合區(qū)域”的估算，從而影響理論最大值的參照。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的實驗室研究表明，對于非細節(jié)距焊球，焊球頂部的瓷嘴壓痕外邊界與實際鍵合區(qū)域的周邊非常接近。因此，建議使用瓷嘴壓痕外徑而非焊球最大外徑來估算焊接區(qū)域。此舉更為嚴(yán)謹(jǐn)，由此獲得的理論最大剪切力預(yù)期值，會比用焊球外徑估算的值低15%-20%。

細節(jié)距的特殊考量：對于細節(jié)距鍵合，焊球形態(tài)可能因瓷嘴設(shè)計而變?yōu)椤暗瑰F形”等非標(biāo)準(zhǔn)形狀。此時，焊接區(qū)域占比通常很高，可直接使用焊球的外部尺寸（外徑或周長）進行計算，這已成為行業(yè)內(nèi)的通用實踐。

二、界定合格門檻：理論最大值的科學(xué)運用與限制

圖中曲線是評估工藝潛力的關(guān)鍵工具，它給出了特定尺寸焊球所能達到的理論最大剪切力。然而，它無法直接給出“合格”的下限。因為實際生產(chǎn)受工藝波動、界面污染等因素影響，不可能每個焊點都達到理論最大值。直接將此值作為最低標(biāo)準(zhǔn)會導(dǎo)致過高的廢品率。

三、確立最小接受值：拉力-剪切力關(guān)聯(lián)統(tǒng)計法

科學(xué)設(shè)定最低標(biāo)準(zhǔn)（Minimum Acceptance Value）需要引入另一種破壞性測試——引線拉力測試，并進行大規(guī)模數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析。

1. 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：在同一工藝條件下，制備成千上萬個鍵合點，分別進行剪切力測試和引線拉力測試，并繪制平均拉力與平均剪切力的關(guān)系曲線。

2. 確定臨界點：分析拉力測試的失效模式。當(dāng)拉力測試中完全不再出現(xiàn)焊球從界面拉脫（失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐€斷裂或頸部斷裂）時，表明界面強度已足夠高。此時在關(guān)系曲線上對應(yīng)的剪切力值，即可定義為該工藝下可接受的最小剪切力。

3. 經(jīng)驗參考值：一項經(jīng)典研究表明，對于特定時期的粗間距工藝，良好鍵合的平均剪切力約為80gf，而焊球拉脫的臨界剪切力約為40gf。這提供了一個重要參考：最小可接受剪切力大約為理論最大值的50%。但這僅為起點，需根據(jù)具體產(chǎn)品調(diào)整。

四、可靠性要求的最終校準(zhǔn)：超越初始強度

上述基于初始強度統(tǒng)計得到的“最小值”，還需接受最終裁判——可靠性要求的校準(zhǔn)。

熱應(yīng)力考量：對于Au-Al等易受熱應(yīng)力影響的鍵合系統(tǒng)，為防止在使用壽命期內(nèi)因熱循環(huán)導(dǎo)致失效，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)往往要求更高的初始剪切強度。例如，某些要求下，最小剪切強度需達到約5.5 gf/mil2 (84MPa)，這遠高于單純基于初始斷裂統(tǒng)計得出的值。

一些細節(jié)距球形鍵合點的最小（倒錐形）外形圖

細節(jié)距的脆弱性：細節(jié)距鍵合點雖然初始剪切力值可能更高（得益于更高的焊接比例），但其界面金屬間化合物層更薄，在熱老化過程中可能退化得更快。因此，對其初始強度的設(shè)定可能需要更加保守，以預(yù)留足夠的可靠性余量。

五、科準(zhǔn)測控為科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)建立提供數(shù)據(jù)基石

建立一套科學(xué)的鍵合強度判定標(biāo)準(zhǔn)，其核心在于大量、準(zhǔn)確、可重復(fù)的測試數(shù)據(jù)。從統(tǒng)一測量方法到進行成千上萬的關(guān)聯(lián)測試，再到滿足可靠性驗證需求，每一個環(huán)節(jié)都離不開高可靠性的測試設(shè)備。科準(zhǔn)測控的精密力學(xué)測試系統(tǒng)，正是為支撐這一系統(tǒng)性工程而設(shè)計，通過提供專業(yè)的測試解決方案，助力客戶從“經(jīng)驗閾值”邁向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的科學(xué)質(zhì)量管理體系，確保每一顆芯片的連接都堅實可靠。