隨著微電子技術的快速發展，芯片互連工藝作為電子封裝的核心環節，其可靠性直接決定了整個電子產品的性能和壽命。

引線鍵合作為最傳統且應用最廣泛的芯片互連技術，已有五十余年的發展歷史，但其質量控制始終是行業關注的焦點。在眾多質量檢測方法中，非破壞鍵合拉力試驗因其高效、準確且不損傷產品的特點，成為確保鍵合可靠性的關鍵手段。

本文科準測控小編將系統介紹引線鍵合工藝原理、質量控制標準，重點分析Alpha W260推拉力測試機在非破壞鍵合拉力試驗中的應用流程和技術要點，為微電子封裝領域的質量控制提供實用參考。

一、引線鍵合工藝原理及技術特點

引線鍵合是一種固相鍵合技術，通過外加能量（超聲、壓力、熱）使金屬產生塑性變形及原子固相擴散，從而實現緊密連接。根據材料不同，主要分為Au絲鍵合和Al絲鍵合兩大類型。

Au絲球焊鍵合采用熱聲焊原理，是熱壓球焊與超聲焊的結合。其工藝過程包括：Au絲穿過碳化鎢或陶瓷劈刀通孔，通過電容放電在Au絲頂端形成Au球，然后在芯片鍵合區進行球焊（第一點），最后在成膜基板上完成楔形焊（第二點）。金絲球焊的劈刀通孔直徑通常為絲徑的1.3-1.6倍，金球尺寸控制在絲徑的2.5-3倍。鍵合用Au絲需經500℃高溫退火15-20分鐘，以改善延展性和柔韌性。

Al絲楔焊鍵合則采用純超聲焊原理，無需加熱。其鍵合能量與Al絲硬度的關系符合CE=H3/2D3/2公式，其中E為鍵合能量，C為振動系數，H為Al絲硬度，D為Al絲直徑。Al絲也需經過真空退火處理（380-400℃，30-40分鐘）以降低硬度，提高鍵合性能。

帶狀引線鍵合是絲鍵合的重要變體，包括Au帶熱聲鍵合和Al帶超聲楔焊。相比絲鍵合，帶狀鍵合具有高頻寄生效應小、抗干擾性好、電流承載能力大等優勢，特別適用于大功率電路和微波電路。

二、鍵合質量評價標準與關鍵指標

鍵合質量評價體系包括破壞性測試和非破壞性測試兩大類，其中非破壞鍵合拉力試驗因其無損特性成為生產過程中最常用的質量控制手段。

1. 鍵合強度標準要求

根據GJB548B等行業標準，鍵合強度需滿足以下最低要求：

· 直徑25μm Au絲：≥3.0gf

· 直徑50μm Au絲：≥5.0gf

· 直徑100μm Al絲：≥10.0gf

· 直徑300μm Al絲：≥30.0gf

2. 非破壞鍵合拉力試驗設定值

非破壞性測試的拉力設定值為對應直徑鍵合引線密封前最小鍵合強度的80%，具體如下表所示：

3. 鍵合點幾何要求

· Au絲球焊焊球直徑：>2倍絲徑，<5倍絲徑

· 楔焊焊點寬度：>絲徑，<2.5倍絲徑

· 楔焊焊點長度：>1.5倍絲徑，<5倍絲徑

· 鍵合點位置精度：>75%面積落在鍵合區內（航天產品要求100%）

三、Alpha W260推拉力測試機****的應用

設備特點

a、高精度：全量程采用自主研發的高精度數據采集系統，確保測試數據的準確性。

b、多功能性：支持多種測試模式，如晶片推力測試、金球推力測試、金線拉力測試以及剪切力測試等。

c、操作便捷：配備專用軟件，操作簡單，支持多種數據輸出格式，能夠完美匹配工廠的SPC網絡系統。

四、非破壞鍵合拉力試驗標準化流程

1. 試驗前準備

1. 設備校準 ：每日使用前需進行力傳感器校準，確保測試精度
2. 鉤針****選擇 ：根據鍵合絲直徑選擇合適鉤針，滿足以下關系：

o 直徑≤51μm：拉鉤直徑≥2倍絲徑

o 51<直徑≤127μm：拉鉤直徑≥1.5倍絲徑

o 直徑>127μm：拉鉤直徑≥1倍絲徑

3. 參數設置 ：按照標準設置非破壞拉力值（最小鍵合強度的80%）
4. 速度設置 ：控制拉鉤移動速度，使初始接觸沖擊力不超過設定值的20%

2. 測試操作步驟

1. 樣品固定 ：將待測電路穩固安裝在測試平臺上，避免移動
2. 光學對位 ：使用顯微鏡定位待測鍵合絲，確保拉鉤與引線接觸點位于：

o 芯片與基板間鍵合：中點與芯片邊緣之間

o 基板與引線柱間逆向鍵合：中點與引線柱之間

3. 拉力方向 ：調整拉鉤位置，使拉力方向與基板/芯片表面基本垂直
4. 施加拉力 ：以恒定速度施加拉力至設定值，保持時間不超過1秒
5. 結果判定 ：觀察鍵合點是否分離，記錄保持完好的合格樣品

3. 抽樣方案與接受標準

根據產品等級不同，采用不同的抽樣方案：

K級電路（宇航級） ：

· 100%全檢

· 允許的PDA（允許缺陷率）：2%或1根失效（取較大值）

· 失效批允許重新測試一次，PDA降為1.5%

H級電路（高可靠級） ：

· 每批至少2個電路樣本，每個至少15根鍵合絲

· 發現1根失效時，追加2個電路100%測試

· 接受標準：0失效

4. 測試注意事項

1. 拉力點選擇 ：必須避開鍵合點根部，防止人為引入應力集中
2. 射頻電路處理 ：對無法直接測試的射頻電路，需制作模擬樣品進行替代測試
3. 環境控制 ：應在潔凈環境中操作，避免污染影響測試結果
4. 數據記錄 ：詳細記錄測試日期、操作員、設備參數、測試結果等信息
5. 失效分析 ：對失效樣品進行顯微檢查，分析失效模式（脫鍵、絲斷裂、彈坑等）

五、常見問題分析與解決方案

1. 典型失效模式及原因

1. 界面脫鍵 ：

o 鍵合區污染或氧化

o 鍵合能量不足（超聲功率低、壓力小、時間短）

o 金屬化層厚度不當（過薄或過厚）

2. 引線斷裂 ：

o 鍵合形變過大導致踵部裂紋

o 引線材料缺陷（退火不足、雜質含量高）

o 拉力測試時拉鉤位置不當

3. 彈坑（露底）缺陷 ：

o 鍵合能量過大（特別是超聲功率過高）

o 芯片Al鍵合區存在硅結瘤

o 鍵合壓力過高

2. 工藝參數優化建議

1. Au絲球焊 ：

o 第一點球焊：溫度150±5℃，壓力30-50gf，超聲功率30-50mW，時間10-20ms

o 第二點楔焊：壓力比第一點高20%，其他參數類似

2. Al絲楔焊 ：

o 超聲功率比Au絲高30-50%

o 壓力設置50-80gf

o 鍵合時間20-30ms

o 可適當加熱（約100℃）提高鍵合強度

3. 特殊應用注意事項

1. PCB板鍵合 ：

o 鍵合溫度必須低于PCB材料的Tg溫度

o 建議優先使用Al絲鍵合

o 如需Au絲鍵合，應選擇Tg>150℃的高性能基材（如聚酰亞胺）

2. 宇航應用 ：

o 功率芯片禁用Au-Al鍵合系統

o 每月進行300℃、1h的鍵合強度穩定性試驗

o 硅鋁絲鍵合不允許返工

3. Au-Al鍵合系統 ：

o 控制Au層厚度在0.5-0.8μm以減少IMC影響

o 對于必須使用的場合，需通過300℃高溫考核

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審核編輯 黃宇