| 标准编号 | GB/T 4937.22-2018 (GB/T4937.22-2018) | | 中文名称 | 半导体器件 机械和气候试验方法 第22部分：键合强度 | | 英文名称 | Semiconductor devices -- Mechanical and climatic test methods -- Part 22: Bond strength | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | L40 | | 国际标准分类 | 31.080.01 | | 字数估计 | 18,170 | | 发布日期 | 2018-09-17 | | 实施日期 | 2019-01-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 4937.22-2018
Semiconductor devices - Mechanical and climatic test methods - Part 22: Bond strength
ICS 31.080.01
L40
中华人民共和国国家标准
半导体器件 机械和气候试验方法
第22部分:键合强度
(IEC 60749-22:2002,IDT)
2018-09-17发布
2019-01-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
中国国家标准化管理委员会 发 布
目次
前言 Ⅲ
1 范围和目的 1
1.1 试验说明 1
1.2 试验装置(适用于所有方法) 1
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) 1
2.1 范围 1
2.2 试验的一般描述 1
3 方法C:键合拉脱 2
3.1 范围 2
3.2 程序 2
3.3 施加的力 2
3.4 失效判据 2
3.5 失效类别 2
4 方法D:键合剪切(用于倒装焊) 3
4.1 范围 3
4.2 程序 3
4.3 施加的力 3
4.4 失效判据 3
4.5 失效类别 3
5 方法E:推开试验和方法F:拉开试验 3
5.1 范围 3
5.2 方法E程序 3
5.3 方法F程序 4
5.4 方法E和方法F的失效判据 4
5.5 施加的力(适用于方法E和方法F) 4
6 方法G:引线球剪切试验 4
6.1 范围 4
6.2 概述 4
6.3 术语和定义 5
6.4 设备和材料 7
6.5 程序 7
6.6 可接受的试验极限值 8
7 相关文件中规定以下细节 10
附录A(规范性附录) 指南 12
前言
GB/T 4937《半导体器件 机械和气候试验方法》由以下部分组成:
---第1部分:总则;
---第2部分:低气压;
---第3部分:外部目检;
---第4部分:强加速稳态湿热试验(HAST);
---第5部分:稳态温湿度偏置寿命试验;
---第6部分:高温贮存;
---第7部分:内部水汽含量测试和其他残余气体分析;
---第8部分:密封;
---第9部分:标志耐久性;
---第10部分:机械冲击;
---第11部分:快速温度变化 双液槽法;
---第12部分:扫频振动;
---第13部分:盐雾;
---第14部分:引出端强度(引线牢固性);
---第15部分:通孔安装器件的耐焊接热;
---第16部分:粒子碰撞噪声检测(PIND);
---第17部分:中子辐照;
---第18部分:电离辐射(总剂量);
---第19部分:芯片剪切强度;
---第20部分:塑封表面安装器件耐潮湿和焊接热综合影响;
---第20-1部分:对潮湿和焊接热综合影响敏感的表面安装器件的操作、包装、标志和运输;
---第21部分:可焊性;
---第22部分:键合强度;
---第23部分:高温工作寿命;
---第24部分:加速耐湿 无偏置强加速应力试验(HSAT);
---第25部分:温度循环;
---第26部分:静电放电(ESD)敏感度试验 人体模型(HBM);
---第27部分:静电放电(ESD)敏感度试验 机械模型(MM);
---第28部分:静电放电(ESD)敏感度试验 带电器件模型(CDM) 器件级;
---第29部分:闩锁试验;
---第30部分:非密封表面安装器件在可靠性试验前的预处理;
---第31部分:塑封器件的易燃性(内部引起的);
---第32部分:塑封器件的易燃性(外部引起的);
---第33部分:加速耐湿 无偏置高压蒸煮;
---第34部分:功率循环;
---第35部分:塑封电子元器件的声学扫描显微镜检查;
---第36部分:恒定加速度;
---第37部分:采用加速度计的板级跌落试验方法;
---第38部分:半导体存储器件的软错误试验方法;
---第39部分:半导体元器件原材料的潮气扩散率和水溶解率测量;
---第40部分:采用张力仪的板级跌落试验方法;
---第41部分:非易失性存储器件的可靠性试验方法;
---第42部分:温度和湿度贮存;
---第43部分:集成电路(IC)可靠性鉴定方案指南;
---第44部分:半导体器件的中子束辐照单粒子效应试验方法。
本部分为GB/T 4937的第22部分。
本部分按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本部分使用翻译法等同采用IEC 60749-22:2002《半导体器件 机械和气候试验方法 第22部分:
键合强度》。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。
本部分由中华人民共和国工业和信息化部提出。
本部分由全国半导体器件标准化技术委员会(SAC/TC78)归口。
本部分起草单位:中国电子科技集团公司第十三研究所、深圳市标准技术研究院。
本部分主要起草人:裴选、彭浩、高瑞鑫、刘玮、高金环、马坤。
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/T 4937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。
1.1 试验说明
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A和方法B:通过对内引线直接施加拉力来测试器件内部的键合强度;
---方法C:用于器件外部的键合,在引线或引出端与布线板或基底之间施加拉脱应力;
---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E和方法F:用于外部键合,在芯片和基底之间施加推开应力或拉开应力;
--- 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
括100mN)应具有±2.5mN的精度,测量100mN到500mN之间的力应具有±5mN的精度,测量超
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
部的引线-芯片键合、引线-基底键合或内引线-引出端键合。
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
线的装置施加拉力,拉力与芯片或基底表面的夹角不超过5°。
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)]。
2.2.4 失效判据
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,则认为该键合合格。
注:方法B可依据附录A中提供的信息修正拉力值。
2.2.5 失效类别
当有规定时,引线或键合点的开裂分类如下:
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上的键合(引线和金属化层之间的界面)失效;
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;
g) 芯片破裂;
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
3.1 范围
本方法通常用于器件封装的外部键合。
3.2 程序
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
无其他规定,该角度为90°。
3.3 施加的力
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 失效判据
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
布线板或基座的情况。逐渐施加拉力到规定的最小值,只有键合点本身首先失效,试验结果才有效。只
有键合点本身开裂才可视作失效。
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
合格。
3.5 失效类别
当有规定时,应对引线或引出端或键合点的开裂分类如下:
a) 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;
e) 布线板或基底内部破裂。
4 方法D:键合剪切(用于倒装焊)
4.1 范围
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
芯片的中间载体或子基底之间的键合。
4.2 程序
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
体)的一边并平行于主基底的方向上施加应力,由剪切应力导致键合失效。
4.3 施加的力
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 失效判据
4.4.1 记录键合失效时的应力值,以确定是否可接收。应力应不小于50mN乘以键合点数。施加应力
时,只有键合点本身首先失效,试验结果才有效。只有键合点本身开裂才可视作失效。
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。
4.5 失效类别
当有规定时,失效应分类如下:
a) 适用时,键合材料或键合基座的失效;
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
5.1 范围
本方法用于梁式引线的器件。
方法E通常用于工艺控制,用于半导体芯片键合到特定基底上的样品,因此,不适用于生产批或检
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
采用带孔的金属化基底。孔应接近基底中心且足够大,从而为推开工具提供间隙,但不能大到影响
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
6.1 范围
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。
6.2 概述
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。
这些试验方法都是小直径引线(从18μm~76μm)的球形键合,通常用在集成电路和混合微电子
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
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
6.3.1.1
模式1---键合脱离 mode1-ballift
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/balshear/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
模式3---键合区脱离 mode3-bondpadlift
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
high)
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。
6.3.1.6
low)
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。
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
c) 模式3 键合区翘起 d) 模式4 凹陷
e) 模式5a 剪切工具过高 f) 模式5b 剪切工具过低
图1(续)
6.3.2
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
响剪切试验的缺陷。
6.3.3
用热超声金属丝键合工艺完成的金球键合。
6.3.4
用超声金属丝键合工艺完成的铝楔形键合或焊接。
6.4 设备和材料
6.4.1 设备能力
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
安全。
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。
e) 能够测量键合直径(误差在±2.5μm之内)的光学显微镜/测量设备。
6.4.2 校准
在键合剪切试验前,应确保设备已按照承制方的说明书进行了校准,并在校准有效期内。如果设备
放置位置改变,需重新校准。
6.5 程序
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。
6.5.2 试验只适用于未铸模的样品,且球高(≥10.16μm)和球间距应足够大,能够完全并无障碍地实
施球形键合剪切。
6.5.3 按照承制方的说明安装试验设备,检查剪切工具,若有损坏立即更换。
6.5.4 将试验样品水平放置于固定装置内,垂直于剪切工具。
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
区金属化层上方。
6.5.6 启动试验按钮,移动剪切工具到键合点,直到键合球被剪切掉或与基底分离。
6.5.7 检查剪切区域,记录剪切模式(见6.3.1中的定义)和以克为单位的键合球剪切力值。
6.5.8 对批次中的每个试验样本,重复试验(6.5.3~6.5.7)。
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);
d) 方差。
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
个键合球)和其他影响剪切试验的试验,比如:模式5a和模式5b。
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)。
6.6 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
可接受的。
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。
注:键合剪切力的精确值见表1(1gf=9.8mN,0.001in=25.4μm)。
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1 Al/Al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a 单个剪切值读数最小值b
μm 0.001in
gf
(1gf=9.8mN)
gf
(1gf=9.8mN)
25.4 1.0 4.3 3.1
27.9 1.1 5.2 3.8
30.5 1.2 6.2 4.5
33.0 1.3 7.3 5.3
35.6 1.4 8.5 6.2
38.1 1.5 9.7 7.1
40.6 1.6 11.1 8.0
43.2 1.7 12.5 9.1
45.7 1.8 14.0 10.2
表1(续)
键合球直径 最小剪切平均值a 单个剪切值读数最小值b
μm 0.001in
gf
(1gf=9.8mN)
gf
(1gf=9.8mN)
48.3 1.9 15.6 11.3
50.8 2.0 17.3 12.6
53.3 2.1 19.0 13.9
55.9 2.2 20.9 15.2
58.4 2.3 22.9 16.6
61.0 2.4 24.9 18.1
63.5 2.5 27.0 19.6
66.0 2.6 29.2 21.2
68.6 2.7 31.5 22.9
71.1 2.8 33.9 24.6
73.7 2.9 36.3 26.4
76.2 3.0 38.9 28.3
78.7 3.1 41.5 30.2
81.3 3.2 44.2 32.2
83.8 3.3 47.0 34.2
86.4 3.4 49.9 36.3
88.9 3.5 52.9 38.5
91.4 3.6 56.0 40.7
94.0 3.7 59.1 43.0
96.5 3.8 62.4 45.4
99.1 3.9 65.7 47.8
101.6 4.0 69.1 50.3
104.1 4.1 72.6 52.8
106.7 4.2 76.2 55.4
109.2 4.3 79.9 58.1
111.8 4.4 83.6 60.8
114.3 4.5 87.5 63.6
116.8 4.6 91.4 66.5
119.4 4.7 95.4 69.4
......
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