楔形鍵合點剪切測試實用性的科學評估

在半導體封裝領域，焊球-剪切測試因其直觀、有效而成為評估金球鍵合點質量的行業(yè)標準。然而，對于線徑更細、形貌更復雜的超聲鋁楔形鍵合點，直接沿用剪切測試方法進行強度評估是否科學可靠？今天，科準測控小編就來和大家一起探討這個在鍵合質量評估中頗具挑戰(zhàn)性的問題：剪切測試這一評估球形鍵合點的“利器”，是否同樣適用于超聲楔形鍵合點？

一、對比實驗

為回答這個核心問題，美國國家標準與技術研究院（NIST）與桑迪亞國家實驗室（Sandia）進行了一次嚴謹的聯合研究。

實驗設計如下：

材料：使用三組線徑為25μm（1密耳）、含1%硅的鋁絲。

工藝：在NIST，通過超聲楔形鍵合工藝，將這些鋁絲鍵合到同一晶圓的鋁金屬層上，形成大量鍵合點。

方法：隨機選擇一半鍵合點進行破壞性拉力測試，隨后將晶圓送至Sandia，對剩余鍵合點進行剪切測試。

目標：直接對比兩種測試方法對同一批鍵合點評估結果的差異性與相關性。

二、測試結果

實驗數據結果如圖：

核心發(fā)現是：拉力測試與剪切測試的結果呈現顯著的、系統性的背離。

具體表現為：隨著鍵合點形變（即壓扁程度）的增加：

拉力測試值明顯下降，剪切測試值卻保持穩(wěn)定甚至可能上升。

這一看似矛盾的現象，其根源在于兩種測試方法所評估的失效機理與敏感區(qū)域完全不同。

三、機理剖析：拉力與剪切，究竟測的是什么？

要理解數據背離，必須深入鋁楔形鍵合的冶金學本質。

1. 拉力測試的敏感區(qū)：脆弱的“腳跟”

在超聲鋁楔形鍵合過程中，引線在鍵合工具壓力下發(fā)生塑性形變。鍵合點的“腳跟”部位（即引線進入鍵合點的彎曲根部）經歷了最劇烈的變形和加工硬化，成為整個結構的力學薄弱點。

拉力測試垂直向上施力，其失效通常始于這個過度加工、已然脆弱的“腳跟”部位發(fā)生頸縮或斷裂。因此，形變越大，腳跟越弱，拉力值就越低。拉力測試靈敏地反映了這一“最弱環(huán)節(jié)”的強度。

2. 剪切測試的“盲區(qū)”與敏感區(qū)：焊接界面

剪切測試從側面水平推切鍵合點。其工具作用于鍵合點主體，完全避開了“腳跟”區(qū)域。

剪切失效主要發(fā)生在鋁絲與鋁焊盤之間的焊接界面。其強度直接取決于界面原子結合的緊密程度，即有效的焊接面積。

形變增加，雖然惡化了腳跟強度，卻同時增大了鋁絲與焊盤的接觸與焊接面積。因此，剪切力值可能保持不變或增加，它反映的是界面結合質量，而非整體結構的最弱處。

簡言之：拉力測的是“結構瓶頸”（腳跟），剪切測的是“界面結合”（焊區(qū)）。一個鍵合點即使腳跟已存在裂紋甚至近乎斷裂，只要界面焊接良好，仍能測出很高的剪切力值。

四、工程實踐中的結論與啟示

基于上述機理，可以得出以下關鍵結論：

1. 局限性：剪切測試并非評估細鋁絲楔形鍵合點整體可靠性的有效通用工具，尤其當鍵合點形變超過線徑2倍以上時。它無法預警由“腳跟”脆弱導致的早期拉力失效風險。

2. 有條件的使用價值：在充分理解其原理局限的前提下，剪切測試儀因其高精度（定位精度達微米級）的優(yōu)勢，有時可用于專項評估楔形鍵合點的焊接界面質量。

3. 現代工藝下的可行性窗口：對于采用高頻鍵合（≥100kHz）的現代設備，推薦的楔形鍵合點最小形變約為線徑的1.25倍。在此規(guī)范下，除非使用線徑≤25μm的極細引線，否則由“腳跟”過度弱化導致的問題不再突出，此時使用剪切測試進行工藝監(jiān)控通常是可行的。

NIST與Sandia的這項研究深刻揭示：在精密制造領域，沒有放之四海而皆準的測試方法。理解不同測試方法背后的物理機制，是科學評估鍵合質量的前提。科準測控的精密測試設備與分析方案，正是為了幫助工程師獲得這種深層洞察而設計，通過專業(yè)的測試技術與解決方案，賦能工程師做出更精準、更可靠的判斷，共同守護半導體封裝的品質基石。