JEP167A.Characterization of InterfacialAdhesion in Semiconductor Packages半导体封装中界面附着力的表征

目录

引言

1 范围

2 术语与定义

3 参考文件

4 裸片附着力

4.1 模塑引线键合封装

胶粘剂连接工艺的潜在失效原因：

共晶焊连接工艺的主要风险：

表 1—— 原因 - 失效关联关系示例

4.2 倒装芯片封装

5 表征方法

5.1 裸片剪切试验

裸片剪切强度失效判据：

分离模式分类：

方法适用性：

高温裸片剪切试验：

5.2 纽扣剪切试验

试验特点：

数据分析：

方法适用性：

5.3 （引线框架）拉伸试验

5.4 柱拉伸试验

试验设备要求：

施力要求：

试验特点：

5.5 激光剥离技术

试验流程：

样品制备：

试验要求：

5.6 倒装芯片凸点拉伸试验

试验设备要求：

施力要求：

试验特点：

5.7 剥离试验

试验分析要点：

试验标准与要求：

5.8 楔形试验

试验模式：

试验标准与流程：

数据分析：

5.9 悬臂梁试验

能量释放率（ERR）计算 [13]：

界面强度表征：

5.10 三点弯曲试验

试验要求：

试验流程：

5.11 混合模式弯曲试验

试验装置与分析：

6 方法对比与评估

6.1 方法范围与应用领域

表 2—— 第 5 章表征方法的适用范围

补充说明：

6.1.1 失效表征技术

6.1.2 界面表征方法

方法特点：

6.1.3 附着强度测量方法

方法局限性：

重复性保障：

6.2 失效机制

判定试验失效判据：

环境因素影响：

方法选型建议：

7 总结与建议

引言

裸片、引线框架与周围材料之间的界面分层，是影响集成电路（IC）可靠性的主要问题之一。文献中已记载多种用于表征裸片在这些界面处附着力的方法，其中部分方法已实现标准化。本出版物旨在为材料选择、鉴定或过程监控阶段的方法选型提供指导。

1 范围

本文件明确了用于表征裸片附着力的各类方法，并针对产品或技术生命周期的不同阶段，指导应选用何种方法。

注：本文件中收录的方法并非适用于所有裸片 - 封装结构。

2 术语与定义

• 裸片附着力：裸片与粘性材料（如模塑化合物）之间稳定且牢固的连接状态。
• 附着强度：通过特定方法（如剪切或拉伸）分离两种材料所需的力。
• 蠕变：固体材料在应力作用下发生缓慢且永久性变形的趋势。
• I 型（裂纹失效模式）：由垂直于裂纹面的载荷引发的张开型或拉伸型裂纹。
• II 型（裂纹失效模式）：由平行于裂纹面滑动方向的载荷引发的滑开型或面内剪切型裂纹。

  注：裂纹面沿垂直于裂纹前缘的方向相对滑动。

• III 型（裂纹失效模式）：由平行于裂纹面且垂直于裂纹扩展方向的载荷引发的撕开型或面外剪切型裂纹。
• 磨损：固体表面因与其他材料相互作用而发生的材料损耗现象。

3 参考文件

• ASTM D3165《通过单搭接层压组件的拉伸载荷测定胶粘剂剪切强度性能的标准试验方法》
• ASTM D3433《粘合金属接头中胶粘剂劈裂断裂强度的标准试验方法》
• ASTM D3762《铝的胶粘剂粘合表面耐久性的标准试验方法（楔形试验）》
• ASTM D903《胶粘剂粘结剥离或剥离强度的标准试验方法》
• ASTM F459《微电子引线键合拉伸强度测量的标准试验方法》
• JESD22-B109《倒装芯片拉伸试验》
• JESD22-B115《焊球拉伸试验》
• MIL-STD-883 方法 2012.7《射线照相检验》
• MIL-STD-883 方法 2019《裸片剪切强度》
• MIL-STD-883 方法 2027《基板附着强度》
• MIL-STD-883 方法 2030《裸片附着的超声波检验》
• MIL-STD-883 方法 2031.1《倒装芯片剥离试验》
• SEMI G63-95《裸片剪切强度测量的试验方法》
• SEMI G69-0996《引线框架与模塑化合物之间附着强度测量的试验方法》

4 裸片附着力

直接或间接影响裸片附着力的失效机制包括：

• 疲劳机制
• 蠕变
• 磨损
• 界面断裂
• 因污染或残留物导致的润湿性不足

失效时间受封装设计与结构的影响显著。

4.1 模塑引线键合封装

裸片与裸片焊盘的连接主要有两种技术：胶粘剂连接和焊料连接。胶粘剂通常采用聚酰亚胺、环氧树脂或银填充玻璃；焊料连接则常用 Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Au-Si、Au-Sn、Pb-Sn 合金或纯金。此类封装的三个关键界面示意图如图 1 所示。

图 1—— 裸片附着力界面（图中标识：裸片、裸片焊盘、圆角、粘结层、模塑化合物；界面 A：裸片 - 胶粘剂 - 焊盘；界面 B：裸片 - 模塑化合物；界面 C：模塑化合物 - 裸片焊盘 / 引线框架）

界面 C 的分层虽不直接影响裸片相关界面，但需纳入考量 —— 因其会对裸片相关界面的分层及相关失效模式产生影响。

胶粘剂连接工艺的潜在失效原因：

• 裸片附着圆角过大：导致裸片附着区域污染，且在进行裸片剪切试验时引发问题；
• 裸片附着圆角过小：导致裸片分层或裸片开裂。

共晶焊连接工艺的主要风险：

空洞（尤其是大尺寸空洞）。空洞会改变应力分布，进而引发裸片开裂。

表 1 概述了裸片界面处 “原因 - 失效” 的关联关系，其中 “裸片起翘” 列涵盖分层失效情况。

4.1 模塑引线键合封装（续）

表 1—— 原因 - 失效关联关系示例

4.2 倒装芯片封装

倒装芯片封装存在多个易发生分层或断裂的界面（见图 2）。本出版物不涵盖内聚失效模式。针对热载荷引发的应力相关失效，已对以下界面开展研究：

• bump - 底部填充材料
• 裸片 - 模塑化合物
• 裸片 - 底部填充材料

其中，底部填充材料的附着力是影响倒装芯片组件可靠性的关键因素。关于倒装芯片封装的详细可靠性分析示例。

图 2—— 倒装芯片封装界面（示例）（图中标识：裸片、印刷电路板（PCB）、圆角、底部填充材料、模塑化合物、焊料；界面 A：裸片 - 模塑化合物；界面 B：裸片 - 底部填充材料；界面 C：bump - 底部填充材料；界面 D：底部填充材料 - 阻焊层）

设计中，以下几何或材料特性会影响界面强度的退化：

• PCB 厚度、热膨胀系数（CTE）及杨氏模量；
• 底部填充材料 / 胶粘剂的热膨胀系数及杨氏模量；
• 裸片尺寸；
• 表面处理方式；
• 润湿角；
• 圆角宽度与高度；
• 助焊剂残留物。

需针对应力强度因子、能量释放率（G）及相位角（Ψ）开展设计特异性灵敏度分析。

5 表征方法

本节概述用于表征裸片与周围材料界面的现有方法，并提供标准参考依据。

5.1 裸片剪切试验

依据 MIL-STD-883 方法 2019 及 SEMI G63-95，裸片剪切试验通过对裸片施加平行于裸片附着基板平面的应力，测定半导体裸片与封装裸片附着基板（如引线框架的裸片焊盘或密封封装的腔体）之间的附着强度，应力作用于以下两个界面：

1. 裸片 - 裸片附着材料界面；
2. 裸片附着材料 - 基板界面。

典型的裸片剪切试验机（图 3）包含以下组件：

1. 载荷施加机构：能以满量程 ±5% 或 50 克（取公差更大者）的精度向裸片施加指定载荷；
2. 裸片接触工具：与裸片边缘全长接触，确保力从边缘一端均匀施加至另一端；
3. 定位机构：确保裸片接触工具与裸片附着平面垂直；
4. 旋转机构：确保固定裸片的夹具可相对于接触工具旋转，使裸片边缘与接触工具始终保持平行；
5. 观察系统：至少 10 倍放大倍率的双目显微镜及照明设备，便于试验过程中观察裸片与接触工具状态.

图 3—— 裸片剪切试验

若在模塑前进行裸片剪切试验，仅当接触工具操作空间不足时需进行样品预处理 —— 预处理方式会影响试验结果。

试验过程中施加的力需满足以下条件之一：

• 足以使裸片从附着基板上脱落；
• 达到裸片剪切强度下限值的两倍（取先满足者）。

施力方向必须垂直于裸片边缘，且平行于裸片附着平面或基板平面。初始接触后，工具的相对位置不得在垂直方向发生变化（即需避免工具接触裸片附着材料或基板）。

裸片剪切强度失效判据：

以裸片面积为函数确定。

分离模式分类：

1. 裸片自身剪切断裂，残留硅材料；
2. 裸片与裸片附着材料分离；
3. 裸片与裸片附着材料共同从封装基板分离。

方法适用性：

• 监控场景：对特定封装的试验数据进行对比时，该方法效率最高；
• 局限性：受圆角高度影响，难以对比不同材料的附着力数据；
• 鉴定场景：仅作为筛选附着力较差器件的指示性试验，尚无模型可将失效曲线与实际应用环境条件关联。

高温裸片剪切试验：

焊料回流温度会使裸片与引线框架界面产生高应力，同时多数有机胶粘剂的附着强度在高温下会大幅下降 —— 两者共同作用导致焊料回流过程中易发生大量分层失效。因此，高温下的裸片剪切强度检测具有重要意义；此外，该试验也适用于裸片附着强度易超过设备量程的大尺寸裸片。

高温裸片剪切试验可使用上述试验机搭配加热台完成，试验装置与流程除加热台温度外，均与室温试验一致（温度可由用户定义，典型温度为 240℃）。失效模式分析可为材料选择提供进一步参考。

5.2 Button shear test

Button shear test（图 4）用于量化器件中两层材料的界面强度（假设该界面存在固有裂纹 [5,8]），同时可评估湿度、温度等环境因素的影响，通常适用于模塑化合物与引线框架的界面，或倒装芯片封装的相关界面。

图 4—— Button shear test

该方法是 SEMI G69-0996 中规定的三种可选方法之一，文献 [8] 中记载了多种应用案例。试验可使用经校准的标准剪切试验设备。

试验特点：

• 需制备特定结构样品，无需依赖高成本生产工艺；
• 可采用拉伸或弯曲方法作为替代试验流程；
• 附着强度计算：由峰值载荷换算为单位面积强度（N/mm²）。

数据分析：

通过有限元建模获取界面应力，计算界面应变能密度、能量释放率（G）及相位角（Ψ）；根据剪切高度，可在 G-Ψ 曲线图中定义理论失效判据。

方法适用性：

无用于鉴定的绝对判定标准，因此该方法主要用于材料选择。

5.3 （引线框架）拉伸试验

本方法用于表征模塑化合物与引线框架的附着力。试验使用经校准的拉伸试验机及特定试样，将引线框架材料从模塑化合物中拉出。

该方法是 SEMI G69-0996 中规定的三种可选方法之一，附着强度计算结果以单位面积强度（N/mm²）表示。

图 5—— 引线框架拉伸试验

5.4 Stud pull test

Stud pull test需将接触工具以特定方式连接至裸片，确保可对裸片整个表面施加垂直于裸片表面的力（图 6）。

图 6—— Stud pull test

依据 MIL-STD-883 方法 2027，Stud pull test的目的是测定裸片在承受垂直于其表面（偏差 ±10° 以内）的力时的附着强度。

试验设备要求：

• 拉伸强度试验机：需能施加相当于 6895kPa 乘以最大被测裸片面积的力，精度为 ±5% 或 50 克力（取公差更大者）。

施力要求：

施加的力需满足以下条件之一：

• 足以使裸片从附着基板上脱落；
• 达到规定最小拉伸强度的两倍（取先满足者）。

试验特点：

可定义失效判据。

5.5 激光剥离技术

激光剥离技术 的重复性较高（需保证被测器件（DUT）足够薄），其原理是：激光脉冲照射样品背面，转化为机械应力脉冲；若应力脉冲强度足够，可使样品正面的一层或多层材料发生分层。

试验流程：

1. 应力脉冲幅值：通过聚焦于样品正面的位移干涉仪测定；
2. 失效判定：通过光学或声学手段检测样品正面是否发生分层；
3. 阈值确定：在样品不同位置逐步提高激光能量进行测试，直至首次观察到分层，结合该阈值激光照射时的干涉数据，计算引发分层所需的临界应力。

样品制备：

在样品背面依次涂覆两层膜：

• 溅射金属膜（厚度 > 100nm）；
• 硅酸钠（水玻璃）涂层（厚度约为微米级）。

试验过程中，激光脉冲烧蚀金属膜，硅酸钠涂层限制烧蚀产物扩散，从而在样品内部形成应力脉冲。由于金属膜会被烧蚀，同一位置无法重复测试；相邻测试点间距需大于 2 倍光斑直径（避免硅酸钠涂层受相邻光斑影响产生损伤），典型光斑直径为 2-3mm。

试验要求：

需投入大量精力制备样品，且需额外配备正位移干涉仪作为分析工具。

5.6 倒装芯片bump拉伸试验

依据 JESD22-B109 及 MIL-STD-883 方法 2031.1，倒装芯片剥离试验的目的是测定裸片在承受垂直于其表面（偏差 ±5° 以内）的力时的附着强度。

试验设备要求：

• 拉伸强度试验机：需能对键合点施加应力，精度为 ±5% 或 ±0.25 克力（取公差更大者）。

施力要求：

施加的力需满足以下条件之一：

• 足以使裸片从附着基板上脱落；
• 达到规定最小拉伸强度的两倍（达到该力即判定为失效）。

试验特点：

可定义失效判据。

图 7—— 倒装芯片拉伸试验

5.7 剥离试验

剥离试验用于测定分离粘结表面所需的强度，通常针对 “薄层材料粘结于厚基板” 的场景。该方法具有对比性，适用于评估胶粘剂、胶带或其他连接方式的性能。

试验分析要点：

需判断断裂类型 —— 内聚断裂、粘附断裂、混合断裂，或基板自身断裂；试验结果以剥离强度表示。

试验标准与要求：

• 参考标准：ASTM D903；
• 试样规格：柔性或刚性材料均可，试样宽度为 25mm；
• 结果计算：通常以平均载荷除以试样宽度表示；
• 试验设备：可使用单柱或双柱试验框架；
• 样品数量：需测试足够多样品，以降低不均匀性带来的影响。

图 8—— 剥离试验

5.8 楔形试验

楔形试验用于测定胶粘剂界面的断裂能，通过楔形工具劈开粘结接头。样品可暴露于高湿度、高温环境；也可采用仅施加静态应力的替代试验方案。

试验模式：

典型为 I 型试验；若各层厚度不同，需考虑 II 型失效分量的影响。

试验标准与流程：

• 参考标准：ASTM D3762；
• 试验步骤：插入楔形工具产生初始裂纹，随后监测裂纹随时间的扩展情况；
• 裂纹扩展驱动力：主要来自被楔形工具分离的梁的刚度，且随裂纹扩展逐渐减小。

数据分析：

可通过应力作用下的裂纹长度计算能量释放率。

图 3—— 楔形试验（图中标识：楔形工具、载荷 F）

5.9 悬臂梁试验

依据 ASTM D3433，本试验用于测定胶粘剂粘结的 I 型断裂能（表征含缺陷胶粘剂的断裂韧性）。与楔形试验类似，需先插入楔形工具产生初始裂纹，随后以特定速率拉伸分离两根梁 —— 载荷增加会导致梁的挠度增大。

能量释放率（ERR）计算 [13]：

公式：G = (F²/(2w)) / (dC/dl)其中：

• F：施加的力；
• w：样品宽度；
• C：梁的柔度；
• l：裂纹长度。

界面强度表征：

以裂纹扩展时的能量释放率（G 值）作为界面强度的表征指标。

图 4—— 悬臂梁试验

5.10 三点弯曲试验

依据 SEMI G69-0996，本方法用于计算模塑化合物与引线框架之间的附着强度。

试验要求：

• 试样规格：需制备带 “预制裂纹” 的专用试样；引线框架尺寸已知，模塑化合物仅涂覆于引线框架一侧；
• 预制裂纹制备：在引线框架一侧涂覆定量脱模剂，通过超声波检测验证裂纹长度；
• 试样数量：至少需 2 个试样。

试验流程：

1. 试样支撑：在试样下表面靠近两端处设置两个支撑点；
2. 载荷施加：在试样上表面中心处施加力；
3. 设备与数据记录：使用拉伸试验机以恒定速率加载，记录峰值载荷（载荷骤降前的最大值，即断裂发生时的载荷）；
4. “真实附着强度” 计算：需进行两次试验 —— 一次试样模塑化合物朝上，一次引线框架朝上，分别计算两种应力条件下的附着强度。

图 5—— 三点弯曲试验

5.11 混合模式弯曲试验

本方法采用生产样品，无需计算试样的残余应力及裂纹尖端奇异性 [9]，适用于其他方法（如弯曲试验）因试样脆性或残余应力导致失效的场景。试验可通过预处理或预老化，研究温度、湿度的影响。

试验装置与分析：

• 装置：基于混合模式凿形夹具的试验装置，文献 [9] 中记载了该装置及推荐试验流程；
• 数据分析：通过有限元（FEM）断裂力学计算能量释放率。

图 6—— 混合模式弯曲试验（图中标识：载荷 F；II 型：面内剪切；混合模式：I 型 + II 型）

6 方法对比与评估

采用以下标准评估各方法的潜在应用范围：

1. 操作成本：制备被测器件（DUT）及执行试验所需的成本；试验速度是否足以融入生产流程；
2. 重复性：是否可实现测量系统分析（Gr&R），典型结果如何；能否生成定量或定性数据；
3. 覆盖失效机制：试验可覆盖哪些失效机制，典型灵敏度如何；能否区分不同失效机制；
4. 破坏性：试验是否影响器件完整性；试验后器件是否仍可用于生产；
5. 适用性：试验数据适用于何种决策，或产品开发 / 生产的哪个阶段；
6. 判定标准：区分合格与不合格器件的临界值；
7. 参考依据：描述该方法的标准或文献。

6.1 方法范围与应用领域

用于表征裸片与周围材料附着力的方法可分为三类：

1. 表征分层、裂纹或界面薄弱等失效现象的技术；
2. 测量界面材料特异性附着力的方法；
3. 测量产品特异性附着强度的方法。

表 2 概述了第 5 章中各方法的适用范围。

表 2—— 第 5 章表征方法的适用范围

补充说明：

• 附录 A 中推荐了适用于倒装芯片封装各界面的表征方法；
• 文献 [7] 中提供了示例：如何基于能量释放率（ERR）和相位角测量结果，对倒装芯片 BGA 封装的圆角高度等设计参数及相应材料进行选型；
• 附录 B 中给出了模塑引线键合封装界面表征的推荐方法。

6.1.1 失效表征技术

以下检测方法通常用于在环境应力试验前后，表征界面的分层、裂纹或空洞情况，适用于鉴定、过程控制或生产监控：

• 超声波检测（参考 MIL-STD-883 方法 2030）；
• X 射线检测（参考 MIL-STD-883 方法 2012.7）。

需注意：在通过这些方法得出定量结论前，需先评估其对空洞表征的灵敏度。

6.1.2 界面表征方法

以下技术通过测定分离两层材料所需的力，生成定量结果，可用于附着力测量，主要适用于开发阶段的材料选择：

• 纽扣剪切试验；
• 引线框架拉伸试验；
• 剥离试验；
• 楔形试验；
• 悬臂梁试验；
• 三点弯曲试验；
• 混合模式弯曲试验；
• 激光剥离技术。

方法特点：

• 均需制备特定试样，操作简便，但需将试验结果关联至实际应用条件；
• 混合模式弯曲试验采用生产样品，可减少 “试验 - 应用” 的关联性问题；
• 结果仅用于相对评估：通过对比不同材料的裸片 - 周围材料附着强度，筛选最优材料；
• 部分方法（如剥离试验）需测试大量样品，以避免试验操作引入的干扰；
• 若试验结果用于有限元（FEM）模拟输入，建议先对试验条件进行灵敏度分析；
• 结果可用于计算特定界面的能量释放率；
• 局限性：纽扣剪切试验和剥离试验受塑性变形及残余应力松弛影响 [10,11]；剪切试验无法量化剪切模式（因裸片材料可能发生内聚失效 [12]）；
• 生产监控适用性：需制备专用试样的方法无法用于生产线高频监控，建议采用 “混合模式弯曲试验（使用生产样品）” 或 “在线设备参数监控”；可定期在裸片附着工艺后取样，通过柱拉伸试验或裸片剪切试验监控附着力稳定性。

6.1.3 附着强度测量方法

以下方法采用生产样品，通过测定失效时的力来评估附着强度：

• 裸片剪切试验；
• 柱拉伸试验。

方法局限性：

受塑性变形及残余应力松弛影响 [10,11]；由于缺乏 “合格 - 不合格” 判定曲线与实际应用条件的关联，无法绝对判定特定器件在给定应用条件下的适用性。

重复性保障：

• 裸片剪切试验和柱拉伸试验的 Gr&R 数据通过标准砝码校准生成，但该过程仅覆盖设备相关影响，未考虑操作、人员或样品制备的影响；
• 需保持所有边界条件稳定，以获得可重复结果；在此前提下，若试验值低于目标值，该指示性试验可揭示界面薄弱问题。

6.2 失效机制

表征方法主要针对空洞和分层导致的附着力薄弱问题：

• 用于量化附着力的方法：基于已有裂纹，通过测量裂纹扩展来开展，不直接判定是否达到失效状态，而是为计算界面特性（如能量释放率）提供输入；
• 指示性试验（如柱拉伸试验、裸片剪切试验）：通过测量界面分离时的力，针对不同界面面积生成定量结果，测量范围受裸片尺寸或最大施加力限制；
• 失效区分：通过应力试验后对被测器件（DUT）的细致分析，可检测裸片起翘（极端分层形式）或裸片裂纹，并与分层现象区分。

判定试验失效判据：

可采用空洞体积或分层面积，但需注意这些参数的测量精度有限；且无法将试验中的失效条件与实际应用环境下的失效分布相关联。

环境因素影响：

附着力相关失效机制需结合温度和湿度进行表征 —— 界面处的高湿度可使附着力降低 20%-40%[14]。

方法选型建议：

需根据具体界面选择合适的方法。例如：激光剥离技术适用于测量裸片与底部填充材料的附着力；而模塑化合物与裸片、或模塑化合物与引线框架的附着力测量，采用简单的纽扣剪切试验或三点弯曲试验更优。

7 总结与建议

在新工艺或新材料的开发表征与鉴定阶段，选用试验方法的最佳实践建议如下：

1. 开发初期：表征（通过能量释放率）并筛选可靠性最高的材料；
2. 设计阶段：对封装进行仿真，通过设计优化规避风险；
3. 鉴定阶段：执行指示性试验；
4. 生产阶段：监控附着强度的变化。