GB∕T 4937.22-2018 半导体器件 机械和气候试验方法 第22部分：键合强度

ICS31.080.01GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002(IEC60749-22:2002,IDT)国家市场监督管理总局IGB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002 Ⅲ 11.1试验说明 11.2试验装置(适用于所有方法) 12方法A:引线拉力(单键合点)和方法B:引线拉力(双键合点)(见附录A) 12.1范围 12.2试验的一般描述 13方法C:键合拉脱 23.1范围 23.2程序 23.3施加的力 23.4失效判据 23.5失效类别 24方法D:键合剪切(用于倒装焊) 34.1范围 34.2程序 34.3施加的力 34.4失效判据 34.5失效类别 35方法E:推开试验和方法F:拉开试验 35.1范围 3 3 45.4方法E和方法F的失效判据 45.5施加的力(适用于方法E和方法F) 46方法G:引线球剪切试验 46.1范围 4 46.3术语和定义 56.4设备和材料 76.5程序 76.6可接受的试验极限值 87相关文件中规定以下细节 附录A(规范性附录)指南 ⅢGB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002 GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002 第40部分.采用张力仪的板级跌落试验方法 第42部分：温度和湿度贮存本部分为GB/T4937的第22部分。本部分使用翻译法等同采用IEC60749-22:2002《半导体1GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002半导体器件机械和气候试验方法第22部分：键合强度1范围和目的GB/T4937的本部分适用于半导体器件(分立器件和集成电路)。本部分的目的是测量键合强度或确定键合强度是否满足规定的要求。规定了7种试验方法，每种试验方法目的不同，分别如下：——方法D:用于内部键合，在芯片和基底之间或对类似的面键合结构施加剪切应力；——方法G:用于测试引线键合抗剪切力的强度。1.2试验装置(适用于所有方法)试验装置应包括按规定的试验方法要求，在键合点、引线或引出端上施加规定应力的设备。该设备能对失效时施加的应力(以N为单位)提供经过校准的测量和指示。该设备测量100mN以内的力(包过500mN的力，应具有指示值的±2.5%的精度。2方法A:引线拉力(单键合点)和方法B:引线拉力(双键合点)(见附录A)2.1范围本方法适用于采用锡焊、热压焊、超声焊和其他相关技术键合的、具有内引线的半导体器件封装内2.2试验的一般描述2.2.1方法A程序切断连接芯片或基底的引线，以便两端都能进行拉力试验。在引线较短的情况下，要靠近某一端切断引线，以便在另一端进行拉力试验。对针脚式键合，使用适当的装置固定引线，然后对引线或夹紧引2.2.2方法B程序在连接芯片或基底和引出端的引线下插入一个钩子，固定好器件后对钩子施加拉力。尽量在引线中央施加拉力，拉力与芯片或基底表面法线的夹角或与两键合点间连线的垂线的夹角不大于5°。2.2.3施加的力(适用于方法A和方法B)逐渐施加拉力到引线或键合点开裂(2.2.4中的a),或达到规定的最小拉力2.2.4中的b]]。2失效判据规定如下：a)记录引线或键合点开裂时的拉力值，并与表2中给出的值进行比较，以确定是否可接收。如果表2中没有对应的引线直径，应使用图3中的曲线来确定键合拉力的极限值。该曲线仅适用于键合拉力垂直于芯片的情况。b)逐渐施加拉力到规定的最小值。如果引线和键合点都没有开裂a)引线在颈缩点断开(由于键合工艺引起截面减小的位置);b)引线在非颈缩点断开；c)芯片上的键合(引线和金属化层之间的界面)失效；d)基底、封装接线柱或非芯片位置e)金属化层从芯片翘起；f)金属化层从基底或封装接线柱翘起；h)基底破裂。注：方法B不建议用来测量键合强度的绝对值(见附录A)。但该方法可用作生产过程中的键合质量监控。3方法C:键合拉脱本方法通常用于器件封装的外部键合。固定引线或引出端以及器件封装，在引线或引出端和布线板或基底之间以某一角度施加拉力。若逐渐施加拉力到引线(或引出端)或键合点开裂(见3.4.1),或达到规定的最小拉力(见3.4.2)。3.4.1记录键合点开裂时的拉力值，并与表2中给出的值进行比较，以确定是否可接收。如果表2中没有对应的引线直径，应使用图3中的曲线来确定键合拉力的极限值。该曲线仅适用于键合拉力垂直于3.4.2逐渐施加拉力到规定的最小值。如果引线(或引出端)和键合点都没有开裂，则认为该键合3a)引线或引出端在变形区开裂(焊接影响区);b)引线或引出端在非键合工艺影响区开裂；c)键合界面处失效(在焊料中，或在引线或引出端和与之键合的布线板或基底导电层之间的焊接界面);d)导电层从布线板或基底上翘起；4方法D:键合剪切(用于倒装焊)本方法通常用来检验面键合结构的半导体芯片与基底之间的内部键合。也可用来检验基底和安装使用适当的工具或劈刀与芯片(或载体)在恰好位于主基底上方的位置接触，在垂直于芯片(或载逐渐施加拉力到键合点开裂(见4.4.1),或达到规定的最小应力(见4.4.2)。4.4.2按另一种方法，应力增加到50mN乘以键合点的数量。如果键合点和基底或芯片都没有开裂，则可认为键合合格。b)芯片(或载体)或基底破裂(即，紧靠键合点下方的部分芯片或基底发生移动);c)金属化层翘起(即，金属化层或键合基座与芯片/载体或基底分离)。5方法E:推开试验和方法F:拉开试验验批中的随机抽样。方法F通常用于键合在陶瓷基底或其他适用的基底上的梁式引线样品。5.2方法E程序4GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002键合区。推开工具应足够大，以使试验期间的器件破裂减到最小，但不能大到与固定在键合区中的梁式引线接触。牢固地固定基底，通过小孔插入推开工具。推开工具与器件接触时不应产生明显的冲击(小于0.25mm/min)。以恒定速率对键合器件的下侧施力，达到5.5中规定的值或出现失效。5.3方法F程序经校准的拉开设备应包括一个拉开工具(例如：镍铬铁合金线的电热环),它与梁式引线芯片上面的硬质凝固粘附材料(例如：热敏聚醋酸乙烯脂树脂胶)相连。应确保粘附材料不会蔓延到梁下或芯片底部。把基底牢固地固定在拉开夹具中，拉开工具应与粘附材料保持固定的机械连接。在器件法线5°内对其逐渐增加应力，至少达到5.5中规定的值或芯片上表面离开基底2.5mm为止。5.4方法E和方法F的失效判据失效判据规定如下：a)半导体芯片破裂；b)梁式引线从键合点翘起；c)梁式引线在键合处破裂；d)梁式引线在半导体芯片边缘处破裂；e)梁式引线在键合点和半导体芯片边缘之间破裂；f)键合点从基底上翘起；g)金属化层翘起(金属化层与芯片或键合区分离)。5.5施加的力(适用于方法E和方法F)对非变形(键合前)的标称梁宽，每毫米(直线)施加500mN的力。键合强度应以断裂应力除以键合前的标称梁宽来确定。6方法G:引线球剪切试验方法G用于测试引线键合抗剪切力的强度。建议在方法A和方法B之外增加此方法。它能提供更多关于冶金键合鲁棒性的信息，相对于方法A和方法B而言，该方法更关注键合本身，而不是暴露与键合质量不直接相关的失效(比如引线在根部、颈部、跨度处的断裂)。本方法提供了检测热压焊或热超声焊技术键合的一系列球性键合剪切强度的标准程序。键合剪切是用一个凿子状的工具把一个球形或楔形键合点从键合区剪切或推开(见图1)。记录分离时的力作为键合剪切力。如果金球键合的键合剪切力与键合球直径相关，可以指示金球键合点与键合区金属化层之间的冶金键合质量，如图2和表1中所示。铝楔形键合的键合剪切力，与承制方的金属丝拉力强度比较，可以指示铝丝和键合区金属化层之间焊接的完整性。球形键合包括变大的球面或引线的钉头部分(在热压焊或超声焊或二者的热焰熄灭和首次键合操作中得到),基础键合区和球形键合的键合区界面或焊接面。组件中。只有当球的高度和直径足够大，并且与相邻有影响的结构有足够的距离，允许清除键合球周边5GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002的区域，以便剪切试验工具在相邻键合点之间放置。该方法是破坏性的。适用于工艺研发，或有合适抽样方案的工艺控制或质量保证。6.3术语和定义6.3.1剪切模式定义(见图1)definitionofshearmodes6.3.1.1整个球形键合点从键合区上脱离，只在键合区上留下了印痕。键合区上有少量金属间化合物残留或无残留。6.3.1.2模式2键合撕裂/球形键合撕裂/楔形键合剪切mode2-bondshear/ballshear/wedgeshear键合球从金属间化合物上分离。键合区的金属化层上残留有键合球的金属间化合物和部分金。6.3.1.3键合区金属化层与基底分离。一些键合区金属化层和金属间化合物附着在键合球上。6.3.1.4模式4——凹陷(破损)mode4-cratering(chip-out)键合区翘起，同时带起部分基底。键合区金属化层和部分基底附着在键合球上。6.3.1.5样品放置不当，剪切高度太高或仪器故障。剪切工具只移除了球形或楔形键合点的顶端部分。6.3.1.6low)样品放置不当，剪切高度太低或仪器故障。剪切工具接触到了金属化层或保护涂层，产生了无效的剪切值。键合区与键合点分离键合区上有少量金属间化合物残键合区与键合点分离键合区上有少量金属间化合物残留或无残留键合区未受损a)模式1球翘起b)模式2键合剪切-金/铝图1键合剪切模式6键合点上附着有残留的键合区键合点上附着有残留的键合区和基座c)模式3键合区翘起d)模式4凹陷操作臂触碰到了金属操作臂触碰到了金属化层而不是键合点键合区与芯片分离e)模式5a剪切工具过高f)模式5b剪切工具过低剪切工具或剪切臂sheartoolorarm底部和背部有一定角度的碳化钨劈刀或等效工具，可以保证剪切运动。剪切工具至少应有扁平的剪切面，锋利的剪切刀口，宽度是1.5倍到2倍的键合直径或键合长度的剪切面。设计的剪切工具应确保在试验期间不发生波浪运动或拖沓运动。工具应干净，没有缺口或其他影热超声金(Au)球形键合thermosonicgold(Au)ballbond用热超声金属丝键合工艺完成的金球键合。超声铝(AI)楔形键合ultrasonicaluminium(Al)wedgebond用超声金属丝键合工艺完成的铝楔形键合或焊接。7引线球键合剪切试验使用的设备须具有如下能力：a)球形键合剪切试验设备能够在基底上方精确地定位剪切臂(±2.54μm),配备变焦显微镜(最小放大倍数70X)。b)设计的剪切工具应确保在试验期间不发生波浪运动或拖沓运动。工具应干净，没有缺口或其他影响剪切试验的缺陷。c)在试验期间，夹具应能在水平方向固定并垂直于剪切工具，并应有足够的夹紧力确保样品d)球形键合剪切试验设备能够在基底上方精确地定位剪切臂(±2.54μm)。其距键合面顶部的距离应确保剪切工具不会触碰到芯片的表面，并且小于键合面顶部到球形或楔形键合点中心线的距离。6.5.1对具体器件，样本大小应取SPC控制规定的最小值。除另有规定外，工艺研发的标准样本大小应由至少随机抽取50个键合球。6.5.5将剪切工具置于接近键合点的位置(距离小于2个键合球直径),垂直于器件表面且距其小于键合点高度的一半，如图1模式1～模式4所示。剪切工具的底部应保持在键合点中心线下方，芯片键合6.5.9计算和记录每个样本的下列值：a)剪切力平均值(gf);b)最小值(gf);c)最大值(gf);6.5.10确定剪切力平均值时不应包括无效试验的数据。包括剪切臂放置不当(过高、过低或未接触整6.5.11使用每个试验样本已知(或经过测量)的键合球直径，计算每试验批的键合剪切强度平均值和最小值(以克为单位的应力平均值/已知键合球平均尺寸)。8GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:20026.6可接受的试验极限值6.6.1球形键合可接受的试验极限值如果键合剪切力的单个最小值和平均值大于或等于图2和表1中给出的值，则可认为球形键合是在得到器件供应商和最终使用者(用户)的同意后，可更改最小键合剪切值。键合球直径/μm最小剪切平均值单个剪切值读数最小值25.4图2可接受的球形键合单个剪切值最小值和最小剪切平均值表1Al/AI合金金属化层上金球键合的可接受的单个剪切值最小值和最小剪切平均值键合球直径最小剪切平均值单个剪切值读数最小值40.643.245.79GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002表1(续)键合球直径最小剪切平均值单个剪切值读数最小值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单个最小值是基于：4.0gf/(0.001in)²,近似是0.0062gf/μm²(0.0608mN/μm²)。GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002——最小键合强度表2最小拉力值试验方法引线成分和直径mmmN密封前密封后，其他处理或筛选(适用时)垂直于布线板或基底平行于布线板或基底垂直于布线板或基底平行于布线板或基底Al0.018Au0.018Al0.025Au0.025A或BAl0.033Au0.033Al0.038Au0.038A或BA10.075Au0.075注1:对于带状引线，使用与试验带状引线截面相等的圆引线的直径的条件。注2:进行密封后的开帽检验时，需小心操作，避免给键合点引入损伤。GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002(0.001in)曲线A:金(密封前)曲线B:金(密封后)和铝(密封前)曲线C:铝(密封后)10.04注：最小拉力从表2中获得。若引线的直径未在表2中给出，则可利用此图。图3最小键合拉力极限值(垂直于布线板或基底)GB/T4937.22—2018/IEC60749-22:2002(规范性附录)指南一般来讲，针