GB∕T 4937.22-2018 半導(dǎo)體器件 機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法 第22部分：鍵合強(qiáng)度

ICS31.080.01GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002(IEC60749-22:2002,IDT)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局IGB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002 Ⅲ 11.1試驗(yàn)說明 11.2試驗(yàn)裝置(適用于所有方法) 12方法A:引線拉力(單鍵合點(diǎn))和方法B:引線拉力(雙鍵合點(diǎn))(見附錄A) 12.1范圍 12.2試驗(yàn)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(yàn)和方法F:拉開試驗(yàn) 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(yàn) 46.1范圍 4 46.3術(shù)語和定義 56.4設(shè)備和材料 76.5程序 76.6可接受的試驗(yàn)極限值 87相關(guān)文件中規(guī)定以下細(xì)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(jí)跌落試驗(yàn)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(dǎo)體1GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法第22部分：鍵合強(qiáng)度1范圍和目的GB/T4937的本部分適用于半導(dǎo)體器件(分立器件和集成電路)。本部分的目的是測(cè)量鍵合強(qiáng)度或確定鍵合強(qiáng)度是否滿足規(guī)定的要求。規(guī)定了7種試驗(yàn)方法，每種試驗(yàn)方法目的不同，分別如下：——方法D:用于內(nèi)部鍵合，在芯片和基底之間或?qū)︻愃频拿骀I合結(jié)構(gòu)施加剪切應(yīng)力；——方法G:用于測(cè)試引線鍵合抗剪切力的強(qiáng)度。1.2試驗(yàn)裝置(適用于所有方法)試驗(yàn)裝置應(yīng)包括按規(guī)定的試驗(yàn)方法要求，在鍵合點(diǎn)、引線或引出端上施加規(guī)定應(yīng)力的設(shè)備。該設(shè)備能對(duì)失效時(shí)施加的應(yīng)力(以N為單位)提供經(jīng)過校準(zhǔn)的測(cè)量和指示。該設(shè)備測(cè)量100mN以內(nèi)的力(包過500mN的力，應(yīng)具有指示值的±2.5%的精度。2方法A:引線拉力(單鍵合點(diǎn))和方法B:引線拉力(雙鍵合點(diǎn))(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(guān)技術(shù)鍵合的、具有內(nèi)引線的半導(dǎo)體器件封裝內(nèi)2.2試驗(yàn)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(jìn)行拉力試驗(yàn)。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(jìn)行拉力試驗(yàn)。對(duì)針腳式鍵合，使用適當(dāng)?shù)难b置固定引線，然后對(duì)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(gè)鉤子，固定好器件后對(duì)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(diǎn)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(diǎn)開裂(2.2.4中的a),或達(dá)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(diǎn)開裂時(shí)的拉力值，并與表2中給出的值進(jìn)行比較，以確定是否可接收。如果表2中沒有對(duì)應(yīng)的引線直徑，應(yīng)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(diǎn)都沒有開裂a(bǔ))引線在頸縮點(diǎn)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(diǎn)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(cè)量鍵合強(qiáng)度的絕對(duì)值(見附錄A)。但該方法可用作生產(chǎn)過程中的鍵合質(zhì)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(diǎn)開裂(見3.4.1),或達(dá)到規(guī)定的最小拉力(見3.4.2)。3.4.1記錄鍵合點(diǎn)開裂時(shí)的拉力值，并與表2中給出的值進(jìn)行比較，以確定是否可接收。如果表2中沒有對(duì)應(yīng)的引線直徑，應(yīng)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(diǎn)都沒有開裂，則認(rèn)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(dǎo)電層之間的焊接界面);d)導(dǎo)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(yàn)面鍵合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片與基底之間的內(nèi)部鍵合。也可用來檢驗(yàn)基底和安裝使用適當(dāng)?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(diǎn)開裂(見4.4.1),或達(dá)到規(guī)定的最小應(yīng)力(見4.4.2)。4.4.2按另一種方法，應(yīng)力增加到50mN乘以鍵合點(diǎn)的數(shù)量。如果鍵合點(diǎn)和基底或芯片都沒有開裂，則可認(rèn)為鍵合合格。b)芯片(或載體)或基底破裂(即，緊靠鍵合點(diǎn)下方的部分芯片或基底發(fā)生移動(dòng));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(yàn)和方法F:拉開試驗(yàn)驗(yàn)批中的隨機(jī)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(yīng)足夠大，以使試驗(yàn)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(shí)不應(yīng)產(chǎn)生明顯的沖擊(小于0.25mm/min)。以恒定速率對(duì)鍵合器件的下側(cè)施力，達(dá)到5.5中規(guī)定的值或出現(xiàn)失效。5.3方法F程序經(jīng)校準(zhǔn)的拉開設(shè)備應(yīng)包括一個(gè)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(zhì)凝固粘附材料(例如：熱敏聚醋酸乙烯脂樹脂膠)相連。應(yīng)確保粘附材料不會(huì)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(yīng)與粘附材料保持固定的機(jī)械連接。在器件法線5°內(nèi)對(duì)其逐漸增加應(yīng)力，至少達(dá)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(dǎo)體芯片破裂；b)梁式引線從鍵合點(diǎn)翹起；c)梁式引線在鍵合處破裂；d)梁式引線在半導(dǎo)體芯片邊緣處破裂；e)梁式引線在鍵合點(diǎn)和半導(dǎo)體芯片邊緣之間破裂；f)鍵合點(diǎn)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(duì)非變形(鍵合前)的標(biāo)稱梁寬，每毫米(直線)施加500mN的力。鍵合強(qiáng)度應(yīng)以斷裂應(yīng)力除以鍵合前的標(biāo)稱梁寬來確定。6方法G:引線球剪切試驗(yàn)方法G用于測(cè)試引線鍵合抗剪切力的強(qiáng)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(guān)于冶金鍵合魯棒性的信息，相對(duì)于方法A和方法B而言，該方法更關(guān)注鍵合本身，而不是暴露與鍵合質(zhì)量不直接相關(guān)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(cè)熱壓焊或熱超聲焊技術(shù)鍵合的一系列球性鍵合剪切強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)程序。鍵合剪切是用一個(gè)鑿子狀的工具把一個(gè)球形或楔形鍵合點(diǎn)從鍵合區(qū)剪切或推開(見圖1)。記錄分離時(shí)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(guān)，可以指示金球鍵合點(diǎn)與鍵合區(qū)金屬化層之間的冶金鍵合質(zhì)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(qiáng)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(chǔ)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(dāng)球的高度和直徑足夠大，并且與相鄰有影響的結(jié)構(gòu)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(yàn)工具在相鄰鍵合點(diǎn)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(zhì)量保證。6.3術(shù)語和定義6.3.1剪切模式定義(見圖1)definitionofshearmodes6.3.1.1整個(gè)球形鍵合點(diǎn)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(shí)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(dāng)，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(diǎn)的頂端部分。6.3.1.6low)樣品放置不當(dāng)，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(hù)涂層，產(chǎn)生了無效的剪切值。鍵合區(qū)與鍵合點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)上附著有殘留的鍵合區(qū)鍵合點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)。剪切工具至少應(yīng)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(zhǎng)度的剪切面。設(shè)計(jì)的剪切工具應(yīng)確保在試驗(yàn)期間不發(fā)生波浪運(yùn)動(dòng)或拖沓運(yùn)動(dòng)。工具應(yīng)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(yàn)使用的設(shè)備須具有如下能力：a)球形鍵合剪切試驗(yàn)設(shè)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(shè)計(jì)的剪切工具應(yīng)確保在試驗(yàn)期間不發(fā)生波浪運(yùn)動(dòng)或拖沓運(yùn)動(dòng)。工具應(yīng)干凈，沒有缺口或其他影響剪切試驗(yàn)的缺陷。c)在試驗(yàn)期間，夾具應(yīng)能在水平方向固定并垂直于剪切工具，并應(yīng)有足夠的夾緊力確保樣品d)球形鍵合剪切試驗(yàn)設(shè)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(yīng)確保剪切工具不會(huì)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(diǎn)中心線的距離。6.5.1對(duì)具體器件，樣本大小應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)樣本大小應(yīng)由至少隨機(jī)抽取50個(gè)鍵合球。6.5.5將剪切工具置于接近鍵合點(diǎn)的位置(距離小于2個(gè)鍵合球直徑),垂直于器件表面且距其小于鍵合點(diǎn)高度的一半，如圖1模式1～模式4所示。剪切工具的底部應(yīng)保持在鍵合點(diǎn)中心線下方，芯片鍵合6.5.9計(jì)算和記錄每個(gè)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(shí)不應(yīng)包括無效試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。包括剪切臂放置不當(dāng)(過高、過低或未接觸整6.5.11使用每個(gè)試驗(yàn)樣本已知(或經(jīng)過測(cè)量)的鍵合球直徑，計(jì)算每試驗(yàn)批的鍵合剪切強(qiáng)度平均值和最小值(以克為單位的應(yīng)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(yàn)極限值6.6.1球形鍵合可接受的試驗(yàn)極限值如果鍵合剪切力的單個(gè)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(rèn)為球形鍵合是在得到器件供應(yīng)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(gè)剪切值讀數(shù)最小值25.4圖2可接受的球形鍵合單個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(qiáng)度表2最小拉力值試驗(yàn)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(shí))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(duì)于帶狀引線，使用與試驗(yàn)帶狀引線截面相等的圓引線的直徑的條件。注2:進(jìn)行密封后的開帽檢驗(yàn)時(shí)，需小心操作，避免給鍵合點(diǎn)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