從數據到模型：如何預測細節距鍵合的剪切力？

在微電子封裝領域，細節距鍵合工藝的開發與質量控制面臨著巨大挑戰。工程師們常常需要在缺乏大量破壞性測試的前提下，快速評估或預測一個鍵合點的剪切力性能。能否根據焊球的表觀尺寸，通過一個可靠的數學模型來預估其剪切力？行業內的研究數據為我們揭示了可能性。今天，科準測控小編將帶您了解如何基于實驗數據建立并應用預測模型，實現從“測量”到“預估”的關鍵跨越。

一、從平方定律到經驗公式

直觀上，我們可能會假設剪切力（SF）與有效焊接面積成正比，即與焊接區域當量直徑（D）的平方成正比（平方定律）。然而，對下表中大量實際工藝數據的分析表明，真實關系偏離了簡單的平方定律。

使用25μm線徑金絲，四種球形鍵合過程的平均自動鍵合工藝參數

通過對數據的高精度曲線擬合，研究人員得到了一個更為準確的經驗公式：

其中，SF單位為gf，D為實際金屬間化合物（IMC）區域的當量直徑（單位μm）。該公式的相關系數r2高達0.999，顯示了極強的統計顯著性。

不過這個公式的指數（1.7）小于2，揭示了微觀尺度下的復雜性：隨著尺寸縮小，邊緣效應、界面應力分布不均勻性以及材料尺寸效應等因素的影響變得更加顯著，導致剪切力的增長略低于面積的線性增長。

二、模型的應用：雙向預測與工藝評估

這個經驗公式為工藝工程提供了強大的實用工具，主要在兩個方向上發揮作用：

1. 正向預測剪切力：如果通過破壞性分析（如KOH腐蝕）已知某工藝條件下鍵合點的實際IMC百分比，從而計算出有效焊接直徑D，便可以利用上述公式直接預測其預期的平均剪切力（SF）。例如，對于一個實測球徑38μm、焊接比例為80%的焊點，其有效焊接直徑D為34μm，代入公式可預測剪切力約為13.4gf。將此結果與下圖的理論最大值（約12gf）對比，可以發現這是一個相當不錯的近似，驗證了模型的實用性。

2. 反向估算焊接質量：反之，如果通過非破壞性方法（如光學測量）知道了焊球外徑，并測得實際剪切力，也可以利用該模型反向估算大致的有效焊接面積或IMC百分比，從而間接評估界面焊接質量。

三、實用化公式：基于光學測量的快速評估

考慮到實際生產中無法對每個焊點進行破壞性IMC測量，研究人員進一步推導了更便于使用的公式：

這個公式（r2=0.98）在假設焊點下方平均有80%的焊接區域的前提下，直接使用光學測量的焊球外徑進行計算。它極大簡化了評估流程，只需常規的尺寸測量即可對剪切力進行快速估算，特別適用于工藝監控和快速比較。

四、模型的邊界與注意事項

盡管模型非常有用，但必須清楚其適用范圍和前提：

適用范圍：該系列公式主要適用于細節距（≤70μm至100μm）鍵合工藝的近似估算。

核心假設：上述公式基于一個固定的焊接比例（80%）假設。實際生產中，焊接比例會因清潔度、參數、材料等因素在65%-90%甚至更大范圍內波動，這會導致預測出現偏差。

指導意義大于絕對精確：這些公式的價值在于為工藝開發和質量趨勢監控提供強有力的量化指導和快速基準，而非替代精確的實物測試。它們能幫助工程師判斷工藝調整的方向是否正確，以及當前性能離潛在上限還有多大空間。

無論是建立經驗公式，還是在生產中對模型進行驗證與應用，其根基都在于精準、可靠的原始測試數據。剪切力與焊球尺寸的測量誤差，將直接導致預測失準或模型失效。科準測控的精密力學測試與測量系統，正是確保數據質量的關鍵，我們提供的不僅僅是測試設備，更是幫助客戶將實驗數據轉化為知識、將經驗轉化為模型的核心能力，助力企業在細節距封裝時代實現更高效、更可靠的工藝控制。