CN113702202A - 一种测试键合丝热影响区拉伸性能的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试键合丝热影响区拉伸性能的方法及装置，属于微电子封装用键合丝材料技术领域。包括以下步骤：将夹持嘴嘴尖向下固定在键合机瓷嘴固定装置上，用镊子将键合丝穿入夹持嘴孔内并使线尾伸出嘴尖，利用键合机打火装置烧球，将键合丝在上部剪断并随夹持嘴一起从键合机上取下；带球键合丝随夹持嘴安装于拉力测试仪测试夹具上，施加拉伸载荷并实时记录拉伸载荷与拉伸位移直至断裂。本发明可准确测量键合丝球焊过程中形成的热影响区的拉伸性能，解决了该领域键合丝热影响区的性能无法测试的难题，对指导键合丝材料的研发和键合参数的设置具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于属于微电子封装用键合丝材料技术领域，特别涉及一种测试键合丝热影响区拉伸性能的方法及装置。
背景技术
引线键合是半导体芯片封装中的关键环节之一，随着近年来微电子器件不断向小型化、高性能化发展，微电子封装技术不断演变使得引线键合间距不断变窄、单层引线向叠层型3D封装发展，这对键合所用的键合丝材料的力学性能、可靠性、弧形稳定性等提出更高的要求。
在球焊键合过程中，采用施加在打火杆上的高电压击穿空气使线尾熔化而形成无空气焊球(FAB)的过程中，产生的部分热量沿着线材向上传导并使靠近球颈部的线材发生晶粒长大，导致形成热影响区(HAZ)，热影响区的晶粒长大使得其力学性能相比原始丝材显著降低，而热影响区的力学性能则决定了键合线弧的弧形稳定性和可靠性。
目前常规键合丝的拉伸性能测试方法和设备均已较为成熟，但由于热影响区位置特殊(位于线尾末端焊球颈部)、长度很短(通常为几十到一百多微米)，难以采用常规键合丝的拉伸测试夹具进行夹持和测试，因此热影响区的拉伸性能测试几乎为空白，无法为热影响区力学性能的定量表征进而依据热影响区力学性能进行键合参数优化和键合丝材料研发提供直接的数据支撑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种测试键合丝热影响区拉伸性能的方法及装置，实现末端带焊球的键合丝的夹持和拉伸性能的测试，用于键合丝(包括键合金丝、键合银丝、合金键合丝、键合铜丝及复合型键合丝等)热影响区部位拉伸性能的测试研究，进而指导新型键合丝材料的研发和键合参数的优化设置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种测试键合丝热影响区拉伸性能的方法，包括以下步骤：
(1)将夹持嘴嘴尖向下固定在键合机瓷嘴固定装置上；
(2)用镊子将键合丝穿入夹持嘴孔内并使线尾伸出嘴尖一定长度；
(3)利用键合机打火装置烧球；
(4)将键合丝在上部剪断并保证由剪断位置至夹持嘴尖端的距离大于拉伸测试标距长度，剪断后在键合丝未受除夹持嘴以外的任何部分限制的状态下将键合丝随夹持嘴一起从键合机瓷嘴固定装置上取下；
(5)带球键合丝随夹持嘴一同转移，并以夹持嘴嘴尖向上安装于拉力测试仪测试夹具上；
(6)以一定速度施加拉伸载荷并实时记录拉伸载荷与拉伸位移直至断裂；
(7)由拉力测试仪根据实际标距长度及键合丝直径自动计算抗拉强度和延伸率，并绘制载荷-位移曲线。
一种测试键合丝热影响区拉伸性能的装置，用于实现上述方法，包括夹持嘴、键合机及拉力测试仪；所述键合机包括打火装置及键合机瓷嘴固定装置，所述打火装置用于对键合丝穿入夹持嘴孔内的线尾烧球，所述键合机瓷嘴固定装置用于固定夹持嘴；所述拉力测试仪设有测试夹具，所述测试夹具用于夹持有键合丝的夹持嘴，所述拉力测试仪用于测试键合丝的抗拉强度和延伸率；所述夹持嘴的外部轮廓由圆锥段和截面为正方形的长方体段组成，所述夹持嘴的内部轮廓由圆锥段内孔和圆柱段内孔组成，所述夹持嘴的嘴尖部分内孔由倒圆锥状承托孔和圆柱状稳定孔组成。
所述夹持嘴外部轮廓圆锥段的锥角为15°～25°，长方体段的长度为5～10mm、宽度为1.2～1.5mm；内部轮廓圆锥段内孔的锥角为5°～15°，圆柱段内孔直径为0.5～1.0mm、长度与外部轮廓长方体段长度一致；嘴尖部分倒圆锥状承托孔锥角为90°～120°、深度为0.03～0.05mm，圆柱状稳定孔长度为0.2～0.5mm、直径应大于键合丝直径5～8μm。
所述拉力测试仪的最大载荷不大于5N。
与现有技术相比较，本发明的有益效果包括：
(1)通过本发明的特殊的夹持嘴，实现了末端带焊球的键合丝的夹持和拉伸性能测试；
(2)利用本发明所述的夹持嘴，测试人员使用现有商用键合机和拉力测试仪即可实现键合丝热影响区拉伸性能的测试，无需专门设计和制造其他专用设备，测试方法简单、成本低；
(3)本发明解决了微电子封装用键合丝热影响区的性能无法定量测试的难题，对指导新型键合丝材料的研发和键合参数的优化设置具有重要意义。
附图说明
图1：本发明夹持嘴的结构示意图及嘴尖局部放大图，图中：(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为嘴尖A处的局部放大图。
图2：本发明键合丝烧球前的安装示意图。
图3：本发明键合丝随夹持嘴转移过程中的相对位置示意图及嘴尖局部放大图，图中：(a)为主视图，(b)为嘴尖A处的局部放大图。
图4：本发明夹持嘴及键合丝在拉力测试仪上的安装示意图。
图5：实施例1得到的末端带焊球的键合丝载荷-位移曲线及断口形貌图，图中：(a)为载荷-位移曲线图，(b)为断口形貌图。
图6：实施例2得到的末端带焊球的键合丝载荷-位移曲线及断口形貌图，图中：(a)为载荷-位移曲线图，(b)为断口形貌图。
图中：1-夹持嘴，2-键合机瓷嘴固定装置，3-键合丝，4-拉力测试仪测试夹具。
具体实施方式
本发明公开一种测试键合丝热影响区拉伸性能的方法，具体按以下步骤进行：
(1)将夹持嘴1嘴尖向下固定在键合机瓷嘴固定装置2上，夹持嘴1结构如图1所示；
(2)用镊子将键合丝3穿入夹持嘴孔内并使线尾伸出嘴尖一定长度，如图2所示；
(3)利用键合机打火装置烧球；
(4)将键合丝3在上部剪断并保证由剪断位置至夹持嘴1尖端的距离大于拉伸测试标距长度L，剪断后在键合丝3未受除夹持嘴以外的任何部分限制的状态下将键合丝3随夹持嘴1一起从键合机瓷嘴固定装置2上取下，如图3所示；
(5)带球键合丝3随夹持嘴1一同转移，并以夹持嘴1嘴尖向上安装于拉力测试仪测试夹具4上，如图4所示；
(6)以一定速度施加拉伸载荷并实时记录拉伸载荷与拉伸位移直至断裂；
(7)由拉力测试仪根据实际标距长度及键合丝直径自动计算抗拉强度和延伸率，并绘制载荷-位移曲线。
如图1、图2所示，本发明还公开了一种用于实施上述方法的测试键合丝热影响区拉伸性能的装置，包括夹持嘴1、键合机及拉力测试仪，所述键合机包括打火装置及键合机瓷嘴固定装置2，所述打火装置用于对键合丝3穿入夹持嘴1孔内的线尾烧球，所述键合机瓷嘴固定装置2用于固定夹持嘴1；所述拉力测试仪设有测试夹具4，所述测试夹具4用于夹持有键合丝3的夹持嘴1，所述拉力测试仪用于测试键合丝3的抗拉强度和延伸率；所述夹持嘴1的外部轮廓由圆锥段和截面为正方形的长方体段组成，所述夹持嘴1的内部轮廓由圆锥段内孔和圆柱段内孔组成，所述夹持嘴1的嘴尖部分内孔由倒圆锥状承托孔和圆柱状稳定孔组成。夹持嘴1外部轮廓圆锥段的锥角为15°～25°，长方体段的长度为5～10mm、宽度为1.2～1.5mm；内部轮廓圆锥段内孔的锥角为10°～15°，圆柱段内孔直径为1.2～1.5mm、长度与外部轮廓长方体段长度一致；嘴尖部分倒圆锥状承托孔锥角为90°～120°、深度为0.03～0.05mm，圆柱状稳定孔长度为0.2～0.5mm、直径应大于键合丝3直径5～8μm。
拉力测试仪的最大载荷不大于5N。
实施例1
(1)将夹持嘴1嘴尖向下固定在键合机瓷嘴固定装置2上；
(2)以直径20μm的键合金丝为测试对象，用镊子将键合丝3穿入夹持嘴孔内并使线尾伸出嘴尖一定长度；
(3)利用键合机打火装置烧球，烧球参数为电流20mA、时间1ms、击穿电压6000V；
(4)将键合丝3在上部剪断并保证由剪断位置至夹持嘴1尖端的距离大于拉伸测试标距长度L＝100mm，剪断后在键合丝3未受除夹持嘴以外的任何部分限制的状态下将键合丝3随夹持嘴1一起从键合机瓷嘴固定装置2上取下；
(5)带球键合丝3随夹持嘴1一同转移，并以夹持嘴1嘴尖向上安装于拉力测试仪测试夹具4上；
(6)以10mm/min的速度施加拉伸载荷并实时记录拉伸载荷与拉伸位移直至断裂；
(7)由拉力测试仪根据实际标距长度及键合丝直径自动计算抗拉强度和延伸率，并绘制载荷-位移曲线。
所用夹持嘴1外部轮廓圆锥段的锥角为20°，长方体段的长度为7mm、宽度为1.2mm；内部轮廓圆锥段内孔的锥角为8°，圆柱段内孔直径为0.7mm、长度与外部轮廓长方体段长度一致；嘴尖部分倒圆锥状承托孔锥角为90°、深度为0.03mm，圆柱状稳定孔长度为0.2mm、直径25。
拉力测试仪的最大载荷为5N。
图5为本实施例得到的键合丝载荷-位移曲线及断口形貌图。
实施例2
(1)将夹持嘴1嘴尖向下固定在键合机瓷嘴固定装置2上；
(2)以直径20μm的键合银丝为测试对象，用镊子将键合丝3穿入夹持嘴孔内并使线尾伸出嘴尖一定长度；
(3)利用键合机打火装置烧球，烧球参数为电流23mA、时间0.7ms、击穿电压6000V；
(4)将键合丝3在上部剪断并保证由剪断位置至夹持嘴1尖端的距离大于拉伸测试标距长度L＝100mm，剪断后在键合丝3未受除夹持嘴以外的任何部分限制的状态下将键合丝3随夹持嘴1一起从键合机瓷嘴固定装置2上取下；
(5)带球键合丝3随夹持嘴1一同转移，并以夹持嘴1嘴尖向上安装于拉力测试仪测试夹具4上；
(6)以10mm/min的速度施加拉伸载荷并实时记录拉伸载荷与拉伸位移直至断裂；
(7)由拉力测试仪根据实际标距长度及键合丝直径自动计算抗拉强度和延伸率，并绘制载荷-位移曲线。
所用夹持嘴1外部轮廓圆锥段的锥角为20°，长方体段的长度为7mm、宽度为1.2mm；内部轮廓圆锥段内孔的锥角为8°，圆柱段内孔直径为0.7mm、长度与外部轮廓长方体段长度一致；嘴尖部分倒圆锥状承托孔锥角为90°、深度为0.03mm，圆柱状稳定孔长度为0.2mm、直径25。
拉力测试仪的最大载荷为5N。
图6为本实施例得到的键合丝载荷-位移曲线及断口形貌图。
下文将对本发明的实施例进行详细说明，需要说明的是，其实施例仅用于帮助进一步说明技术方案的内容以及作为例证的目的，并不限制本发明的保护范围。
以上关于本发明的具体的优选实施方式，本发明而并非受限于实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替换或修改，且性能或用途相同时，都应当视为属于本发明权利要求的专利保护范围。
Claims (9)
1.一种测试键合丝热影响区拉伸性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将夹持嘴(1)嘴尖向下固定在键合机瓷嘴固定装置(2)上；
步骤2，用镊子将键合丝(3)穿入夹持嘴(1)孔内并使线尾伸出嘴尖一定长度；
步骤3，利用键合机打火装置烧球；
步骤4，将键合丝(3)在上部剪断并随夹持嘴(1)一起从键合机瓷嘴固定装置(2)上取下；
步骤5，带球的键合丝(3)随夹持嘴(1)一同转移，并以夹持嘴(1)嘴尖向上安装于拉力测试仪测试夹具(4)上；
步骤6，以一定速度施加拉伸载荷并实时记录拉伸载荷与拉伸位移直至断裂；
步骤7，由拉力测试仪根据实际标距长度及键合丝(3)直径自动计算抗拉强度和延伸率，并绘制载荷-位移曲线。
2.根据权利要求1所述测试键合丝热影响区拉伸性能的方法，其特征在于：所述步骤4中，将键合丝(3)在上部剪断时，由剪断位置至夹持嘴尖端的距离大于拉伸测试标距长度，剪断后在键合丝未受除夹持嘴以外的任何部分限制的状态下将键合丝随夹持嘴一起取下。
3.根据权利要求2所述测试键合丝热影响区拉伸性能的方法，其特征在于：所述步骤2中，将键合丝在上部剪断并保证由剪断位置至夹持嘴尖端的距离大于拉伸测试标距长度L＝100mm。
4.根据权利要求1至3任一项所述测试键合丝热影响区拉伸性能的方法，其特征在于：所述步骤6中，以10mm/min的速度施加拉伸载荷并实时记录拉伸载荷与拉伸位移直至断裂。
5.一种用于实现如权利要求1至4任一项所述的测试键合丝热影响区拉伸性能的方法的测试键合丝热影响区拉伸性能的装置，其特征在于：包括夹持嘴(1)、键合机及拉力测试仪；所述键合机包括打火装置及键合机瓷嘴固定装置(2)，所述打火装置用于对键合丝(3)穿入夹持嘴(1)孔内的线尾烧球，所述键合机瓷嘴固定装置(2)用于固定夹持嘴(1)；所述拉力测试仪设有测试夹具(4)，所述测试夹具(4)用于夹持有键合丝(3)的夹持嘴(1)，所述拉力测试仪用于测试键合丝的抗拉强度和延伸率；所述夹持嘴(1)的外部轮廓由圆锥段和截面为正方形的长方体段组成，所述夹持嘴(1)的内部轮廓由圆锥段内孔和圆柱段内孔组成，所述夹持嘴(1)的嘴尖部分内孔由倒圆锥状承托孔和圆柱状稳定孔组成。
6.根据权利要求5所述的测试键合丝热影响区拉伸性能的装置，其特征在于：所述夹持嘴(1)的外部轮廓圆锥段的锥角为15°～25°，长方体段的长度为5～10mm、宽度为1.2～1.5mm。
7.根据权利要求5所述的测试键合丝热影响区拉伸性能的装置，其特征在于：所述夹持嘴(1)的内部轮廓圆锥段内孔的锥角为5°～15°，圆柱段内孔直径为0.5～1.0mm、长度与外部轮廓长方体段长度一致。
8.根据权利要求5所述的测试键合丝热影响区拉伸性能的装置，其特征在于：所述夹持嘴(1)的嘴尖部分倒圆锥状承托孔锥角为90°～120°、深度为0.03～0.05mm，圆柱状稳定孔长度为0.2～0.5mm、直径应大于键合丝直径5～8μm。
9.根据权利要求5至8任一项所述测试键合丝热影响区拉伸性能的装置，其特征在于：所述拉力测试仪的最大载荷不大于5N。
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