引線鍵合點剪切試驗的目的及過程分析

引線鍵合點剪切試驗

目的

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

鍵合強(qiáng)度的測量在確定如下兩種特性時非常重要：

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。

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

本試驗方法僅適用于當(dāng)球形鍵合點的球高度（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之間）。

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

術(shù)語和定義

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)，對引線進(jìn)行球形鍵合。

鍵合點剪切

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

鍵合剪切裝置

球形鍵合的鍵合點剪切分離模式

模式1-鍵合點脫離

整個引線鍵合點與鍵合面分離，鍵合面上幾乎沒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，且與引線鍵合點連在一起，或引線鍵合點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，一些因素可能會產(chǎn)生凹坑，如引線鍵合操作、后鍵合工藝甚至剪切試驗本身的作用等。在剪切試驗之前存在的凹坑是不可接受的。

無效模式-跳剪

剪切刀只切掉了球形或楔形鍵合點最上面的部分。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。此種鍵合點剪切類型是不允許的，應(yīng)將這些剪切數(shù)據(jù)刪除。

無效模式-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）。

測量設(shè)備

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

夾具

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

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度的1.2倍。剪切刀應(yīng)設(shè)計成能防止試驗時的刮削和打滑，并且應(yīng)干凈，不能有影響剪切試驗的缺口和其它缺陷。

程序

校準(zhǔn)

在進(jìn)行鍵合剪切試驗前，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)。

開封后被試鍵合點的目檢

如果對采用濕式化學(xué)和（或）干法蝕刻技術(shù)開封后的器件進(jìn)行鍵合剪切試驗，則應(yīng)對鍵合焊盤進(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，且引線鍵合點附著在鍵合面上。在鍵合焊盤上，有顯著化學(xué)腐蝕或無金屬化區(qū)的球形鍵合點，不應(yīng)進(jìn)行剪切試驗。鍵合面未受到化學(xué)腐蝕而退化的引線鍵合點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。還必須對各鍵合點進(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。

球形鍵合直徑測量（用以確定球形鍵合點剪切試驗的失效判據(jù)）

檢查完各鍵合面后，在進(jìn)行鍵合剪切試驗之前，應(yīng)對所有被試的球形鍵合點的直徑進(jìn)行測量和記錄。對于不對稱的鍵合點，用最大直徑值（d最大）和最小直徑值（d最?。┐_定平均值。這些球形鍵合點直徑的測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直徑的中間值或平均值，建立失效判據(jù)。若過程監(jiān)測數(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)。

鍵合點剪切試驗

在開始進(jìn)行試驗前，鍵合點剪切設(shè)備必須通過所有的自診斷測試。鍵合點剪切設(shè)備和試驗區(qū)應(yīng)無過大的振動或移動。檢查剪切刀具以核實其處于良好狀態(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，否則會給出過大的鍵合讀數(shù)。

b)放置被試件，使剪切刀靠近被試的鍵合點，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的鍵合面但不能接觸該面。

c)調(diào)整被試的球形鍵合點位置，使剪切運動與鍵合面?zhèn)让娲怪薄Ｕ{(diào)整剪切刀，使其距離被剪切鍵合點大約一個球直徑（對于球形鍵合），然后剪切鍵合點。

已剪切的鍵合點檢查

所有鍵合應(yīng)按計劃或規(guī)定的順序進(jìn)行剪切，接下來的目檢可確定哪個剪切值將被刪除（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，以確定剪切工具是否從鍵合點移過（無效模式—跳剪），或剪切工具切碎了芯片鍵合表面（無效模式—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，還是由于剪切試驗造成的。在剪切試驗前所形成的凹坑是不可接受的。由剪切試驗所形成的凹坑應(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)

對每個剪切過的鍵合點都應(yīng)保存其數(shù)據(jù)。應(yīng)能通過數(shù)據(jù)識別出鍵合點（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。

分離模式

對每個被剪切過的鍵合點，都應(yīng)記錄規(guī)定的類別代號。

審核編輯：郭婷