从测试到标准：如何科学设定键合强度合格线？

在微电子封装的质量控制中，确定键合强度的合格标准是一项复杂而严谨的工作。面对不同尺寸的焊球、不同的材料组合，以及可靠性的严苛要求，工程师们常常面临这样的疑问：测得的剪切力多少才算“合格”？这个标准是基于单一经验值，还是有一套科学、系统的方法可以遵循？今天，科准测控小编将带您深入探讨，如何从海量测试数据中，建立起既严谨又具操作性的键合强度判定标准。

一、标准化的首要步骤：测量方法的统一与精进

建立可比性标准的第一步，是统一测量和计算的基础。这不仅涉及单位，更关乎测量方法本身。

实用化的单位选择：在行业内，剪切强度（Shear Strength, SS）常使用如gf/mil²等单位。这是因为使用国际单位制（SI）的MPa或GPa时，对于微米尺度的键合点，数值会显得过大或过小，不利于工程师的直观理解和快速比对。

关键直径的精准测量：测量哪一部分的直径，直接影响对“有效键合区域”的估算，从而影响理论最大值的参照。美国国家标准与技术研究院（NIST）的实验室研究表明，对于非细节距焊球，焊球顶部的瓷嘴压痕外边界与实际键合区域的周边非常接近。因此，建议使用瓷嘴压痕外径而非焊球最大外径来估算焊接区域。此举更为严谨，由此获得的理论最大剪切力预期值，会比用焊球外径估算的值低15%-20%。

细节距的特殊考量：对于细节距键合，焊球形态可能因瓷嘴设计而变为“倒锥形”等非标准形状。此时，焊接区域占比通常很高，可直接使用焊球的外部尺寸（外径或周长）进行计算，这已成为行业内的通用实践。

二、界定合格门槛：理论最大值的科学运用与限制

图中曲线是评估工艺潜力的关键工具，它给出了特定尺寸焊球所能达到的理论最大剪切力。然而，它无法直接给出“合格”的下限。因为实际生产受工艺波动、界面污染等因素影响，不可能每个焊点都达到理论最大值。直接将此值作为最低标准会导致过高的废品率。

三、确立最小接受值：拉力-剪切力关联统计法

科学设定最低标准（Minimum Acceptance Value）需要引入另一种破坏性测试——引线拉力测试，并进行大规模数据关联分析。

1. 数据关联：在同一工艺条件下，制备成千上万个键合点，分别进行剪切力测试和引线拉力测试，并绘制平均拉力与平均剪切力的关系曲线。

2. 确定临界点：分析拉力测试的失效模式。当拉力测试中完全不再出现焊球从界面拉脱（失效模式转变为引线断裂或颈部断裂）时，表明界面强度已足够高。此时在关系曲线上对应的剪切力值，即可定义为该工艺下可接受的最小剪切力。

3. 经验参考值：一项经典研究表明，对于特定时期的粗间距工艺，良好键合的平均剪切力约为80gf，而焊球拉脱的临界剪切力约为40gf。这提供了一个重要参考：最小可接受剪切力大约为理论最大值的50%。但这仅为起点，需根据具体产品调整。

四、可靠性要求的最终校准：超越初始强度

上述基于初始强度统计得到的“最小值”，还需接受最终裁判——可靠性要求的校准。

热应力考量：对于Au-Al等易受热应力影响的键合系统，为防止在使用寿命期内因热循环导致失效，行业标准往往要求更高的初始剪切强度。例如，某些要求下，最小剪切强度需达到约5.5 gf/mil² (84MPa)，这远高于单纯基于初始断裂统计得出的值。

一些细节距球形键合点的最小（倒锥形）外形图

细节距的脆弱性：细节距键合点虽然初始剪切力值可能更高（得益于更高的焊接比例），但其界面金属间化合物层更薄，在热老化过程中可能退化得更快。因此，对其初始强度的设定可能需要更加保守，以预留足够的可靠性余量。

五、科准测控为科学标准建立提供数据基石

建立一套科学的键合强度判定标准，其核心在于大量、准确、可重复的测试数据。从统一测量方法到进行成千上万的关联测试，再到满足可靠性验证需求，每一个环节都离不开高可靠性的测试设备。科准测控的精密力学测试系统，正是为支撑这一系统性工程而设计，通过提供专业的测试解决方案，助力客户从“经验阈值”迈向“数据驱动”的科学质量管理体系，确保每一颗芯片的连接都坚实可靠。