推拉力测试机在金线球焊键合工艺可靠性分析中的应用：附原理与步骤

在半导体封装领域，随着电子设备向更高性能、更小尺寸和更轻重量的方向发展，封装技术的重要性日益凸显。金线球焊键合工艺，作为连接芯片与引线框架的桥梁，对于确保集成电路的电气性能和机械稳定性至关重要。这种工艺不仅关系到产品的即时性能，更直接影响到产品的长期可靠性和耐用性。因此，对金线球焊键合工艺及其可靠性进行深入分析，对于推动封装技术的进步和提高产品质量具有重要意义。

本文科准测控小编将对金线球焊键合工艺进行详尽的探讨，从工艺的基本原理到实际操作，再到可靠性的评估。我们将分析金线球焊相较于其他键合技术的优势，探讨其在现代封装技术中的应用，以及如何通过工艺优化来提升键合的质量和可靠性。

一、工作原理

球焊键合技术的核心在于利用热能、压力以及超声能量来实现芯片与基板间的连接。这一过程涉及到压电换能器的驱动，它将超声功率转换为机械振动，并通过换能杆将这些振动放大，最终通过劈刀传递到键合点。在键合过程中，金丝被用来实现芯片与基板的电气及机械连接。为了促进这一连接，需要提供额外的热能，其作用是激发材料的能级，从而促进两种金属之间的有效结合，以及金属间化合物(IMC)的扩散与形成。

基本的球型焊接工艺包括以下几个步骤如图1所示[1]：在球型焊接开始前，焊头在打火的位置高度并移动到第一焊接点的位置（A）；焊头接着下降到搜索高度，第一焊接点通过热和超声能量在芯片焊盘形成一个共晶金属球（B）；之后焊头上升到反向高度，移动一段反向距离（C）；劈刀升高到线弧的顶端并移动形成所需要的线弧形式（D）。焊头移动到第二焊点搜索高度，以第二焊点的参数接触金属基板（E）；焊头上升到尾系长度（Tail Length），线夹关闭拉断尾线（F）；焊球到达烧球高度，电子打火形成对称的金球（G）。

二、可靠性分析（检测方法）

1、金线拉力

金线拉力测试是一种用于评估金线球焊连接可靠性的破坏性检验方法。该方法通过测量金线在断裂前能承受的最大拉力，来确定连接的强度。测试结果会受到金线材料、测试点位置以及键合弧形态的不同而有所变化。在进行测试时，通常将推拉力设备的应用点设置在金线长度的中点，即金线长度的一半位置，以此来获取测试数据。这种方法能够揭示金线连接中最脆弱的断裂点。如下图所示：

如需要得到更准确的第一焊点或者第二焊点拉力，可以将测试杆放在接近第一焊点的颈部或第二焊点的线尾处如图6所示[3]。

2、焊球剪切力测试

金线球焊剪切力测试是一种用于评估半导体封装中金线焊点强度的测试方法。该测试是生产过程中监控生产能力和稳定性的关键标准之一，通常作为统计过程控制（SPC）测试中的重要组成部分。测试过程中，使用推拉力设备对金线键合的第一焊点或第二焊点施加推力，通过观察焊球被推落后的表面状态，可以判断金球失效的模式。具体的金球失效模式包括：

1、Ball lift：推球后，焊区金属层上残留的金线小于或等于25%，表明金球与焊区金属层的连接不够牢固。

2、Ball shear：推球后，焊区金属层上残留的金线大于或等于25%，这通常意味着金球与焊区金属层之间存在较强的连接。

3、Pad metal lift：焊区金属层与芯片基底分离，金球上粘附有焊区金属，表明焊区金属层与芯片基底的连接强度不足。

4、Cratering：芯片基底的硅层或氧化层部分损坏或脱落，这可能是由于剪切力过大或材料本身的脆弱性造成的。

在进行剪切力测试时，通常会将推拉力设备的测试杆放置在金线长度的中点位置，以获得准确的测试结果。通过这种测试，可以有效地监控和保证金线球焊的可靠性，确保半导体封装的质量和性能。

三、常用检测设备

1、 Beta S100 推拉力测试机

1）设备概述

a、多功能焊接强度测试仪是一种专为微电子领域设计的动态测试设备，用于评估引线键合后的焊接强度、焊点与基板的粘接强度以及进行失效分析。该仪器能够执行多种测试，如晶片推力测试、金球推力测试和金线拉力测试，配备有高速力值采集系统，以确保测试的精确性。

b、用户可以根据具体的测试需求更换相应的测试模块，系统将自动识别并调整到合适的量程。这种灵活性使得设备能够适应不同产品的测试需求。每个测试工位都设有独立安全高度和速度限制，以防止因误操作而损坏测试探头。该系统以快速、精确和广泛的适用性为特点。

c、该测试仪广泛应用于半导体集成电路封装测试、LED封装测试、光电器件封装测试、PCBA电子组装测试，以及汽车电子、航空航天和军事等领域。同时，它也适用于电子分析和研究单位进行失效分析，以及教育机构的教学和研究活动。

2）设备特点

3) 试验流程

步骤1、模块简介与准备：

检查测试机和模块，确保所有设备均已校准并处于良好的工作状态。

步骤2、模块安装

将测试模块插入机器的安装位置，接通电气供应。

系统显示模块的初始化界面并初始化测试模块。

模块初始化结束后，界面消失，系统进入工作状态。

步骤3、压缩空气检查

确保压缩空气的气压在0.4-0.6MPA之间。

检查减压阀设定是否正常，避免气压过低、过高、水分过多或供应断断续续。

步骤4、测试推刀(或钩针安装

安装专用的测试用推刀（钩针）。

选择适合用户测试用的推刀型号，并与销售商联系确认。

将推刀（钩针）推入安装孔，对正位置，并用固定螺丝锁紧。

步骤5、夹具固定

将相关夹具沿卡口卡入试验台，并顺时针锁紧固定螺丝。

步骤6、设定测试参数

在软件的测试方法界面中设置测试参数。

输入新的测试方法名称，选择相应的传感器。

设置测试速度、合格力值、剪切高度和着落速度。

所有参数设定好后，点击保存以生效。

步骤7、测试过程

在显微镜下观察测试动作，确保试样固定好。

将测试推刀（钩针）摆放于被测试样品的后上方，启动测试。

观察测试动作，如有任何不合适的情况，可终止测试。

测试完成后，结果将显示在软件的测试结果界面中。

步骤8、测试结果观察

观察产品破坏情况，进行失效分析。

如需多次试验，重新调整产品及推刀位置后，可再次开始试验。

步骤9、数据保存

试验结束后，点击“新的测试”提示保存测试结果。

点击“确定”保存数据。

步骤10、测试报告编制

根据测试结果编制测试报告，包括测试条件、测试结果、数据分析和结论。

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