半導(dǎo)體封裝必看：基于推拉力測試機(jī)的晶圓鍵合強(qiáng)度檢測標(biāo)準(zhǔn)全解析

隨著半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷逼近物理極限，三維集成與先進(jìn)封裝技術(shù)已成為延續(xù)摩爾定律的重要途徑。晶圓鍵合作為實(shí)現(xiàn)3D封裝的核心工藝，其可靠性直接決定了最終器件的性能與良率。然而，由于異質(zhì)材料間的熱失配、晶格失配以及工藝參數(shù)復(fù)雜等因素，鍵合界面的可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 

本文科準(zhǔn)測控小編將從鍵合原理出發(fā)，詳細(xì)介紹晶圓鍵合可靠性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、測試方法及關(guān)鍵儀器應(yīng)用，為行業(yè)提供一套完整的工藝可靠性分析方案，助力國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)突破先進(jìn)封裝技術(shù)瓶頸。

一、晶圓鍵合可靠性分析原理

1、鍵合界面力學(xué)特性

晶圓鍵合可靠性本質(zhì)上取決于界面原子或分子間的結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)鍵合類型不同，界面作用力可分為：

化學(xué)鍵合力：共價(jià)鍵（熔融鍵合）、離子鍵（陽極鍵合）和金屬鍵（銅-銅鍵合）

物理吸附力：范德華力（臨時鍵合膠）和氫鍵

機(jī)械互鎖力：共晶鍵合和熱壓鍵合中的微觀機(jī)械錨定效應(yīng)

鍵合強(qiáng)度通常用界面斷裂能（Gc）表示，定義為分離單位面積鍵合界面所需能量，單位為J/m2。高質(zhì)量永jiu鍵合的Gc應(yīng)接近材料本體斷裂能（硅約為2.5 J/m2）。

2、可靠性失效機(jī)制

鍵合工藝常見的失效模式包括：

界面分層：由表面污染、活化不足或熱應(yīng)力引起

空洞缺陷：鍵合過程中氣體滯留形成

熱機(jī)械失效：CTE失配導(dǎo)致循環(huán)應(yīng)力積累

電遷移：混合鍵合中銅互連的電流密度問題

3、可靠性評價(jià)維度

二、晶圓鍵合可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)

MIL-STD-883：方法2019.7規(guī)定芯片剪切測試方法

JESD22-B109：晶圓級鍵合剪切強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)

SEMI G86：臨時鍵合/解鍵合工藝指南

DIN EN ISO 19095：塑料-金屬界面粘附力評估

2、關(guān)鍵測試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

A、剪切強(qiáng)度測試（依據(jù)JESD22-B109）

測試目的：評估鍵合界面抗剪切應(yīng)力能力

合格標(biāo)準(zhǔn)：

硅-硅直接鍵合：≥15 MPa

銅混合鍵合：≥50 MPa

臨時鍵合膠：5-15 MPa

B、拉伸強(qiáng)度測試（依據(jù)ASTM F692）

測試方法：使用圓柱形夾具垂直分離鍵合對

典型要求：≥5 MPa（永jiu鍵合）

C、熱循環(huán)測試（依據(jù)JESD22-A104）

條件：-55℃~125℃，1000次循環(huán)

判定標(biāo)準(zhǔn)：強(qiáng)度衰減<20%

三、檢測設(shè)備（剪切強(qiáng)度測試）

1、Beta S100推拉力測試機(jī)

1、設(shè)備介紹

Beta S100推拉力測試機(jī)是一種專為微電子領(lǐng)域設(shè)計(jì)的動態(tài)測試設(shè)備，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝、LED封裝、光電子器件封裝等多個行業(yè)。該設(shè)備采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，能夠精確測量材料或組件在推力、拉力和剪切力作用下的強(qiáng)度和耐久性。其主要特點(diǎn)包括：

a、高精度：全量程采用自主研發(fā)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shù)據(jù)輸出格式，能夠wan美匹配工廠的SPC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2、產(chǎn)品特點(diǎn)

3、常用工裝夾具

4、實(shí)測案例

四、可靠性測試流程

步驟一、測試前準(zhǔn)備

1、樣品制備

鍵合對切割為10×10mm2測試單元

標(biāo)記測試位置（避開劃片道）

2、設(shè)備校準(zhǔn)

力傳感器歸零

光學(xué)系統(tǒng)焦距校準(zhǔn)

溫度平臺驗(yàn)證（如適用）

步驟二、標(biāo)準(zhǔn)測試流程

1、非破壞性篩查

使用聲學(xué)顯微鏡（SAM）檢測界面空洞

合格標(biāo)準(zhǔn)：空洞面積<5%

2、剪切強(qiáng)度測試

將樣品固定在加熱平臺（根據(jù)測試要求）

刀頭以50μm/s速度接近樣品

接觸后自動檢測初始接觸力（閾值0.01N）

以設(shè)定速度（通常100μm/s）施加剪切力

記錄最大斷裂力和失效模式

3、數(shù)據(jù)分析

計(jì)算平均強(qiáng)度及Weibull分布

失效模式分類：

界面斷裂（粘附失效）

內(nèi)聚斷裂（材料本身破壞）

混合失效

4、加速老化測試

高溫高濕存儲（85℃/85%RH，96h）

熱沖擊測試（-65℃~150℃，100次）

測試后重復(fù)步驟2-3

步驟三、典型測試報(bào)告內(nèi)容

樣品信息（材料、工藝參數(shù)）

測試條件（溫度、濕度、速度）

原始數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

失效模式顯微照片

Weibull分布曲線

與工藝規(guī)范的符合性判定

五、案例研究：銅混合鍵合可靠性分析

1、測試條件

樣品：12英寸晶圓，5μm銅凸點(diǎn)

鍵合參數(shù)：300℃/40kN/30min

對比組：不同CMP粗糙度（Ra=1nm vs 3nm）

2、測試結(jié)果

5.3、結(jié)論

表面粗糙度對鍵合可靠性影響顯著：

Ra=1nm組表現(xiàn)出更高強(qiáng)度及一致性

粗糙表面導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低界面結(jié)合

優(yōu)化CMP工藝可提高可靠性30%以上

以上就是小編介紹的有關(guān)于晶圓鍵合工藝可靠性測試相關(guān)內(nèi)容了，希望可以給大家?guī)韼椭?！如果您還想了解更多關(guān)于推拉力測試機(jī)廠家、怎么使用視頻和圖解，品使用步驟及注意事項(xiàng)、作業(yè)指導(dǎo)書，原理、怎么校準(zhǔn)和使用方法視頻，推拉力測試儀操作規(guī)范、使用方法和測試視頻 ，焊接強(qiáng)度測試儀使用方法和鍵合拉力測試儀等問題，歡迎您關(guān)注我們，也可以給我們私信和留言，【科準(zhǔn)測控】小編將持續(xù)為大家分享推拉力測試機(jī)在鋰電池電阻、晶圓、硅晶片、IC半導(dǎo)體、BGA元件焊點(diǎn)、ALMP封裝、微電子封裝、LED封裝、TO封裝等領(lǐng)域應(yīng)用中可能遇到的問題及解決方案。