从数据到模型：如何预测细节距键合的剪切力？

在微电子封装领域，细节距键合工艺的开发与质量控制面临着巨大挑战。工程师们常常需要在缺乏大量破坏性测试的前提下，快速评估或预测一个键合点的剪切力性能。能否根据焊球的表观尺寸，通过一个可靠的数学模型来预估其剪切力？行业内的研究数据为我们揭示了可能性。今天，科准测控小编将带您了解如何基于实验数据建立并应用预测模型，实现从“测量”到“预估”的关键跨越。

一、从平方定律到经验公式

直观上，我们可能会假设剪切力（SF）与有效焊接面积成正比，即与焊接区域当量直径（D）的平方成正比（平方定律）。然而，对下表中大量实际工艺数据的分析表明，真实关系偏离了简单的平方定律。

使用25μm线径金丝，四种球形键合过程的平均自动键合工艺参数

通过对数据的高精度曲线拟合，研究人员得到了一个更为准确的经验公式：

其中，SF单位为gf，D为实际金属间化合物（IMC）区域的当量直径（单位μm）。该公式的相关系数r²高达0.999，显示了极强的统计显著性。

不过这个公式的指数（1.7）小于2，揭示了微观尺度下的复杂性：随着尺寸缩小，边缘效应、界面应力分布不均匀性以及材料尺寸效应等因素的影响变得更加显著，导致剪切力的增长略低于面积的线性增长。

二、模型的应用：双向预测与工艺评估

这个经验公式为工艺工程提供了强大的实用工具，主要在两个方向上发挥作用：

1. 正向预测剪切力：如果通过破坏性分析（如KOH腐蚀）已知某工艺条件下键合点的实际IMC百分比，从而计算出有效焊接直径D，便可以利用上述公式直接预测其预期的平均剪切力（SF）。例如，对于一个实测球径38μm、焊接比例为80%的焊点，其有效焊接直径D为34μm，代入公式可预测剪切力约为13.4gf。将此结果与下图的理论最大值（约12gf）对比，可以发现这是一个相当不错的近似，验证了模型的实用性。

2. 反向估算焊接质量：反之，如果通过非破坏性方法（如光学测量）知道了焊球外径，并测得实际剪切力，也可以利用该模型反向估算大致的有效焊接面积或IMC百分比，从而间接评估界面焊接质量。

三、实用化公式：基于光学测量的快速评估

考虑到实际生产中无法对每个焊点进行破坏性IMC测量，研究人员进一步推导了更便于使用的公式：

这个公式（r²=0.98）在假设焊点下方平均有80%的焊接区域的前提下，直接使用光学测量的焊球外径进行计算。它极大简化了评估流程，只需常规的尺寸测量即可对剪切力进行快速估算，特别适用于工艺监控和快速比较。

四、模型的边界与注意事项

尽管模型非常有用，但必须清楚其适用范围和前提：

适用范围：该系列公式主要适用于细节距（≤70μm至100μm）键合工艺的近似估算。

核心假设：上述公式基于一个固定的焊接比例（80%）假设。实际生产中，焊接比例会因清洁度、参数、材料等因素在65%-90%甚至更大范围内波动，这会导致预测出现偏差。

指导意义大于绝对精确：这些公式的价值在于为工艺开发和质量趋势监控提供强有力的量化指导和快速基准，而非替代精确的实物测试。它们能帮助工程师判断工艺调整的方向是否正确，以及当前性能离潜在上限还有多大空间。

无论是建立经验公式，还是在生产中对模型进行验证与应用，其根基都在于精准、可靠的原始测试数据。剪切力与焊球尺寸的测量误差，将直接导致预测失准或模型失效。科准测控的精密力学测试与测量系统，正是确保数据质量的关键，我们提供的不仅仅是测试设备，更是帮助客户将实验数据转化为知识、将经验转化为模型的核心能力，助力企业在细节距封装时代实现更高效、更可靠的工艺控制。