在微電子封裝可靠性評(píng)估中，焊球-剪切測試和鍵合點(diǎn)-拉力測試是兩種常用機(jī)械性能檢測方法。長期以來，工程界對(duì)這兩種測試手段的有效性和適用場景存在諸多討論。究竟哪一種測試更能真實(shí)反映鍵合界面的長期可靠性？今天，跟隨科準(zhǔn)測控小編來一探究竟。

一、核心實(shí)驗(yàn)：高熱應(yīng)力下的性能演變

White的研究為此問題提供具有說服力的數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)采用了與集成電路鋁金屬層形成牢固連接的金球鍵合樣品，并在200℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行了長達(dá)2688小時(shí)（約112天）的加速老化試驗(yàn)。研究人員通過定期取樣，分別進(jìn)行剪切測試和拉力測試，系統(tǒng)追蹤了金-鋁界面在長期熱應(yīng)力下的退化過程。

上圖重新繪制了這項(xiàng)關(guān)鍵研究的核心數(shù)據(jù)，揭示了一個(gè)出乎意料的現(xiàn)象：隨著老化時(shí)間增加，剪切力呈現(xiàn)顯著下降趨勢，而拉力值卻基本保持穩(wěn)定甚至略有上升。

二、數(shù)據(jù)解讀：兩種測試的不同響應(yīng)機(jī)制

1. 剪切測試：對(duì)界面退化高度敏感

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過長時(shí)間熱老化后，鍵合界面的剪切強(qiáng)度降低了約2.6倍。這種退化主要?dú)w因于兩個(gè)因素：

金屬間化合物（IMC）的形成：金和鋁在高溫下持續(xù)擴(kuò)散反應(yīng)，生成脆性的Au-Al金屬間化合物層

柯肯達(dá)爾（Kirkendall）空洞的產(chǎn)生：由于金、鋁原子擴(kuò)散速率不同，在界面處產(chǎn)生微空洞缺陷

重要發(fā)現(xiàn)：盡管界面發(fā)生了明顯的機(jī)械性能退化，但器件的電學(xué)性能僅受到輕微影響（電阻增加僅幾毫歐）。這證實(shí)了機(jī)械可靠性失效可能先于電學(xué)失效發(fā)生，凸顯了機(jī)械測試在早期預(yù)警中的價(jià)值。

2. 拉力測試：反映金線本體性能

與剪切測試的顯著變化不同，拉力值在整個(gè)老化過程中基本保持穩(wěn)定。這種差異源于兩種測試的本質(zhì)區(qū)別：

剪切測試：主要評(píng)估鍵合界面的結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)界面退化直接敏感

拉力測試：更側(cè)重于評(píng)估金線自身的冶金性能和抗拉強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)中觀察到的拉力值輕微上升，很可能反映了金線在高溫下發(fā)生的冶金學(xué)變化（如晶粒生長、再結(jié)晶等），而非界面強(qiáng)度的改善。

三、關(guān)鍵結(jié)論：測試方法的適用邊界

1. 剪切測試價(jià)值

這項(xiàng)研究明確指出：焊球-剪切測試是評(píng)估鍵合界面長期可靠性的更有效指標(biāo)。它能夠敏感地檢測出由金屬間化合物生長和空洞形成引起的界面退化，而這種退化在拉力測試中可能被全部掩蓋。

 2. 拉力測試的局限性

拉力測試并非界面強(qiáng)度的有效指標(biāo)。它更適合評(píng)估：

金線材料本身的機(jī)械性能

鍵合點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)完整性

頸縮區(qū)域的強(qiáng)度

3. 互補(bǔ)而非替代

值得注意的是，實(shí)驗(yàn)中高熱應(yīng)力條件（消耗了所有可用鋁層）并未導(dǎo)致器件功能失效。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了：

兩種測試提供的是不同維度的信息

在可靠性評(píng)估中需要綜合使用多種測試方法

電學(xué)性能測試應(yīng)與機(jī)械測試相結(jié)合

四、工程實(shí)踐啟示

1. 質(zhì)量控制策略：對(duì)于長期可靠性要求嚴(yán)格的器件，應(yīng)優(yōu)先采用剪切測試作為鍵合界面退化的監(jiān)控手段。

2. 測試計(jì)劃設(shè)計(jì)：在加速壽命試驗(yàn)中，需要合理安排剪切測試和拉力測試的取樣頻率和時(shí)機(jī)，以獲取全面的退化信息。

3. 失效分析框架：當(dāng)觀察到剪切強(qiáng)度下降而拉力值穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)首先懷疑界面退化問題，而非金線本身的質(zhì)量問題。

4. 標(biāo)準(zhǔn)制定參考：這項(xiàng)研究為行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)，特別是在高溫應(yīng)用場景下。

五、科準(zhǔn)測控解決方案：精準(zhǔn)測試的專業(yè)支撐

理解剪切測試與拉力測試的本質(zhì)區(qū)別，對(duì)于選擇合適的測試設(shè)備至關(guān)重要?？茰?zhǔn)測控的精密微力測試系統(tǒng)正是為此類應(yīng)用場景而設(shè)計(jì)：

精準(zhǔn)的測試能力：科準(zhǔn)測控設(shè)備能夠以毫牛級(jí)分辨率精確測量剪切力和拉力變化，確保即使在長時(shí)間熱老化后的微小強(qiáng)度變化也能被準(zhǔn)確捕捉。

多功能測試平臺(tái)：我們的系統(tǒng)支持焊球剪切、鍵合點(diǎn)拉拔、界面剝離等多種測試模式，一臺(tái)設(shè)備即可完成全面的可靠性評(píng)估。

智能數(shù)據(jù)分析：內(nèi)置專業(yè)分析軟件可自動(dòng)生成類似圖4-20的趨勢曲線，并計(jì)算退化速率、預(yù)測失效時(shí)間，為工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

高溫環(huán)境模擬：可選配溫控系統(tǒng)，直接在高溫環(huán)境下進(jìn)行原位測試，更真實(shí)地模擬實(shí)際工作條件。

六、未來展望

隨著封裝技術(shù)向更小尺寸、更高密度發(fā)展，鍵合界面的可靠性評(píng)估面臨新挑戰(zhàn)。下一代測試技術(shù)可能需要：

- 開發(fā)能夠同時(shí)測量剪切和拉力的集成測試方法

- 建立更精細(xì)的界面退化預(yù)測模型

- 將機(jī)械測試數(shù)據(jù)與電學(xué)、熱學(xué)性能更緊密關(guān)聯(lián)

結(jié)語

White的經(jīng)典研究清楚地表明：在評(píng)估金-鋁鍵合界面長期熱可靠性時(shí)，焊球-剪切測試比鍵合點(diǎn)-拉力測試更為敏感和有效。這一認(rèn)識(shí)不僅加深了我們對(duì)微電子互連失效機(jī)理的理解，也為優(yōu)化可靠性測試策略提供了科學(xué)依據(jù)。

科準(zhǔn)測控的精密測試解決方案，為工程師執(zhí)行這類關(guān)鍵的可靠性評(píng)估提供了專業(yè)工具支持。通過科學(xué)選擇測試方法和設(shè)備，工程師能夠更早地發(fā)現(xiàn)潛在可靠性風(fēng)險(xiǎn)，確保微電子器件在嚴(yán)苛環(huán)境下的長期穩(wěn)定運(yùn)行。