軟基板引線鍵合出現(xiàn)凹杯現(xiàn)象怎么辦？推拉力測(cè)試機(jī)量化驗(yàn)證方法

軟基板引線鍵合中的“凹杯現(xiàn)象”與推拉力測(cè)試機(jī)驗(yàn)證方法

在微電子封裝領(lǐng)域，引線鍵合是最主流的互連技術(shù)之一，然而，當(dāng)鍵合基板從傳統(tǒng)的陶瓷或硅片轉(zhuǎn)向PCB、撓性板、BGA、SiP等軟基板時(shí)，鍵合焊盤在機(jī)械力和超聲能量作用下容易發(fā)生塑性變形（凹杯現(xiàn)象），直接影響鍵合強(qiáng)度和長(zhǎng)期可靠性。

25um Au絲楔形鍵合到PCB環(huán)氧增層的鍍Au焊盤上(Au絲沒有焊接到鍍Au層上)發(fā)生下沉現(xiàn)象圖(箭頭所指)

如何量化評(píng)估這種變形對(duì)鍵合質(zhì)量的影響？本文科準(zhǔn)測(cè)控小編就從凹杯現(xiàn)象的物理機(jī)理出發(fā)，系統(tǒng)分析其對(duì)鍵合質(zhì)量的影響，并探討如何通過推拉力測(cè)試機(jī)量化評(píng)估鍵合強(qiáng)度，為軟基板引線鍵合工藝提供可靠性驗(yàn)證方法。

一、什么是凹杯現(xiàn)象？

根據(jù)《微電子引線鍵合》文獻(xiàn)的定義，凹杯現(xiàn)象是指：

在鍵合過程中，鍵合焊盤在瓷嘴施加的垂直應(yīng)力和超聲能量的共同作用下，焊盤金屬層發(fā)生局部塑性凹陷，形成類似于“凹杯”狀的形變。

這種現(xiàn)象在軟基板（如聚酰亞胺薄膜、PTFE基材、環(huán)氧層壓板等）上尤為突出。因?yàn)檫@些基板的彈性模量較低，無(wú)法為鍵合焊盤提供足夠的剛性支撐。

這種變形不僅會(huì)吸收本該用于形成鍵合的超聲能量，還可能導(dǎo)致焊盤與底層聚合物分層、開裂，最終降低鍵合強(qiáng)度和長(zhǎng)期可靠性。

下圖展示了典型的凹杯形貌：

在聚酰亞胺撓性基板上鍵合焊盤壓痕(凹杯)的深度隨著超聲能量和鍵合力的變化圖(?IMAPS)

引線鍵合后發(fā)生形變的鍵合焊盤和聚合物的結(jié)構(gòu)

在鍍Au的Cu絲楔形鍵合中，由于Cu絲比Au絲或Al絲更硬，凹杯現(xiàn)象更為明顯。

二、為什么凹杯現(xiàn)象有害？

文獻(xiàn)明確指出：凹杯痕跡會(huì)導(dǎo)致鍵合的良率較差。

三、凹杯現(xiàn)象的形成機(jī)理

凹杯現(xiàn)象的本質(zhì)是力學(xué)失配問題。鍵合焊盤的金屬層與底層聚合物基板的力學(xué)性能差異越大，凹杯風(fēng)險(xiǎn)越高。

1、材料力學(xué)性能有影響，下圖展示關(guān)鍵材料參數(shù)對(duì)比：

聚合物的彈性模量越低，鍵合過程中越容易發(fā)生凹杯現(xiàn)象。此外，焊盤金屬的屈服強(qiáng)度也是關(guān)鍵因素，屈服強(qiáng)度越低的金屬（如Au、Al），越容易發(fā)生塑性變形。

2、動(dòng)態(tài)下沉效應(yīng)

在瓷嘴下降后的最初幾毫秒內(nèi)，鍵合焊盤發(fā)生動(dòng)態(tài)下沉，這將改變（降低）焊盤上的有效鍵合力，導(dǎo)致鍵合質(zhì)量/良率降低。

動(dòng)態(tài)下沉的時(shí)間窗口約為10100ms，恰好與超聲能量施加的時(shí)段重疊。這意味著，如果不對(duì)下沉過程進(jìn)行補(bǔ)償，鍵合界面將無(wú)法獲得足夠的能量輸入，導(dǎo)致鍵合不完全。

四、解決凹杯現(xiàn)象的技術(shù)路徑

根據(jù)形成機(jī)理可以倒推解決方案：通過增加硬金屬層，將鍵合焊盤轉(zhuǎn)化為剛性平臺(tái)。

典型結(jié)構(gòu)如圖所示：

在聚合物基板上沉積一層硬底層（如Ti、Ti/W，厚度約0.30.5μm），電鍍一層厚Ni層（38μm）作為硬支撐，最上層覆蓋可鍵合金屬層（Au或Al）。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在Cu基和頂層可鍵合Au層中間電鍍一層3μm厚的Ni層后，凹杯現(xiàn)象顯著減少，鍵合良率可滿足批量制造要求。

五、如何量化評(píng)估鍵合強(qiáng)度？推拉力測(cè)試機(jī)作用

解決凹杯問題的最終目標(biāo)是確保鍵合強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。無(wú)論焊盤結(jié)構(gòu)如何優(yōu)化，最終都需要通過力學(xué)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證鍵合質(zhì)量。

1、推拉力測(cè)試兩種應(yīng)用場(chǎng)景

2、推拉力測(cè)試機(jī)在軟基板鍵合驗(yàn)證中的作用

以Alpha-W260推拉力測(cè)試機(jī)為例，其在軟基板鍵合強(qiáng)度驗(yàn)證中可發(fā)揮以下作用：

① 金球推力測(cè)試：評(píng)估凹杯對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響

在軟基板上進(jìn)行球形鍵合后，如果發(fā)生了凹杯現(xiàn)象，金球與焊盤的實(shí)際接觸面積可能減小，界面結(jié)合強(qiáng)度下降。通過推刀水平推動(dòng)金球，測(cè)量將其推離所需的最大剪切力，可以量化評(píng)估鍵合質(zhì)量。

② 金線拉力測(cè)試：評(píng)估鍵合點(diǎn)的完整性

對(duì)于楔形鍵合，通過微鉤垂直拉起鍵合引線，測(cè)量拉斷或脫焊所需的力值。如果凹杯導(dǎo)致焊盤分層，拉力值會(huì)顯著低于正常水平。

3、測(cè)試參數(shù)建議（基于軟基板特性）

4、數(shù)據(jù)解讀與工藝優(yōu)化

通過推拉力測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，可以反向指導(dǎo)鍵合工藝優(yōu)化：

軟基板引線鍵合中的凹杯現(xiàn)象是材料力學(xué)、工藝參數(shù)和設(shè)備能力共同作用的復(fù)雜結(jié)果，解決這一問題的技術(shù)路徑已經(jīng)很明確：通過硬金屬層將焊盤轉(zhuǎn)化為剛性平臺(tái)即可。而推拉力測(cè)試機(jī)可以通過精確的力學(xué)測(cè)量來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證方案是否有效。

以上就是科準(zhǔn)測(cè)控小編關(guān)于軟基板引線鍵合中凹杯現(xiàn)象及其力學(xué)驗(yàn)證方法的介紹。如果您也從事微電子封裝、PCB組裝或SiP設(shè)計(jì)制造，對(duì)推拉力測(cè)試機(jī)怎么使用、金球推力測(cè)試方法、軟基板鍵合強(qiáng)度驗(yàn)證方案等方面還有疑問或需求，歡迎私信或留言交流。