誰更有效？解碼焊球剪切與鍵合點拉力測試的真實對比

在微電子封裝可靠性評估中，焊球-剪切測試和鍵合點-拉力測試是兩種最常用的機械性能檢測方法。長期以來，工程界對這兩種測試手段的有效性和適用場景存在諸多討論。究竟哪一種測試更能真實反映鍵合界面的長期可靠性？今天，跟隨科準測控小編來一探究竟。

一、核心實驗：極端熱應力下的性能演變

White的研究為此問題提供了極具說服力的數據。該實驗采用了與集成電路鋁金屬層形成牢固連接的金球鍵合樣品，并在200℃的高溫環境下進行了長達2688小時（約112天）的加速老化試驗。研究人員通過定期取樣，分別進行剪切測試和拉力測試，系統追蹤了金-鋁界面在長期熱應力下的退化過程。

上圖重新繪制了這項關鍵研究的核心數據，揭示了一個出乎意料的現象：隨著老化時間增加，剪切力呈現顯著下降趨勢，而拉力值卻基本保持穩定甚至略有上升。

二、數據解讀：兩種測試的不同響應機制

1. 剪切測試：對界面退化高度敏感

實驗數據顯示，經過長時間熱老化后，鍵合界面的剪切強度降低了約2.6倍。這種退化主要歸因于兩個因素：

金屬間化合物（IMC）的形成：金和鋁在高溫下持續擴散反應，生成脆性的Au-Al金屬間化合物層

柯肯達爾（Kirkendall）空洞的產生：由于金、鋁原子擴散速率不同，在界面處產生微空洞缺陷

重要發現：盡管界面發生了明顯的機械性能退化，但器件的電學性能僅受到輕微影響（電阻增加僅幾毫歐）。這證實了機械可靠性失效可能先于電學失效發生，凸顯了機械測試在早期預警中的價值。

2. 拉力測試：反映金線本體性能

與剪切測試的顯著變化不同，拉力值在整個老化過程中基本保持穩定。這種差異源于兩種測試的本質區別：

剪切測試：主要評估鍵合界面的結合強度，對界面退化直接敏感

拉力測試：更側重于評估金線自身的冶金性能和抗拉強度

實驗中觀察到的拉力值輕微上升，很可能反映了金線在高溫下發生的冶金學變化（如晶粒生長、再結晶等），而非界面強度的改善。

三、關鍵結論：測試方法的適用邊界

1. 剪切測試的獨特價值

這項研究明確指出：焊球-剪切測試是評估鍵合界面長期可靠性的更有效指標。它能夠敏感地檢測出由金屬間化合物生長和空洞形成引起的界面退化，而這種退化在拉力測試中可能被完全掩蓋。

2. 拉力測試的局限性

拉力測試并非界面強度的有效指標。它更適合評估：

金線材料本身的機械性能

鍵合點的整體結構完整性

頸縮區域的強度

3. 互補而非替代

值得注意的是，實驗中的極端熱應力條件（消耗了所有可用鋁層）并未導致器件功能失效。這進一步強調了：

兩種測試提供的是不同維度的信息

在可靠性評估中需要綜合使用多種測試方法

電學性能測試應與機械測試相結合

四、工程實踐啟示

1. 質量控制策略：對于長期可靠性要求嚴格的器件，應優先采用剪切測試作為鍵合界面退化的監控手段。

2. 測試計劃設計：在加速壽命試驗中，需要合理安排剪切測試和拉力測試的取樣頻率和時機，以獲取全面的退化信息。

3. 失效分析框架：當觀察到剪切強度下降而拉力值穩定時，應首先懷疑界面退化問題，而非金線本身的質量問題。

4. 標準制定參考：這項研究為行業測試標準的制定提供了重要實驗依據，特別是在高溫應用場景下。

五、科準測控解決方案：精準測試的專業支撐

理解剪切測試與拉力測試的本質區別，對于選擇合適的測試設備至關重要。科準測控的精密微力測試系統正是為此類應用場景而設計：

精準的測試能力：科準測控設備能夠以毫牛級分辨率精確測量剪切力和拉力變化，確保即使在長時間熱老化后的微小強度變化也能被準確捕捉。

多功能測試平臺：我們的系統支持焊球剪切、鍵合點拉拔、界面剝離等多種測試模式，一臺設備即可完成全面的可靠性評估。

智能數據分析：內置專業分析軟件可自動生成類似圖4-20的趨勢曲線，并計算退化速率、預測失效時間，為工藝優化提供數據支撐。

高溫環境模擬：可選配溫控系統，直接在高溫環境下進行原位測試，更真實地模擬實際工作條件。

六、未來展望

隨著先進封裝技術向更小尺寸、更高密度發展，鍵合界面的可靠性評估面臨新挑戰。下一代測試技術可能需要：

- 開發能夠同時測量剪切和拉力的集成測試方法

- 建立更精細的界面退化預測模型

- 將機械測試數據與電學、熱學性能更緊密關聯

結語

White的經典研究清楚地表明：在評估金-鋁鍵合界面長期熱可靠性時，焊球-剪切測試比鍵合點-拉力測試更為敏感和有效。這一認識不僅加深了我們對微電子互連失效機理的理解，也為優化可靠性測試策略提供了科學依據。

科準測控的精密測試解決方案，為工程師執行這類關鍵的可靠性評估提供了專業工具支持。通過科學選擇測試方法和設備，工程師能夠更早地發現潛在可靠性風險，確保微電子器件在嚴苛環境下的長期穩定運行。