GB∕T 4937.22-2018 半導體器件 機械和氣候試驗方法 第22部分：鍵合強度

ICS31.080.01GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002(IEC60749-22:2002,IDT)國家市場監(jiān)督管理總局IGB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002 Ⅲ 11.1試驗說明 11.2試驗裝置(適用于所有方法) 12方法A:引線拉力(單鍵合點)和方法B:引線拉力(雙鍵合點)(見附錄A) 12.1范圍 12.2試驗的一般描述 13方法C:鍵合拉脫 23.1范圍 23.2程序 23.3施加的力 23.4失效判據(jù) 23.5失效類別 24方法D:鍵合剪切(用于倒裝焊) 34.1范圍 34.2程序 34.3施加的力 34.4失效判據(jù) 34.5失效類別 35方法E:推開試驗和方法F:拉開試驗 35.1范圍 3 3 45.4方法E和方法F的失效判據(jù) 45.5施加的力(適用于方法E和方法F) 46方法G:引線球剪切試驗 46.1范圍 4 46.3術語和定義 56.4設備和材料 76.5程序 76.6可接受的試驗極限值 87相關文件中規(guī)定以下細節(jié) 附錄A(規(guī)范性附錄)指南 ⅢGB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002 GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002 第40部分.采用張力儀的板級跌落試驗方法 第42部分：溫度和濕度貯存本部分為GB/T4937的第22部分。本部分使用翻譯法等同采用IEC60749-22:2002《半導體1GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002半導體器件機械和氣候試驗方法第22部分：鍵合強度1范圍和目的GB/T4937的本部分適用于半導體器件(分立器件和集成電路)。本部分的目的是測量鍵合強度或確定鍵合強度是否滿足規(guī)定的要求。規(guī)定了7種試驗方法，每種試驗方法目的不同，分別如下：——方法D:用于內部鍵合，在芯片和基底之間或對類似的面鍵合結構施加剪切應力；——方法G:用于測試引線鍵合抗剪切力的強度。1.2試驗裝置(適用于所有方法)試驗裝置應包括按規(guī)定的試驗方法要求，在鍵合點、引線或引出端上施加規(guī)定應力的設備。該設備能對失效時施加的應力(以N為單位)提供經過校準的測量和指示。該設備測量100mN以內的力(包過500mN的力，應具有指示值的±2.5%的精度。2方法A:引線拉力(單鍵合點)和方法B:引線拉力(雙鍵合點)(見附錄A)2.1范圍本方法適用于采用錫焊、熱壓焊、超聲焊和其他相關技術鍵合的、具有內引線的半導體器件封裝內2.2試驗的一般描述2.2.1方法A程序切斷連接芯片或基底的引線，以便兩端都能進行拉力試驗。在引線較短的情況下，要靠近某一端切斷引線，以便在另一端進行拉力試驗。對針腳式鍵合，使用適當?shù)难b置固定引線，然后對引線或夾緊引2.2.2方法B程序在連接芯片或基底和引出端的引線下插入一個鉤子，固定好器件后對鉤子施加拉力。盡量在引線中央施加拉力，拉力與芯片或基底表面法線的夾角或與兩鍵合點間連線的垂線的夾角不大于5°。2.2.3施加的力(適用于方法A和方法B)逐漸施加拉力到引線或鍵合點開裂(2.2.4中的a),或達到規(guī)定的最小拉力2.2.4中的b]]。2失效判據(jù)規(guī)定如下：a)記錄引線或鍵合點開裂時的拉力值，并與表2中給出的值進行比較，以確定是否可接收。如果表2中沒有對應的引線直徑，應使用圖3中的曲線來確定鍵合拉力的極限值。該曲線僅適用于鍵合拉力垂直于芯片的情況。b)逐漸施加拉力到規(guī)定的最小值。如果引線和鍵合點都沒有開裂a)引線在頸縮點斷開(由于鍵合工藝引起截面減小的位置);b)引線在非頸縮點斷開；c)芯片上的鍵合(引線和金屬化層之間的界面)失效；d)基底、封裝接線柱或非芯片位置e)金屬化層從芯片翹起；f)金屬化層從基底或封裝接線柱翹起；h)基底破裂。注：方法B不建議用來測量鍵合強度的絕對值(見附錄A)。但該方法可用作生產過程中的鍵合質量監(jiān)控。3方法C:鍵合拉脫本方法通常用于器件封裝的外部鍵合。固定引線或引出端以及器件封裝，在引線或引出端和布線板或基底之間以某一角度施加拉力。若逐漸施加拉力到引線(或引出端)或鍵合點開裂(見3.4.1),或達到規(guī)定的最小拉力(見3.4.2)。3.4.1記錄鍵合點開裂時的拉力值，并與表2中給出的值進行比較，以確定是否可接收。如果表2中沒有對應的引線直徑，應使用圖3中的曲線來確定鍵合拉力的極限值。該曲線僅適用于鍵合拉力垂直于3.4.2逐漸施加拉力到規(guī)定的最小值。如果引線(或引出端)和鍵合點都沒有開裂，則認為該鍵合3a)引線或引出端在變形區(qū)開裂(焊接影響區(qū));b)引線或引出端在非鍵合工藝影響區(qū)開裂；c)鍵合界面處失效(在焊料中，或在引線或引出端和與之鍵合的布線板或基底導電層之間的焊接界面);d)導電層從布線板或基底上翹起；4方法D:鍵合剪切(用于倒裝焊)本方法通常用來檢驗面鍵合結構的半導體芯片與基底之間的內部鍵合。也可用來檢驗基底和安裝使用適當?shù)墓ぞ呋蚺杜c芯片(或載體)在恰好位于主基底上方的位置接觸，在垂直于芯片(或載逐漸施加拉力到鍵合點開裂(見4.4.1),或達到規(guī)定的最小應力(見4.4.2)。4.4.2按另一種方法，應力增加到50mN乘以鍵合點的數(shù)量。如果鍵合點和基底或芯片都沒有開裂，則可認為鍵合合格。b)芯片(或載體)或基底破裂(即，緊靠鍵合點下方的部分芯片或基底發(fā)生移動);c)金屬化層翹起(即，金屬化層或鍵合基座與芯片/載體或基底分離)。5方法E:推開試驗和方法F:拉開試驗驗批中的隨機抽樣。方法F通常用于鍵合在陶瓷基底或其他適用的基底上的梁式引線樣品。5.2方法E程序4GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002鍵合區(qū)。推開工具應足夠大，以使試驗期間的器件破裂減到最小，但不能大到與固定在鍵合區(qū)中的梁式引線接觸。牢固地固定基底，通過小孔插入推開工具。推開工具與器件接觸時不應產生明顯的沖擊(小于0.25mm/min)。以恒定速率對鍵合器件的下側施力，達到5.5中規(guī)定的值或出現(xiàn)失效。5.3方法F程序經校準的拉開設備應包括一個拉開工具(例如：鎳鉻鐵合金線的電熱環(huán)),它與梁式引線芯片上面的硬質凝固粘附材料(例如：熱敏聚醋酸乙烯脂樹脂膠)相連。應確保粘附材料不會蔓延到梁下或芯片底部。把基底牢固地固定在拉開夾具中，拉開工具應與粘附材料保持固定的機械連接。在器件法線5°內對其逐漸增加應力，至少達到5.5中規(guī)定的值或芯片上表面離開基底2.5mm為止。5.4方法E和方法F的失效判據(jù)失效判據(jù)規(guī)定如下：a)半導體芯片破裂；b)梁式引線從鍵合點翹起；c)梁式引線在鍵合處破裂；d)梁式引線在半導體芯片邊緣處破裂；e)梁式引線在鍵合點和半導體芯片邊緣之間破裂；f)鍵合點從基底上翹起；g)金屬化層翹起(金屬化層與芯片或鍵合區(qū)分離)。5.5施加的力(適用于方法E和方法F)對非變形(鍵合前)的標稱梁寬，每毫米(直線)施加500mN的力。鍵合強度應以斷裂應力除以鍵合前的標稱梁寬來確定。6方法G:引線球剪切試驗方法G用于測試引線鍵合抗剪切力的強度。建議在方法A和方法B之外增加此方法。它能提供更多關于冶金鍵合魯棒性的信息，相對于方法A和方法B而言，該方法更關注鍵合本身，而不是暴露與鍵合質量不直接相關的失效(比如引線在根部、頸部、跨度處的斷裂)。本方法提供了檢測熱壓焊或熱超聲焊技術鍵合的一系列球性鍵合剪切強度的標準程序。鍵合剪切是用一個鑿子狀的工具把一個球形或楔形鍵合點從鍵合區(qū)剪切或推開(見圖1)。記錄分離時的力作為鍵合剪切力。如果金球鍵合的鍵合剪切力與鍵合球直徑相關，可以指示金球鍵合點與鍵合區(qū)金屬化層之間的冶金鍵合質量，如圖2和表1中所示。鋁楔形鍵合的鍵合剪切力，與承制方的金屬絲拉力強度比較，可以指示鋁絲和鍵合區(qū)金屬化層之間焊接的完整性。球形鍵合包括變大的球面或引線的釘頭部分(在熱壓焊或超聲焊或二者的熱焰熄滅和首次鍵合操作中得到),基礎鍵合區(qū)和球形鍵合的鍵合區(qū)界面或焊接面。組件中。只有當球的高度和直徑足夠大，并且與相鄰有影響的結構有足夠的距離，允許清除鍵合球周邊5GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002的區(qū)域，以便剪切試驗工具在相鄰鍵合點之間放置。該方法是破壞性的。適用于工藝研發(fā)，或有合適抽樣方案的工藝控制或質量保證。6.3術語和定義6.3.1剪切模式定義(見圖1)definitionofshearmodes6.3.1.1整個球形鍵合點從鍵合區(qū)上脫離，只在鍵合區(qū)上留下了印痕。鍵合區(qū)上有少量金屬間化合物殘留或無殘留。6.3.1.2模式2鍵合撕裂/球形鍵合撕裂/楔形鍵合剪切mode2-bondshear/ballshear/wedgeshear鍵合球從金屬間化合物上分離。鍵合區(qū)的金屬化層上殘留有鍵合球的金屬間化合物和部分金。6.3.1.3鍵合區(qū)金屬化層與基底分離。一些鍵合區(qū)金屬化層和金屬間化合物附著在鍵合球上。6.3.1.4模式4——凹陷(破損)mode4-cratering(chip-out)鍵合區(qū)翹起，同時帶起部分基底。鍵合區(qū)金屬化層和部分基底附著在鍵合球上。6.3.1.5樣品放置不當，剪切高度太高或儀器故障。剪切工具只移除了球形或楔形鍵合點的頂端部分。6.3.1.6low)樣品放置不當，剪切高度太低或儀器故障。剪切工具接觸到了金屬化層或保護涂層，產生了無效的剪切值。鍵合區(qū)與鍵合點分離鍵合區(qū)上有少量金屬間化合物殘鍵合區(qū)與鍵合點分離鍵合區(qū)上有少量金屬間化合物殘留或無殘留鍵合區(qū)未受損a)模式1球翹起b)模式2鍵合剪切-金/鋁圖1鍵合剪切模式6鍵合點上附著有殘留的鍵合區(qū)鍵合點上附著有殘留的鍵合區(qū)和基座c)模式3鍵合區(qū)翹起d)模式4凹陷操作臂觸碰到了金屬操作臂觸碰到了金屬化層而不是鍵合點鍵合區(qū)與芯片分離e)模式5a剪切工具過高f)模式5b剪切工具過低剪切工具或剪切臂sheartoolorarm底部和背部有一定角度的碳化鎢劈刀或等效工具，可以保證剪切運動。剪切工具至少應有扁平的剪切面，鋒利的剪切刀口，寬度是1.5倍到2倍的鍵合直徑或鍵合長度的剪切面。設計的剪切工具應確保在試驗期間不發(fā)生波浪運動或拖沓運動。工具應干凈，沒有缺口或其他影熱超聲金(Au)球形鍵合thermosonicgold(Au)ballbond用熱超聲金屬絲鍵合工藝完成的金球鍵合。超聲鋁(AI)楔形鍵合ultrasonicaluminium(Al)wedgebond用超聲金屬絲鍵合工藝完成的鋁楔形鍵合或焊接。7引線球鍵合剪切試驗使用的設備須具有如下能力：a)球形鍵合剪切試驗設備能夠在基底上方精確地定位剪切臂(±2.54μm),配備變焦顯微鏡(最小放大倍數(shù)70X)。b)設計的剪切工具應確保在試驗期間不發(fā)生波浪運動或拖沓運動。工具應干凈，沒有缺口或其他影響剪切試驗的缺陷。c)在試驗期間，夾具應能在水平方向固定并垂直于剪切工具，并應有足夠的夾緊力確保樣品d)球形鍵合剪切試驗設備能夠在基底上方精確地定位剪切臂(±2.54μm)。其距鍵合面頂部的距離應確保剪切工具不會觸碰到芯片的表面，并且小于鍵合面頂部到球形或楔形鍵合點中心線的距離。6.5.1對具體器件，樣本大小應取SPC控制規(guī)定的最小值。除另有規(guī)定外，工藝研發(fā)的標準樣本大小應由至少隨機抽取50個鍵合球。6.5.5將剪切工具置于接近鍵合點的位置(距離小于2個鍵合球直徑),垂直于器件表面且距其小于鍵合點高度的一半，如圖1模式1～模式4所示。剪切工具的底部應保持在鍵合點中心線下方，芯片鍵合6.5.9計算和記錄每個樣本的下列值：a)剪切力平均值(gf);b)最小值(gf);c)最大值(gf);6.5.10確定剪切力平均值時不應包括無效試驗的數(shù)據(jù)。包括剪切臂放置不當(過高、過低或未接觸整6.5.11使用每個試驗樣本已知(或經過測量)的鍵合球直徑，計算每試驗批的鍵合剪切強度平均值和最小值(以克為單位的應力平均值/已知鍵合球平均尺寸)。8GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:20026.6可接受的試驗極限值6.6.1球形鍵合可接受的試驗極限值如果鍵合剪切力的單個最小值和平均值大于或等于圖2和表1中給出的值，則可認為球形鍵合是在得到器件供應商和最終使用者(用戶)的同意后，可更改最小鍵合剪切值。鍵合球直徑/μm最小剪切平均值單個剪切值讀數(shù)最小值25.4圖2可接受的球形鍵合單個剪切值最小值和最小剪切平均值表1Al/AI合金金屬化層上金球鍵合的可接受的單個剪切值最小值和最小剪切平均值鍵合球直徑最小剪切平均值單個剪切值讀數(shù)最小值40.643.245.79GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002表1(續(xù))鍵合球直徑最小剪切平均值單個剪切值讀數(shù)最小值48.341.544.247.049.940.743.045.447.8#平均值是基于：5.5gf/(0.001in)2,近似是0.00853gf/μm2(0.0837mN/μm2)。h單個最小值是基于：4.0gf/(0.001in)2,近似是0.0062gf/μm2(0.0608mN/μm2)。GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002——最小鍵合強度表2最小拉力值試驗方法引線成分和直徑mmmN密封前密封后，其他處理或篩選(適用時)垂直于布線板或基底平行于布線板或基底垂直于布線板或基底平行于布線板或基底Al0.018Au0.018Al0.025Au0.025A或BAl0.033Au0.033Al0.038Au0.038A或BA10.075Au0.075注1:對于帶狀引線，使用與試驗帶狀引線截面相等的圓引線的直徑的條件。注2:進行密封后的開帽檢驗時，需小心操作，避免給鍵合點引入損傷。GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002(0.001in)曲線A:金(密封前)曲線B:金(密封后)和鋁(密封前)曲線C:鋁(密封后)10.04注：最小拉力從表2中獲得。若引線的直徑未在表2中給出，則可利用此圖。圖3最小鍵合拉力極限值(垂直于布線板或基底)GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002(規(guī)范性附錄)指南一般來講，針