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GB／T 4937.22-2018 半导体器件 机械和气候试验方法 第22部分：键合强度

GB/T4937的本部分适用 集成电路） 本部分的目的是测量键合强度或确定键合强度是否满足规定的要求

半导体器件机械和气候试验方法

规定了7种试验方法DL／T5110《水电水利工程模板施工规范》，每种试验方法目的不同，分别如下： 方法A和方法B：通过对内引线直接施加拉力来测试器件内部的键合强度； 方法C：用于器件外部的键合，在引线或引出端与布线板或基底之间施加拉脱应力； 方法D：用于内部键合，在芯片和基底之间或对类似的面键合结构施加剪切应力； 方法E和方法F：用于外部键合，在芯片和基底之间施加推开应力或拉开应力； 方法G：用于测试引线键合抗剪切力的强度

1.2试验装置（适用于所有方法）

试验装置应包括按规定的试验方法要求，在键合点、引线或引出端上施加规定应力的设备。该设备 能对失效时施加的应力（以N为单位）提供经过校准的测量和指示。该设备测量100mN以内的力（包 括100mN)应具有土2.5mN的精度，测量100mN到500mN之间的力应具有土5mN的精度，测量超 过500mN的力，应具有指示值的土2.5%的精度

切断连接芯片或基底的引线，以便两端都能进行拉力试验。在引线较短的情况下，要靠近某一端切 断引线，以便在另一端进行拉力试验。对针脚式键合，使用适当的装置固定引线，然后对引线或夹紧引 线的装置施加拉力.拉力与芯片或基底表面的夹角不超过5°

在连接芯片或基底和引出端 加拉力。尽量在引线 中央施加拉力，拉力与芯片或基底表面法线 合点间连线的垂线的夹角不大于5°

2.2.3施加的力（适用于方法A和方法B)

逐渐施加拉力到引线或键合点开裂[2.2.4中的a)，或达到规定的最小拉力2.2.4中的b)

失效判据规定如下： a 记录引线或键合点开裂时的拉力值，并与表2中给出的值进行比较，以确定是否可接收。如果 表2中没有对应的引线直径，应使用图3中的曲线来确定键合拉力的极限值。该曲线仅适用 于键合拉力垂直于芯片的情况。 b）逐渐施加拉力到规定的最小值。如果引线和键合点都没有开裂，则认为该键合合格， 注：方法B可依据附录A中提供的信息修正拉力值

当有规定时，引线或键合点的开裂分类如下： 引线在颈缩点断开（由于键合工艺引起截面减小的位置）； 引线在非颈缩点断开； 芯片上的键合（引线和金属化层之间的界面）失效： 基底、封装接线柱或非芯片位置上的键合（引线和金属化层之间的界面)失效； e） 金属化层从芯片翘起； 金属化层从基底或封装接线柱翘起； 芯片破裂； h） 基底破裂。 注：方法B不建议用来测量键合强度的绝对值（见附录A)。但该方法可用作生产过程中的键合质量监控

本方法通常用于器件封装的外部键合

固定引线或引出端以及器件封装，在引线或引出端和布线板或基底之间以某一角度施加拉力。 其他规定，该角度为90

逐渐施加拉力到引线（或引出端）或键合点开

3.4.1记录键合点开裂时的拉力值，并与表2中给出的值进行比较，以确定是否可接收。如果表2中没 有对应的引线直径，应使用图3中的曲线来确定键合拉力的极限值。该曲线仅适用于键合拉力垂直于 布线板或基座的情况。逐渐施加拉力到规定的最小值，只有键合点本身首先失效，试验结果才有效。只 有键合点本身开裂才可视作失效。 3.4.2逐渐施加拉力到规定的最小值。如果引线（或引出端）和键合点都没有开裂，则认为该键合 合格。

当有规定时，应对引线或引出端或键合点的开裂分类如下

引线或引出端在变形区开裂（焊接影响区）； b 引线或引出端在非键合工艺影响区开裂； 键合界面处失效（在焊料中，或在引线或引出端和与之键合的布线板或基底导电层之间的焊接 界面）； d） 导电层从布线板或基底上翘起； e）布线板或基底内部破裂

4方法D键合剪切（用于倒装焊）

使用适当的工具或劈与芯片（或载体）在恰好位于主基底上方的位置接触，在垂直于 体）的一边并平行于主基底的方向上施加应力，由剪切应力导致键合失效，

小应力（见4.4.2）

4.4.1记录键合失效时的应力值，以确定是否可接收。应力应不小于50mN乘以键合点数。施加应力 时，只有键合点本身首先失效，试验结果才有效。只有键合点本身开裂才可视作失效。 4.4.2按另一种方法，应力增加到50mN乘以键合点的数量。如果键合点和基底或芯片都没有开裂， 则可认为键合合格

当有规定时，失效应分类如下： 适用时，键合材料或键合基座的失效； b 芯片（或载体)或基底破裂（即，紧靠键合点下方的部分芯片或基底发生移动）： c 金属化层翘起（即，金属化层或键合基座与芯片/载体或基底分离）。

法E：推开试验和方法I

本方法用于梁式引线的器件。 方法E通常用于工艺控制，用于半导体芯片键合到特定基底上的样品，因此，不适用于生产批或检 验批中的随机抽样， 方法F通常用于键合在陶瓷基底或其他适用的基底上的梁式引线样品

采用带孔的金属化基底。孔应接近基底中心且足够大，从而为推开工具提供间隙，但不能大到影

键合区。推开工具应足够大，以使试验期间的器件破裂减到最小，但不能大到与固定在键合区中的梁式 引线接触。 牢固地固定基底，通过小孔插人推开工具。推开工具与器件接触时不应产生明显的冲击（小于 0.25mm/min)。以恒定速率对键合器件的下侧施力.达到5.5中规定的值或出现失效

经校准的拉开设备应包括一个拉开工具（例如：镍铬铁合金线的电热环），它与式引线芯片上面的 硬质凝固粘附材料（例如：热敏聚醋酸乙烯脂树脂胶)相连。应确保粘附材料不会蔓延到染下或芯片底 部。把基底牢固地固定在拉开夹具中，拉开工具应与粘附材料保持固定的机械连接。在器件法线5°内 对其逐渐增加应力.至少达到5.5中规定的值或芯片上表面离开基底2.5mm为止

5.4方法E和方法F的失效判据

失效判据规定如下： 半导体芯片破裂； b) 梁式引线从键合点翘起； c) 梁式引线在键合处破裂； d) 梁式引线在半导体芯片边缘处破裂： e) 梁式引线在键合点和半导体芯片边缘之间破裂； f) 键合点从基底上翘起： g 金属化层翘起（金属化层与芯片或键合区分离）

失效判据规定如下： a）半导体芯片破裂； b) 梁式引线从键合点翘起； C) 梁式引线在键合处破裂； d) 梁式引线在半导体芯片边缘处破裂； e) 梁式引线在键合点和半导体芯片边缘之间破裂； f) 键合点从基底上翘起； g) 金属化层翘起（金属化层与芯片或键合区分离）

5.5施加的力适用于方法E和方法F

对非变形（键合前）的标称梁宽，每毫米（直线）施加500mN的力。键合强度应以断裂应力除以 前的标称梁宽来确定

6方法G.引线球剪切试验

方法G.引线球剪切试验

键合剪切是用一个凿子状的工具把一个球形或楔形键合点从键合区剪切或推开（见图1）。记录分 离时的力作为键合剪切力。如果金球键合的键合剪切力与键合球直径相关，可以指示金球键合点与键 合区金属化层之间的冶金键合质量，如图2和表1中所示。铝楔形键合的键合剪切力，与承制方的金属 丝拉力强度比较，可以指示铝丝和键合区金属化层之间焊接的完整性， 球形键合包括变大的球面或引线的钉头部分（在热压焊或超声焊或二者的热焰熄灭和首次键合操 作中得到），基础键合区和球形键合的键合区界面或焊接面。 这些试验方法都是小直径引线（从18um～76um）的球形键合，通常用在集成电路和混合微电子 组件中。只有当球的高度和直径足够大，并且与相邻有影响的结构有足够的距离，允许清除键合球周边

的区域，以便剪切试验工具在相邻键合点之间放置。 该方法是破坏性的。适用于工艺研发，或有合适抽样方案的工艺控制或质量保证

剪切模式定义（见图1）definitionof shear

）模式5a剪切工具过高

剪切工具或剪切臂sheartoolorarm

底部和背部有一定角度的碳化钨劈刀或等效工具，可以保证剪 切面，锋利的剪切刀口，宽度是1.5倍到2倍的键合直径或键合 设计的剪切工具应确保在试验期间不发生波浪运动或拖查运 剪切试验的缺陷。 ? 热超声金（Au）球形键合thermosonicgold（Au）ballbond 用热超声金属丝键合工艺完成的金球键合。 超声铝（AI）楔形键合ultrasonicaluminium（AI）wedgebond 用超声金属丝键合工艺完成的铝楔形键合或焊接

）模式5h剪切工具过低

底部和背部有一定角度的碳化钨劈刀或等效工具，可以保证剪切运动。剪切工具至少应有扁平 切面，锋利的剪切刀口，宽度是1.5倍到2倍的键合直径或键合长度的剪切面。 设计的剪切工具应确保在试验期间不发生波浪运动或拖查运动。工具应干净，没有缺口或其他 剪切试验的缺陷

热超声金（Au）球形键合thermosonicgold（Au）ballbond 用热超声金属丝键合工艺完成的金球键合。 6.3.4 超声铝（AI）楔形键合ultrasonicaluminium（Al）wedgebo 用超声金属丝键合工艺完成的铝楔形键合或焊接

引线球键合剪切试验使用的设备须具有如下能力： 球形键合剪切试验设备能够在基底上方精确地定位剪切臂（土2.54um），配备变焦显微镜（最 小放大倍数70X）。 b 设计的剪切工具应确保在试验期间不发生波浪运动或拖查运动。工具应干净，没有缺口或其 他影响剪切试验的缺陷。 在试验期间，夹具应能在水平方向固定并垂直于剪切工具，并应有足够的夹紧力确保样品 安全。 d） 球形键合剪切试验设备能够在基底上方精确地定位剪切臂（士2.54um）。其距键合面顶部的 距离应确保剪切工具不会触碰到芯片的表面，并且小于键合面顶部到球形或楔形键合点中心 线的距离。 e 能够测量键合直径（误差在土2.5um之内）的光学显微镜/测量设备

在键合剪切试验前，应确保设备已按照承制方的说明书进行了校准，并在校准有效期内。如果设备 放置位置改变.需重新校准

6.5.1对具体器件，样本大小应取SPC控制规定的最小值。除另有规定外，工艺研发的标准样本大小 应由至少随机抽取50个键合球， 6.5.2试验只适用于未铸模的样品，且球高（≥10.16um）和球间距应足够大，能够完全并无障碍地实 施球形键合剪切。 6.5.3按照承制方的说明安装试验设备，检查剪切工具，若有损坏立即更换。 6.5.4将试验样品水平放置于固定装置内，垂直于剪切工具。 6.5.5将剪切工具置于接近键合点的位置（距离小于2个键合球直径），垂直于器件表面且距其小于键 合点高度的一半，如图1模式1～模式4所示。剪切工具的底部应保持在键合点中心线下方，芯片键合 区金属化层上方。 6.5.6启动试验按钮，移动剪切工具到键合点，直到键合球被剪切掉或与基底分离。 6.5.7检查剪切区域，记录剪切模式（见6.3.1中的定义）和以克为单位的键合球剪切力值 6.5.8对批次中的每个试验样本，重复试验（6.5.3～6.5.7）。 6.5.9计算和记录每个样本的下列值：

.5.9计算和记录每个样本的下列值：

a 剪切力平均值（gf）； b） 最小值（gf）； ） 最大值（gf）； d）方差。 6.5.10 确定剪切力平均值时不应包括无效试验的数据。包括剪切臂放置不当（过高、过低或未接触整 个键合球）和其他影响剪切试验的试验，比如：模式5a和模式5b。 6.5.11使用每个试验样本已知（或经过测量）的键合球直径，计算每试验批的键合剪切强度平均值和

6.6可接受的试验极限值

可接受的。 在得到器件供应商和最终使用者（用户）的同意后，可更改最小键合剪切值

图2可接受的球形键合单个剪切值最小值和最小剪切平均值

属化层上金球键合的可接受的单个剪切值最小值禾

4937.222018/IEC6074

6.6.2铝丝形键合可接受的试验极限值

7相关文件中规定以下细节

相关文件中要求进行本试验时，应根据其应用情况给出下列详细信息： 试验方法； 试验程序：开裂的应力值或施加应力的预设值； 最小键合强度； 每只器件的试验键合数量及选择方法，以及器件的数量； 对试验方法C,如键合拉脱角度不是90°应规定其角度和相应的最小键合强度

行密封后的开帽检验时，需小心操作，避免给键合点引人

见附录A中的图A.1

GB／T 38139-2019 水泥助磨剂生产用液体原材料成分测定方法 气相色谱法图3最小键合拉力极限值（垂直于布线板或基）

一般来讲，针脚式键合点应施加一个剪切力，钉头式键合点应施加一个拉力

施加到键合点上的应力随键合点之间的引线长度，即图A.1中的参数A和h，以及键合点之间的 垂直距离d而发生很大变化。如果引线很短，即使使施加到钩子上的应力小于极限值，也极易超出引线 的断裂载荷。例如，从下列公式可以看出，当给钩子施加的力P为40mN，且h=0.1mm，A=2mm， d=0.2mm时，施加到引线上的拉力Pw约为100mN。在这种情况下，直径为0.025mm的金丝在键 合点开裂之前，就可能被拉断。如果d=0，P减小到20mN时，引线上的拉力大小不变。 表2中垂直于布线板或基底的拉力值对应于施加到钩子上的拉力（P）。这些是垂直情况下的极限 值，垂直施加到每个键合点的力为一半（P/2）。 当引线环非常扁平的时候（比如，一些微波和射频器件），应使用平行于布线板或基底的图。在这种 A A 当应力P施加到钩子上时，力（Pw）同时施加到两个键合点，可以得出：

利用上面的近似公式，

进而可以推导出引线环的高度：

P=4Pw(h +d/2)/A

因此，例如，在表2中，P=15，Pw=25，如果线环的高度（h十d/2）小于15A/（4X25）=0.15A，会 先于垂直拉力极限值而达到平行拉力极限值， 在这些情况下DB34／T 3176-2018 公路水运工程预应力孔道数控压浆施工技术规程，当引线环的高度要求使用平行拉力时，施加到钩子上的拉力（P）会减小。测量每个 环的高度显然是不切实际的.故应使用对应最高线环的拉力（P）