【JESD22-B109C】倒装芯片拉伸测试
B109C 测试方法：Flip Chip Tensile Pull 倒装芯片拉伸测试
1 范围
本测试方法适用于芯片与基板焊点形成后、未涂覆底部填充胶或其他会提高表观结合强度的材料前的倒装芯片。其用途包括：
- 评估特定倒装芯片的芯片接合工艺一致性与质量；
- 评估特定倒装芯片的焊点完整性。
本方法同时涵盖有铅焊球与无铅焊球。
注：由于本测试为破坏性测试，对于可能需要中高批量抽样的认证或工艺开发场景，可能不适用。在制造过程中，本测试可用于与初始基准结果进行对比。
2 术语与定义
2.1 倒装芯片背面（backside of flip chip die）：器件上与焊球互连所附着表面相对的一面。
2.2 十字头（crosshead）：拉伸测试工具上的拉拔夹具。
2.3 分层（delamination）：倒装芯片焊点拉伸过程中出现的一种失效模式，表现为焊球互连金属化层至少部分从基板或芯片上脱离，但焊球本身仍保持连续。
2.4 芯片断裂（die fracture）：倒装芯片焊点拉伸过程中出现的一种失效模式，表现为所有焊球分离前，芯片本体发生断裂损坏。
2.5 芯片焊盘断裂（die-pad fracture）：芯片后端互连（FBEOL）结构中的断裂。
2.6 倒装芯片（flip chip die）：未封装的芯片，通过焊点与基板形成互连。
2.7 互连（interconnect）：回流焊后，器件与基板之间形成的焊点连接。
2.8 金属间化合物断裂（intermetallic fracture）：倒装芯片焊点拉伸过程中出现的一种失效模式，表现为断裂面的任意部分位于焊料与器件 / 基板金属化层之间形成的金属间化合物处。
2.9 未润湿焊球（nonwet solder bumps）：回流焊过程中未与基板焊盘金属化层形成结合的焊球。
注：未润湿焊球的检测特征为：拉伸测试后，基板焊盘金属化层仍呈现原始颜色与纹理，无焊料熔合痕迹。预期不会形成焊点的空焊盘区域除外。
2.10 钝化层 - bump下金属化层断裂（passivation-to-UBM fracture）：钝化层与焊球bump下金属化层（UBM）之间的断裂。
2.11 平面断裂（planar fracture）：bump下金属化层（UBM）层状结构内部的断裂。
2.12 焊球（solder bump）：附着在芯片外部金属化层上的离散焊料，用于与基板形成互连。
2.13 焊料拉断（solder pull fracture）：焊球柱体本体内部的断裂。
2.14 焊料空洞（solder void）：焊点内部暴露器件或基板金属化层的空腔。
2.15 连接柱（stud）：附着在倒装芯片背面、用于执行拉伸测试的工具。
2.16 基板（substrate）：用于附着一个或多个半导体芯片的支撑材料。
2.17 基板断裂（substrate fracture）：倒装芯片焊点拉伸过程中出现的一种失效模式，表现为所有焊球分离前，基板发生断裂损坏。
2.18 工具失效（tool failure）：连接柱、夹具或其他机械设备失效，导致无法对芯片执行拉伸测试。
2.19 bump下金属化层（UBM，under-bump metallurgy）：位于焊球与芯片之间的金属层。
3 设备
3.1 测试工具
本测试所用设备需具备施加特定应力以将芯片从基板上拉离的能力。
3.2 校准测量
设备需提供经校准的应力测量与显示功能，单位可为毫牛（mN）或克力（gf）（1 gf = 9.80665 mN，精确值），且需满足以下要求：
- 测量范围需覆盖至规定最小限值的 2 倍；
- 精度公差需满足 ±5%、±2.45 mN 或 ±0.25 gf 中的最宽公差；
- 单位（gf 或 mN）需与基准尺寸所用单位一致（基准尺寸基于芯片上的焊球数量确定）。
4 测试流程
4.1 被测器件准备
- 被测芯片需已通过焊球回流焊与基板接合；
- 拟执行倒装芯片拉伸测试的芯片不得涂覆底部填充胶；
- 附着连接柱前，需根据需求对芯片及连接柱的接合面进行预处理与操作，确保连接柱与芯片背面之间的粘合力足以支持拉伸测试；
- 需制定适当的控制与抽样方案，确保拉拔的焊球器件数量满足统计有效性要求（与待验证产品数量匹配）。
4.2 连接柱与芯片的附着
- 在不破坏焊球互连机械完整性的前提下，使用高强度固化胶粘剂将连接柱附着在倒装芯片背面，胶粘剂的拉伸强度需足以将芯片从基板上拉离，且自身不会发生粘合失效；
- 连接柱尺寸需合理选择，避免拉拔过程中出现不稳定；连接柱面积不得超过芯片面积的 2 倍；
- 需避免连接柱与芯片之间的胶粘剂溢出并接触封装基板；
- 连接柱的接合面需涂覆一层薄且均匀的胶粘剂，确保接合面完全覆盖；
- 连接柱需附着在待拉伸芯片的背面，且需与样品对中，以防止 / 减少测试过程中的额外力矩负载；
- 胶粘剂需完全固化后，方可执行拉伸测试；
- 所选胶粘剂不得要求过高的固化温度或过长的固化时间（否则可能影响焊点金属间化合物或失效模式）。
4.3 工具设置
- 需将带有倒装芯片的基板牢固固定，确保基板与十字头运动方向垂直（±5°），且基板与十字头对中，使样品沿力的作用线运动（避免焊点承受显著的侧向负载）；
- 需使用夹具或特定方法固定基板，确保拉伸过程中基板保持平整且不发生弯曲。
注：对于芯片与封装尺寸比过大的情况，可能需将封装基板粘贴在刚性底板上，以防止基板弯曲。
4.4 拉伸操作
- 需将芯片从基板上拉离；
- 测试所用的十字头速度需与被测焊点及基板材料的特性匹配；若需进行数据对比，速度需保持一致，且需记录所用速度；
- 速度不得过高，以免引发异常失效模式；
- 拉动连接柱，直至倒装芯片与基板分离；
- 称重传感器需具备承受拉伸过程中所施加负载的能力；
- 对每个倒装芯片，需记录：
- 失效时的力值；
- 样品中每个焊球的失效模式。
5 检验标准
a) 未润湿焊球、金属间化合物断裂、焊料拉断、分层、焊料空洞、芯片断裂及基板断裂的检验需在30 倍放大倍率下进行，且需在100 倍放大倍率下验证；b) 根据检验要求，可采用扫描电子显微镜（SEM）等其他测量技术，以提高精度与分辨率；c) 若观察到工具失效，需识别并记录根本原因。
6 失效标准
6.1 失效模式
失效标准包括但不限于以下模式：
- 未润湿焊球（Non-wet solder bumps）
- 焊料空洞（Solder voids）
- 焊料拉断（Solder pull fracture）
- 金属间化合物断裂（Intermetallic fracture mode）
- 芯片断裂（Die fracture）
- 焊盘脱落（Pad lift-off）
- 分层（Delamination）
- 凸点下金属化层断裂（UBM fracture）
- 端子金属断裂（芯片焊盘断裂，Terminal metal fracture）
- 钝化层断裂（Passivation fracture）
- 层间介质断裂（ILD fracture）
注：失效模式的发生概率与类型可能受以下因素影响：设计特征（尺寸、间距、过孔等）、材料（焊点、助焊剂等）。
6.2 标准确定
- 拉伸测试完成后，需对芯片与基板上的焊球进行检验，并记录失效标准相关结果；
- 每类失效模式的允许水平及最小拉伸应力（每焊球受力 / 焊盘面积）需在采购文件中明确规定，作为批次验收的依据；
- 每个焊球需归类为单一离散失效模式；
- 工具失效、基板断裂及芯片断裂不得视为测试失效，但需记录在案。
6.3 注意事项
- 工具失效、基板断裂、芯片断裂等模式可能导致特定倒装芯片上100% 的焊球受影响；
- 此类模式下，拉伸负载的施加会存在变化性与不均匀性，导致测试结果偏离正常水平；
- 尽管芯片断裂、基板断裂与工具失效不被视为测试失效，但为保证记录完整性，仍需纳入测试结果信息。
6.4 失效模式记录
- 焊球的失效模式需按每器件的发生数量记录，包括以下类别：芯片断裂、基板断裂、分层、焊料空洞、金属间化合物断裂、未润湿、工具失效；
- 此外，还需记录：
- 极限总拉伸负载；
- 计算得出的平均拉伸强度，公式为：[(总拉伸负载 / 焊球数量)/ 焊盘面积]。
注：需使用芯片焊盘面积与基板焊盘面积中的较小值；同时需记录样品中所有器件的极限总拉伸负载、计算得出的平均拉伸强度及所有失效模式的统计汇总数据。
7 汇总
需明确规定以下细节：a) 芯片与基板互连处各自的焊球面积；b) 焊球数量；c) 样本量：待拉伸的倒装芯片数量、每个器件的焊球数量；d) 倒装芯片焊点拉伸测试中各类失效模式的允许缺陷水平；e) 每个焊球所需的拉伸应力；f) 拉伸测试所用的十字头速度；g) 基板材料。