影響剪切強度試驗結果的因素研究

鄧永芳，李 真，羅 俊，張麗巍

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

隨著電子技術的高速發展，電子產品越來越小型化，集成度越來越高，由此帶來集成電路的工藝設計和芯片及電子元器件的粘接質量控制難度增大。芯片及電子元器件的粘接質量一般用芯片剪切強度試驗進行評價。如果粘接不良，會引起芯片散熱不良造成過熱失效；如果附著不牢，會引起半導體芯片或表面安裝的無源器件脫離管座或基板形成開路。

剪切強度試驗常用于半導體集成電路和混合集成電路的DPA試驗，是混合集成電路工藝控制質量最重要的評價項目之一。因此，研究剪切強度試驗結果的準確性十分必要。

1 影響剪切強度試驗的因素分析

1.1 剪切強度試驗的工作原理

剪切強度試驗的工作原理圖如圖1所示。固定試驗樣品底座，剪切刀具把力均勻地加到芯片的一條棱邊，記錄使芯片從底座上脫離時所加力的大小。

1.2 影響剪切強度試驗結果的因素分析

以DAGE4000型鍵合拉力試驗設備為分析對象。DAGE4000剪切強度試驗操作流程：把試驗樣品固定在試驗夾具上，試驗夾具固定在操作臺上進行剪切試驗。對于DAGE4000試驗設備，影響剪切強度試驗結果的因素主要有三方面：

1）試驗樣品的底座固定方向的影響——底座的夾持方向與剪切力方向的影響；

2）試驗樣品的夾具是否被固定的影響——試驗樣品的夾具固定與不固定的影響；

3）不同材質刀具的影響。

2 數學模型

采用的數學模型：

圖1 剪切強度試驗的工作原理圖

假定試驗樣品的狀態為理想狀態，標準差s越小，則對檢測結果的影響因素越小。

3 試驗及數據分析

3.1 試驗設備

本次試驗設備為DAGE4000型內引線拉力機。剪切強度試驗量程選擇200 N。

3.2 樣本的一致性要求

由于剪切強度試驗為破壞性試驗，其試驗結果為一次數據，因此在試驗樣品的制備上盡量做到同一狀態。同時考慮在200 N的剪切量程范圍內，失效模式應相同（芯片被完全剪切掉），因此被剪切的元器件面積不宜過大。

為避免樣品帶來的差異，樣品的材料采用相同批次的D48L白色陶瓷管殼為底座、相同批次的半導體芯片（尺寸約為1*1 mm2）為被剪切的元器件樣品、相同批次和尺寸大小的鉛錫銀焊燒結材料。指定同一個操作人員在同一環境條件下、同一時段內完成樣品加工。

3.3 試驗方案

首先進行樣品的底座夾持方向和樣品的夾具是否固定的影響分析，根據分析結果，選定影響因素較小的方法，再進行不同材質刀具的影響分析。

樣品的底座夾具力方向和樣品的夾具是否固定的影響分析試驗方案如表1所示。

每組試驗采用16個樣本，每組試驗的樣本均采用隨機抽樣方式進行分配。

3.4 試驗結果

1） 樣品夾持方向與樣品夾具固定試驗結果

按表2要求，每一方案采用16個樣本進行剪切強度試驗，試驗結果如表2所示。

從表2可以看出，樣品的夾持方向與剪切力方向相同、樣品的夾具不固定時，其結果影響最小。

2） 不同材質刀具的試驗結果

在樣品的夾持方向與剪切力方向相同、樣品的夾具不固定的條件下進行不同材質刀具試驗。

試驗刀具采用的是普通不銹鋼自制刀具和刀具專用材料的刀具。試驗結果如表3所示。

從表3可以看出，刀具專用材料的刀具對試驗結果影響最小。

3）試驗結果

綜上所述，樣品夾持方向與剪切力方向相同、樣品的夾具不固定、刀具專用材質的刀具對剪切強度試驗結果的影響較小。

4 結果討論

4.1 試驗樣品的底座固定方向的影響

試驗樣品底座的被夾持的方向與剪切方向有兩種：一種是相互垂直，如圖2所示；另一種是同向，如圖3所示。

表1 試驗分組

表2 剪切強度試驗結果

在樣品底座的夾持方向與剪切方向垂直狀態下，需要樣品固定不動，則樣品與夾具之間的摩擦力應等于施加到元器件上的剪切力。樣品與夾具之間的摩擦力由樣品與夾具之間的摩擦系數和剪切強度大小決定。剪切強度大小是試驗本身所要獲得的、用于表征電子元器件的粘接強度的具體量值，因此樣品固定取決于樣品與夾具之間的摩擦系數。樣品與夾具之間的摩擦系數與樣品的材質、夾具的材質、樣品與夾具接觸面粗糙程度及夾持應力的大小相關。而樣品與夾具接觸面粗糙程度及夾持應力的大小屬不定因素，在此情況下的剪切試驗過程中，可能會出現樣品固定不良的而使剪切強度的試驗結果不準確。

在樣品底座的夾持方向與剪切方向同向狀態下，樣品被完全固定住，在試驗過程中不會出現相對位移現象，能較準確地反映樣品的真實結果。

4.2 試驗樣品的夾具是否被固定的影響

在DAGE4000型引線拉力設備上，試驗樣品的夾具放置在試驗操作臺上后，夾具與操作臺之間的較小的間距，進行旋轉調節，使剪切刀具的接觸面與元器件的邊線平行。由于剪切刀具的接觸面與元器件的過線平行是操作人員通過顯微鏡觀察的，不可能調整到完全平行，且樣品中的元器件的安裝方向也不可能完全一致。在這種情況下，如果試驗夾具被固定，會出現剪切應力不能完全加在元器件的邊線上。而當試驗樣品夾具不被固定時，試驗過程中，剪切刀具與元器件接觸時，施加的剪切應力會推動樣品旋轉，使剪切刀具的接觸面與元器件的邊線完全平行，把剪切應力加在元器件的整個接觸面上，能較準確地反映樣品剪切強度的真實結果。

表3 試驗結果

圖2 底座夾持的方向與剪切方向垂直

圖3 底座夾持的方向與剪切方向同向

4.3 不同材質刀具的影響

任何一種材料，在受到外力F作用的時候，材料的受力面積S就會發生形變。剛度是描述材料形變的指標，不同材質的具有不同的剛度。在彈性范圍內，外力F和形變S是成比例的；當外力達到屈服極限Q，外力F和形變S就不會成比例地增長，直至材料發生斷裂。外力F與材料形變面積S之間的曲線如圖4所示。

剛度的大小是取決于外力F與形變S的比值，這就是楊氏模量E。楊氏模量越大，材料的剛度就越好。

圖4 外力F 與材料形變面積S 圖

在剪切試驗中，刀具使用在其彈性范圍內。刀具的楊氏模量越大，其試驗中形變越小，通過刀具施加到被剪切樣品上的力更均勻的作用到刀具的接觸面，因此對試驗結果的影響也越小。專用材料的刀具剛性優于普通不銹鋼刀具，對試驗結果的影響也小于普通不銹鋼刀具。

5 結束語

由于實際的樣品與刀具的接觸面可能存在著不平整、加在接觸面上的應力可能不平行于元器件表面，會造成夾具輕微的上下晃動。因此，盡管樣品的夾具不固定對剪切強度試驗的結果影響更小，我們還是建議在實際運用過程中采用樣品夾持方向與剪切力方向相同、樣品的夾具固定、刀具專用材質的刀具進行剪切強度試驗。

[1]羅輯,趙和義 主編. JY 電子元器件質量管理與質量控制[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]GJB 548B-2005,微電子器件試驗方法和程序[S].

[3]GJB 128A-97,半導體分立器件試驗方法[S].