在微電子封裝領域，引線鍵合是最主流的互連技術之一，然而，當鍵合基板從傳統的陶瓷或矽片轉向PCB、撓性板、BGA、SiP等軟基板時，鍵合焊盤在機械力和超聲能量作用下容易發生塑性變形（凹杯現象），直接影響鍵合強度和長期可靠性。 

如何量化評估這種變形對鍵合質量的影響？本文榴莲视频成版APP下载測控小編就從凹杯現象的物理機理出發，係統分析其對鍵合質量的影響，並探討如何通過推拉力測試機量化評估鍵合強度，為軟基板引線鍵合工藝提供可靠性驗證方法。

 

一、什麽是凹杯現象？

根據《微電子引線鍵合》文獻的定義，凹杯現象是指：

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

這種現象在軟基板（如聚酰亞胺薄膜、PTFE基材、環氧層壓板等）上尤為突出。因為這些基板的彈性模量較低，無法為鍵合焊盤提供足夠的剛性支撐。

這種變形不僅會吸收本該用於形成鍵合的超聲能量，還可能導致焊盤與底層聚合物分層、開裂，最終降低鍵合強度和長期可靠性。在鍍Au的Cu絲楔形鍵合中，由於Cu絲比Au絲或Al絲更硬，凹杯現象更為明顯。

 

二、為什麽凹杯現象有害？

文獻明確指出：凹杯痕跡會導致鍵合的良率較差。

能量吸收：焊盤塑性變形消耗了本該用於界麵鍵合的超聲能量
有效鍵合力降低：下沉動態改變焊盤上的實際受力，降低鍵合質量
焊盤分層/開裂：高垂直應力導致焊盤金屬與底層聚合物分離
良率下降：凹杯嚴重的焊盤，鍵合強度不足，良率難以保證

三、凹杯現象的形成機理

凹杯現象的本質是力學失配問題。鍵合焊盤的金屬層與底層聚合物基板的力學性能差異越大，凹杯風險越高。

1、材料力學性能有影響，下麵展示關鍵材料參數對比：

陶瓷基板:GPa300+,剛性高，幾乎無凹杯
FR-4(玻璃纖維):GPa11-25,中等剛性，有支撐時良好
聚酰亞胺(薄膜):GPa2.5,較軟，易發生凹杯
PTFE化合物:GPa0.5-1.3,很軟，極易凹杯

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

2、動態下沉效應

在瓷嘴下降後的最初幾毫秒內，鍵合焊盤發生動態下沉，這將改變（降低）焊盤上的有效鍵合力，導致鍵合質量/良率降低。

動態下沉的時間窗口約為10100ms，恰好與超聲能量施加的時段重疊。這意味著，如果不對下沉過程進行補償，鍵合界麵將無法獲得足夠的能量輸入，導致鍵合不完全。

 

四、解決凹杯現象的技術路徑

根據形成機理可以倒推解決方案：通過增加硬金屬層，將鍵合焊盤轉化為剛性平台。 

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）。

實驗數據表明：在Cu基和頂層可鍵合Au層中間電鍍一層3μm厚的Ni層後，凹杯現象顯著減少，鍵合良率可滿足批量製造要求。

 

五、如何量化評估鍵合強度？推拉力測試機作用

解決凹杯問題的最終目標是確保鍵合強度達標。無論焊盤結構如何優化，最終都需要通過力學測試來驗證鍵合質量。

1、推拉力測試兩種應用場景

 

2、推拉力測試機在軟基板鍵合驗證中的作用

以Alpha-W260推拉力測試機為例，其在軟基板鍵合強度驗證中可發揮以下作用： 

① 金球推力測試：評估凹杯對鍵合強度的影響

在軟基板上進行球形鍵合後，如果發生了凹杯現象，金球與焊盤的實際接觸麵積可能減小，界麵結合強度下降。通過推刀水平推動金球，測量將其推離所需的最大剪切力，可以量化評估鍵合質量。

② 金線拉力測試：評估鍵合點的完整性

對於楔形鍵合，通過微鉤垂直拉起鍵合引線，測量拉斷或脫焊所需的力值。如果凹杯導致焊盤分層，拉力值會顯著低於正常水平。

3、測試參數建議（基於軟基板特性）

金球推力：剪切高度:金球高度的20%-30%，避免損傷底層軟基板
推力速度：100-300um/s，軟基板建議取較低值
拉力測試：鉤針位置:引線中間，避免單邊受力
著陸力：≤10gf，軟基板需輕柔接觸

4、數據解讀與工藝優化

通過推拉力測試獲得的數據，可以反向指導鍵合工藝優化：

如果推力值低+凹杯明顯，可能因為硬金屬層厚度不足，可以增加Ni層厚度至3-8um
如果推力值低+界麵斷裂，可能是焊盤表麵汙染，可增加等離子體或UV-臭氧清洗
如果拉力值波動大，可能是因為超聲參數不穩定，可進行DOE優化鍵合力/功率/時間

軟基板引線鍵合中的凹杯現象是材料力學、工藝參數和設備能力共同作用的複雜結果，解決這一問題的技術路徑已經很明確：通過硬金屬層將焊盤轉化為剛性平台即可。而推拉力測試機可以通過精確的力學測量來進一步驗證方案是否有效。

 

以上就是榴莲视频成版APP下载測控小編關於軟基板引線鍵合中凹杯現象及其力學驗證方法的介紹。如果您也從事微電子封裝、PCB組裝或SiP設計製造，對推拉力測試機怎麽使用、金球推力測試方法、軟基板鍵合強度驗證方案等方麵還有疑問或需求，歡迎私信或留言交流。