楔形键合点剪切测试实用性的科学评估

在半导体封装领域，焊球-剪切测试因其直观、有效而成为评估金球键合点质量的行业标准。然而，对于线径更细、形貌更复杂的超声铝楔形键合点，直接沿用剪切测试方法进行强度评估是否科学可靠？今天，科准测控小编就来和大家一起探讨这个在键合质量评估中颇具挑战性的问题：剪切测试这一评估球形键合点的“利器”，是否同样适用于超声楔形键合点？

一、对比实验

为回答这个核心问题，美国国家标准与技术研究院（NIST）与桑迪亚国家实验室（Sandia）进行了一次严谨的联合研究。

实验设计如下：

材料：使用三组线径为25μm（1密耳）、含1%硅的铝丝。

工艺：在NIST，通过超声楔形键合工艺，将这些铝丝键合到同一晶圆的铝金属层上，形成大量键合点。

方法：随机选择一半键合点进行破坏性拉力测试，随后将晶圆送至Sandia，对剩余键合点进行剪切测试。

目标：直接对比两种测试方法对同一批键合点评估结果的差异性与相关性。

二、测试结果

实验数据结果如图：

核心发现是：拉力测试与剪切测试的结果呈现显著的、系统性的背离。

具体表现为：随着键合点形变（即压扁程度）的增加：

拉力测试值明显下降，剪切测试值却保持稳定甚至可能上升。

这一看似矛盾的现象，其根源在于两种测试方法所评估的失效机理与敏感区域完全不同。

三、机理剖析：拉力与剪切，究竟测的是什么？

要理解数据背离，必须深入铝楔形键合的冶金学本质。

1. 拉力测试的敏感区：脆弱的“脚跟”

在超声铝楔形键合过程中，引线在键合工具压力下发生塑性形变。键合点的“脚跟”部位（即引线进入键合点的弯曲根部）经历了最剧烈的变形和加工硬化，成为整个结构的力学薄弱点。

拉力测试垂直向上施力，其失效通常始于这个过度加工、已然脆弱的“脚跟”部位发生颈缩或断裂。因此，形变越大，脚跟越弱，拉力值就越低。拉力测试灵敏地反映了这一“最弱环节”的强度。

2. 剪切测试的“盲区”与敏感区：焊接界面

剪切测试从侧面水平推切键合点。其工具作用于键合点主体，完全避开了“脚跟”区域。

剪切失效主要发生在铝丝与铝焊盘之间的焊接界面。其强度直接取决于界面原子结合的紧密程度，即有效的焊接面积。

形变增加，虽然恶化了脚跟强度，却同时增大了铝丝与焊盘的接触与焊接面积。因此，剪切力值可能保持不变或增加，它反映的是界面结合质量，而非整体结构的最弱处。

简言之：拉力测的是“结构瓶颈”（脚跟），剪切测的是“界面结合”（焊区）。一个键合点即使脚跟已存在裂纹甚至近乎断裂，只要界面焊接良好，仍能测出很高的剪切力值。

四、工程实践中的结论与启示

基于上述机理，可以得出以下关键结论：

1. 局限性：剪切测试并非评估细铝丝楔形键合点整体可靠性的有效通用工具，尤其当键合点形变超过线径2倍以上时。它无法预警由“脚跟”脆弱导致的早期拉力失效风险。

2. 有条件的使用价值：在充分理解其原理局限的前提下，剪切测试仪因其高精度（定位精度达微米级）的优势，有时可用于专项评估楔形键合点的焊接界面质量。

3. 现代工艺下的可行性窗口：对于采用高频键合（≥100kHz）的现代设备，推荐的楔形键合点最小形变约为线径的1.25倍。在此规范下，除非使用线径≤25μm的极细引线，否则由“脚跟”过度弱化导致的问题不再突出，此时使用剪切测试进行工艺监控通常是可行的。

NIST与Sandia的这项研究深刻揭示：在精密制造领域，没有放之四海而皆准的测试方法。理解不同测试方法背后的物理机制，是科学评估键合质量的前提。科准测控的精密测试设备与分析方案，正是为了帮助工程师获得这种深层洞察而设计，通过专业的测试技术与解决方案，赋能工程师做出更精准、更可靠的判断，共同守护半导体封装的品质基石。