在微电子封装领域，引线键合是最主流的互连技术之一，然而，当键合基板从传统的陶瓷或硅片转向PCB、挠性板、BGA、SiP等软基板时，键合焊盘在机械力和超声能量作用下容易发生塑性变形（凹杯现象），直接影响键合强度和长期可靠性。 

如何量化评估这种变形对键合质量的影响？本文绿巨人视频免费观看在线播放测控小编就从凹杯现象的物理机理出发，系统分析其对键合质量的影响，并探讨如何通过推拉力测试机量化评估键合强度，为软基板引线键合工艺提供可靠性验证方法。

 

一、什么是凹杯现象？

根据《微电子引线键合》文献的定义，凹杯现象是指：

在键合过程中，键合焊盘在瓷嘴施加的垂直应力和超声能量的共同作用下，焊盘金属层发生局部塑性凹陷，形成类似于“凹杯”状的形变。

这种现象在软基板（如聚酰亚胺薄膜、PTFE基材、环氧层压板等）上尤为突出。因为这些基板的弹性模量较低，无法为键合焊盘提供足够的刚性支撑。

这种变形不仅会吸收本该用于形成键合的超声能量，还可能导致焊盘与底层聚合物分层、开裂，最终降低键合强度和长期可靠性。在镀Au的Cu丝楔形键合中，由于Cu丝比Au丝或Al丝更硬，凹杯现象更为明显。

 

二、为什么凹杯现象有害？

文献明确指出：凹杯痕迹会导致键合的良率较差。

能量吸收：焊盘塑性变形消耗了本该用于界面键合的超声能量
有效键合力降低：下沉动态改变焊盘上的实际受力，降低键合质量
焊盘分层/开裂：高垂直应力导致焊盘金属与底层聚合物分离
良率下降：凹杯严重的焊盘，键合强度不足，良率难以保证

三、凹杯现象的形成机理

凹杯现象的本质是力学失配问题。键合焊盘的金属层与底层聚合物基板的力学性能差异越大，凹杯风险越高。

1、材料力学性能有影响，下面展示关键材料参数对比：

陶瓷基板:GPa300+,刚性高，几乎无凹杯
FR-4(玻璃纤维):GPa11-25,中等刚性，有支撑时良好
聚酰亚胺(薄膜):GPa2.5,较软，易发生凹杯
PTFE化合物:GPa0.5-1.3,很软，极易凹杯

聚合物的弹性模量越低，键合过程中越容易发生凹杯现象。此外，焊盘金属的屈服强度也是关键因素，屈服强度越低的金属（如Au、Al），越容易发生塑性变形。

2、动态下沉效应

在瓷嘴下降后的最初几毫秒内，键合焊盘发生动态下沉，这将改变（降低）焊盘上的有效键合力，导致键合质量/良率降低。

动态下沉的时间窗口约为10100ms，恰好与超声能量施加的时段重叠。这意味着，如果不对下沉过程进行补偿，键合界面将无法获得足够的能量输入，导致键合不完全。

 

四、解决凹杯现象的技术路径

根据形成机理可以倒推解决方案：通过增加硬金属层，将键合焊盘转化为刚性平台。 

在聚合物基板上沉积一层硬底层（如Ti、Ti/W，厚度约0.30.5μm），电镀一层厚Ni层（38μm）作为硬支撑，最上层覆盖可键合金属层（Au或Al）。

实验数据表明：在Cu基和顶层可键合Au层中间电镀一层3μm厚的Ni层后，凹杯现象显著减少，键合良率可满足批量制造要求。

 

五、如何量化评估键合强度？推拉力测试机作用

解决凹杯问题的最终目标是确保键合强度达标。无论焊盘结构如何优化，最终都需要通过力学测试来验证键合质量。

1、推拉力测试两种应用场景

 

2、推拉力测试机在软基板键合验证中的作用

以Alpha-W260推拉力测试机为例，其在软基板键合强度验证中可发挥以下作用： 

① 金球推力测试：评估凹杯对键合强度的影响

在软基板上进行球形键合后，如果发生了凹杯现象，金球与焊盘的实际接触面积可能减小，界面结合强度下降。通过推刀水平推动金球，测量将其推离所需的最大剪切力，可以量化评估键合质量。

② 金线拉力测试：评估键合点的完整性

对于楔形键合，通过微钩垂直拉起键合引线，测量拉断或脱焊所需的力值。如果凹杯导致焊盘分层，拉力值会显著低于正常水平。

3、测试参数建议（基于软基板特性）

金球推力：剪切高度:金球高度的20%-30%，避免损伤底层软基板
推力速度：100-300um/s，软基板建议取较低值
拉力测试：钩针位置:引线中间，避免单边受力
着陆力：≤10gf，软基板需轻柔接触

4、数据解读与工艺优化

通过推拉力测试获得的数据，可以反向指导键合工艺优化：

如果推力值低+凹杯明显，可能因为硬金属层厚度不足，可以增加Ni层厚度至3-8um
如果推力值低+界面断裂，可能是焊盘表面污染，可增加等离子体或UV-臭氧清洗
如果拉力值波动大，可能是因为超声参数不稳定，可进行DOE优化键合力/功率/时间

软基板引线键合中的凹杯现象是材料力学、工艺参数和设备能力共同作用的复杂结果，解决这一问题的技术路径已经很明确：通过硬金属层将焊盘转化为刚性平台即可。而推拉力测试机可以通过精确的力学测量来进一步验证方案是否有效。

 

以上就是绿巨人视频免费观看在线播放测控小编关于软基板引线键合中凹杯现象及其力学验证方法的介绍。如果您也从事微电子封装、PCB组装或SiP设计制造，对推拉力测试机怎么使用、金球推力测试方法、软基板键合强度验证方案等方面还有疑问或需求，欢迎私信或留言交流。