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(tǒng)的陶瓷或硅片轉向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(fā)生塑性變形（凹杯現(xiàn)象），直接影響鍵合強度和長期可靠性。

25um Au絲楔形鍵合到PCB環(huán)氧增層的鍍Au焊盤上(Au絲沒有焊接到鍍Au層上)發(fā)生下沉現(xiàn)象圖(箭頭所指)

如何量化評估這種變形對鍵合質量的影響？本文科準測控小編就從凹杯現(xiàn)象的物理機理出發(fā)，系統(tǒng)分析其對鍵合質量的影響，并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、什么是凹杯現(xiàn)象？

根據(jù)《微電子引線鍵合》文獻的定義，凹杯現(xiàn)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(fā)生局部塑性凹陷，形成類似于“凹杯”狀的形變。

這種現(xiàn)象在軟基板（如聚酰亞胺薄膜、PTFE基材、環(huán)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于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。

下圖展示了典型的凹杯形貌：

在聚酰亞胺撓性基板上鍵合焊盤壓痕(凹杯)的深度隨著超聲能量和鍵合力的變化圖(©IMAPS)

引線鍵合后發(fā)生形變的鍵合焊盤和聚合物的結構

在鍍Au的Cu絲楔形鍵合中，由于Cu絲比Au絲或Al絲更硬，凹杯現(xiàn)象更為明顯。

二、為什么凹杯現(xiàn)象有害？

文獻明確指出：凹杯痕跡會導致鍵合的良率較差。

三、凹杯現(xiàn)象的形成機理

凹杯現(xiàn)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，下圖展示關鍵材料參數(shù)對比：

聚合物的彈性模量越低，鍵合過程中越容易發(fā)生凹杯現(xiàn)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(fā)生塑性變形。

2、動態(tài)下沉效應

在瓷嘴下降后的最初幾毫秒內，鍵合焊盤發(fā)生動態(tài)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(tài)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，鍵合界面將無法獲得足夠的能量輸入，導致鍵合不wanquan。

四、解決凹杯現(xiàn)象的技術路徑

根據(jù)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臺。

典型結構如圖所示：

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(shù)據(jù)表明：在Cu基和頂層可鍵合Au層中間電鍍一層3μm厚的Ni層后，凹杯現(xiàn)象顯著減少，鍵合良率可滿足批量制造要求。

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(yōu)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(fā)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后，如果發(fā)生了凹杯現(xiàn)象，金球與焊盤的實際接觸面積可能減小，界面結合強度下降。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

對于楔形鍵合，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，拉力值會顯著低于正常水平。

3、測試參數(shù)建議（基于軟基板特性）

4、數(shù)據(jù)解讀與工藝優(yōu)化

通過推拉力測試獲得的數(shù)據(jù)，可以反向指導鍵合工藝優(yōu)化：

軟基板引線鍵合中的凹杯現(xiàn)象是材料力學、工藝參數(shù)和設備能力共同作用的復雜結果，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臺即可。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。

以上就是科準測控小編關于軟基板引線鍵合中凹杯現(xiàn)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設計制造，對推拉力測試機怎么使用、金球推力測試方法、軟基板鍵合強度驗證方案等方面還有疑問或需求，歡迎私信或留言交流。