引線鍵合點(diǎn)剪切試驗(yàn)

目的

本試驗(yàn)提供了確定芯片鍵合面上的金絲球鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度測(cè)定方法，可在元器件封裝前或封裝后進(jìn)行測(cè)定。

鍵合強(qiáng)度的測(cè)量在確定如下兩種特性時(shí)非常重要：

a） 成形的金屬鍵合的完整性；

b） 在芯片或封裝鍵合面的金絲質(zhì)量。

本試驗(yàn)方法涵蓋直徑（18μm~76μm）引線的球形鍵合點(diǎn)，該類鍵合用于集成電路和混合微電子組件中。

本試驗(yàn)方法僅適用于當(dāng)球形鍵合點(diǎn)的球高度（至少為10 μm）和直徑足夠大，且相鄰結(jié)構(gòu)間的距離足夠遠(yuǎn)的情況，以使剪切試驗(yàn)推刀能夠有合適的放置空間（在鍵合焊盤之上及相鄰的鍵合點(diǎn)之間）。

引線鍵合點(diǎn)剪切試驗(yàn)是破壞性的，它可用于工藝開(kāi)發(fā)、工藝控制和質(zhì)量保證。

術(shù)語(yǔ)和定義

球形鍵合

鍵合絲（通常為金絲）到芯片金屬化層（通常為鋁合金焊接面）的鍵合或熔焊焊接，采用熱熔超聲引線鍵合工藝。球形鍵合點(diǎn)包括擴(kuò)大的球或釘頭、引線的一部分（由熱壓和熱熔超聲工藝中的加熱和初始熔焊操作所造成的）、底層鍵合焊盤和球形鍵合的鍵合焊盤的金屬互化物熔焊界面。

鍵合

在鍵合面或封裝面金屬化區(qū)，對(duì)引線進(jìn)行球形鍵合。

鍵合點(diǎn)剪切

利用推刀去剪切一個(gè)球形鍵合點(diǎn)，使其與鍵合焊盤分離的過(guò)程。分離時(shí)所需要的力稱作鍵合剪切力，并應(yīng)記錄下來(lái)。金絲球鍵合的鍵合剪切力，與金絲球鍵合點(diǎn)的直徑相關(guān)，是金絲球鍵合點(diǎn)和鍵合面金屬化層之間金屬鍵合的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)。

鍵合剪切裝置

球形鍵合的鍵合點(diǎn)剪切分離模式

模式1-鍵合點(diǎn)脫離

整個(gè)引線鍵合點(diǎn)與鍵合面分離，鍵合面上幾乎沒(méi)有金屬化成形物或熔焊的跡象，或者鍵合面金屬化區(qū)未被破壞。

模式2-鍵合點(diǎn)切斷

分為以下三種情況，在鍵合面上留下一層很薄的屬于引線鍵合點(diǎn)的鍵合面金屬化物和相應(yīng)痕跡，或在鍵合面上留下金屬間化合物，且與引線鍵合點(diǎn)連在一起，或引線鍵合點(diǎn)的主體部分留在鍵合面上。

模式3-鍵合焊盤（鍵合面）起離

焊接面金屬化區(qū)與底層的基底或基體材料之間的分離，有鍵合面金屬化物附著到球形鍵合點(diǎn)的殘留現(xiàn)象。

模式4-凹坑

指在芯片焊盤金屬化區(qū)下方，絕緣層（氧化物或?qū)娱g介質(zhì)）與基體材料（硅）的分離或脫落。在絕緣層中呈現(xiàn)出凹坑或凹陷（不深入基體）的分離面不應(yīng)認(rèn)為是凹坑。應(yīng)注意，一些因素可能會(huì)產(chǎn)生凹坑，如引線鍵合操作、后鍵合工藝甚至剪切試驗(yàn)本身的作用等。在剪切試驗(yàn)之前存在的凹坑是不可接受的。

無(wú)效模式-跳剪

剪切刀只切掉了球形或楔形鍵合點(diǎn)最上面的部分。此狀況可能是由于樣品的位置不正確、剪切高度太高或儀器故障所造成的。此種鍵合點(diǎn)剪切類型是不允許的，應(yīng)將這些剪切數(shù)據(jù)刪除。

無(wú)效模式-剪切刀接觸到鍵合面

剪切刀接觸到鍵合面而產(chǎn)生無(wú)效的剪切值。此狀況可能是由于樣品的位置不正確，剪切高度太低或儀器故障造成的。此種鍵合點(diǎn)剪切類型是不允許的，應(yīng)將這些剪切數(shù)據(jù)刪除。

剪切工具

碳化鎢硬質(zhì)合金或等效的工具，其底面和背面具有特定角度的鑿形，以確保進(jìn)行剪切操作。

材料與設(shè)備

鍵合點(diǎn)剪切所需要的設(shè)備和材料如下：

檢查設(shè)備

可提供至少為70倍放大的光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，掃描電鏡（必要時(shí)）。

測(cè)量設(shè)備

光學(xué)顯微鏡/測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差在2.54μm之內(nèi)。

夾具

夾具用于保持被試件在試驗(yàn)中與剪切面平行，與剪切刀垂直。同時(shí)，夾具可使得被試件在鍵合剪切試驗(yàn)中不發(fā)生移動(dòng)。如果采用了控制夾具的卡規(guī)，則夾具的位置應(yīng)使剪切運(yùn)動(dòng)的方向正對(duì)著卡規(guī)的阻擋方向，不會(huì)影響鍵合剪切試驗(yàn)。

鍵合剪切設(shè)備

鍵合剪切設(shè)備必須能保證剪切刀的精確位置，在基體之上的誤差在±2.54μm之內(nèi)。高于鍵合面最高部位的規(guī)定距離（h）應(yīng)保證剪切刀不接觸到芯片表面，但應(yīng)小于從鍵合面的最高部位至球形鍵合點(diǎn)的中心線（CL）之間的距離。

鍵合剪切刀具

剪切刀所需的參數(shù)包括但不限于：平板剪切面，鋒利的切邊，剪切寬度至少為鍵合直徑或鍵合長(zhǎng)度的1.2倍。剪切刀應(yīng)設(shè)計(jì)成能防止試驗(yàn)時(shí)的刮削和打滑，并且應(yīng)干凈，不能有影響剪切試驗(yàn)的缺口和其它缺陷。

程序

校準(zhǔn)

在進(jìn)行鍵合剪切試驗(yàn)前，必須保證設(shè)備已經(jīng)按照承制方規(guī)范進(jìn)行了校準(zhǔn)。若設(shè)備被移位，需要重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

開(kāi)封后被試鍵合點(diǎn)的目檢

如果對(duì)采用濕式化學(xué)和（或）干法蝕刻技術(shù)開(kāi)封后的器件進(jìn)行鍵合剪切試驗(yàn)，則應(yīng)對(duì)鍵合焊盤進(jìn)行檢查，以保證鍵合表面的金屬化物未因化學(xué)蝕刻而缺失，且引線鍵合點(diǎn)附著在鍵合面上。在鍵合焊盤上，有顯著化學(xué)腐蝕或無(wú)金屬化區(qū)的球形鍵合點(diǎn)，不應(yīng)進(jìn)行剪切試驗(yàn)。鍵合面未受到化學(xué)腐蝕而退化的引線鍵合點(diǎn)也可能由于其它原因（如封裝應(yīng)力）而不能附著到鍵合面上，這些引線鍵合點(diǎn)數(shù)據(jù)認(rèn)為是有效的，并應(yīng)作為0克力值包括在剪切數(shù)據(jù)中。還必須對(duì)各鍵合點(diǎn)進(jìn)行檢查，以確定相鄰的相互有影響的結(jié)構(gòu)件之間是否有足夠的距離以保證剪切刀具有合適的位置和間隙（在鍵合面之上并在相鄰的鍵合點(diǎn)之間）。

樣品數(shù)

樣品數(shù)應(yīng)采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文件中規(guī)定的最小值。

球形鍵合直徑測(cè)量（用以確定球形鍵合點(diǎn)剪切試驗(yàn)的失效判據(jù)）

檢查完各鍵合面后，在進(jìn)行鍵合剪切試驗(yàn)之前，應(yīng)對(duì)所有被試的球形鍵合點(diǎn)的直徑進(jìn)行測(cè)量和記錄。對(duì)于不對(duì)稱的鍵合點(diǎn)，用最大直徑值（d最大）和最小直徑值（d最小）確定平均值。這些球形鍵合點(diǎn)直徑的測(cè)量值用于確定其直徑的中間值或平均值。然后采用得到的球形鍵合點(diǎn)直徑的中間值或平均值，建立失效判據(jù)。若過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)建立了球形鍵合標(biāo)稱直徑，則該值也可用于確定失效判據(jù)。

鍵合點(diǎn)剪切試驗(yàn)

在開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)前，鍵合點(diǎn)剪切設(shè)備必須通過(guò)所有的自診斷測(cè)試。鍵合點(diǎn)剪切設(shè)備和試驗(yàn)區(qū)應(yīng)無(wú)過(guò)大的振動(dòng)或移動(dòng)。檢查剪切刀具以核實(shí)其處于良好狀態(tài)并且未被折彎或損壞，并且處于抬起的位置。

a)調(diào)整夾具使之與被試件匹配，將被試件固定在夾具上。確保芯片表面與剪切刀的剪切面平行。在剪切操作中，剪切刀不得接觸芯片表面或臨近結(jié)構(gòu)件，否則會(huì)給出過(guò)大的鍵合讀數(shù)。

b)放置被試件，使剪切刀靠近被試的鍵合點(diǎn)，然后使剪切刀下降或被試件升高，并使剪切刀接近被剪切鍵合點(diǎn)的鍵合面但不能接觸該面。

c)調(diào)整被試的球形鍵合點(diǎn)位置，使剪切運(yùn)動(dòng)與鍵合面?zhèn)让娲怪薄Ｕ{(diào)整剪切刀，使其距離被剪切鍵合點(diǎn)大約一個(gè)球直徑（對(duì)于球形鍵合），然后剪切鍵合點(diǎn)。

已剪切的鍵合點(diǎn)檢查

所有鍵合應(yīng)按計(jì)劃或規(guī)定的順序進(jìn)行剪切，接下來(lái)的目檢可確定哪個(gè)剪切值將被刪除（由于不正確的剪切）。

采用放大倍數(shù)至少70倍的放大鏡檢查鍵合點(diǎn)，以確定剪切工具是否從鍵合點(diǎn)移過(guò)（無(wú)效模式—跳剪），或剪切工具切碎了芯片鍵合表面（無(wú)效模式—剪切刀接觸到鍵合面）。這兩種不正確剪切狀態(tài)得到的讀數(shù)應(yīng)被刪除。

如果剪切的鍵合點(diǎn)中出現(xiàn)凹坑狀態(tài)，則應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以確定這些碎裂和（或）凹坑是由于鍵合工藝造成的，還是由于剪切試驗(yàn)造成的。在剪切試驗(yàn)前所形成的凹坑是不可接受的。由剪切試驗(yàn)所形成的凹坑應(yīng)認(rèn)為是允許的，并包括在剪切數(shù)據(jù)中。

鍵合剪切數(shù)據(jù)

對(duì)每個(gè)剪切過(guò)的鍵合點(diǎn)都應(yīng)保存其數(shù)據(jù)。應(yīng)能通過(guò)數(shù)據(jù)識(shí)別出鍵合點(diǎn)（位置、鍵合直徑、引線材料、鍵合方法及被鍵合的材料），剪切強(qiáng)度和剪切類別代號(hào)。

分離模式

對(duì)每個(gè)被剪切過(guò)的鍵合點(diǎn)，都應(yīng)記錄規(guī)定的類別代號(hào)。

審核編輯：郭婷