Электрические соединения и соединения, полученные методом термальной сварки являются неотъемлемой частью электронной и полупроводниковой конструкции, но их значение часто недооценивают. В современных методах сборки электронных компонентов используют множество процессов разварки, каждый из которых является крайне важным шагом в производстве конечного продукта. Стандартные потребительские товары, такие как портативный компьютер, могут содержать сотни тысяч соединений, и если хотя бы одно из них не удастся это, скорее всего, приведет к выходу из строя всего изделия.
Введение
Измерение прочности соединения является далеко не самым освещаемым вопросом в электронной и полупроводниковой промышленности. Знание прочности соединения в процессе проектирования и последующего производства изделий непосредственно влияет на качество конечного продукта, удовлетворенность клиентов и прибыльность.
Для удовлетворения этой потребности нужна современная установка тестирования соединений, способная проводить тестирование проволочных соединений, столбиковых выводов из припоя, кристаллов и выводов с высокой точностью, а также выполнять другие виды тестирования с применением различного усилия, от нескольких граммов до сотен килограммов.
Исследование основ тестирования соединений и выделение того, что необходимо для качественного тестирования, а также того какой функциональностью должен обладать современный тестер соединений очень важно при определении точного протокола тестирования.
Так почему же тестирование прочности соединения должно находиться на первом месте? Соединения разрушаются как в процессе производства, так и при эксплуатации изделия конечным пользователем, и эти разрушения могут быть связаны с геометрией или материалом соединения, а также с технологическими факторами. Эти факторы в значительной степени влияют и, в конечном счете, определяют качество и целостность соединения. Измерение прочности соединений является важным инструментом в процессе проектирования и контроля качества, и помогает минимизировать внесение изменений в конструкцию продукта на финальном этапе производства, повысить процент выхода годных изделий и надежность конечного продукта.
Наверняка Вы не раз слышали о тестировании сварных изделий, но до сих пор не задумывались для чего на самом деле необходимо тестировать соединения. Основные типы тестирования соединений включают в себя тестирование на отрыв и тестирование на сдвиг, при которых применяют либо большое усилие до разрушения соединения, либо меньшее для неразрушающего тестирования. Иногда используется тестирование на натяжение, но оно тесно связано с тестированием на отрыв.
Неразрушающее тестирование, как правило, используется, когда требуется крайне высокая надежность изделия. В этих случаях, чтобы обеспечить максимальный уровень качества тестируется каждое соединение, что делает эту процедуру относительно затратной по времени и дорогостоящей. Чаще проводится тестирование, при котором соединение разрушается, данное тестирование осуществляется с применением пикового усилия на основе выборки, а режим разрушения записывается для статистического анализа. Это действительно является хорошей отправной точкой, но требует более подробного изучения. Данное исследование основывается на предположении о том, что есть конкретный режим разрушения, или диапазон режимов, которые могут иметь место в пределах изделия. Поэтому разумно предположить, что при тестировании соединений необходимо повторить режим или режимы, представляющие интерес. Тем не менее, точное повторение не всегда представляется возможным. Тестовая нагрузка должна быть применена к некоторой части образца и перенесена через образец к соединению. Если тестируемая часть образца является дополнительной и она слабее, чем само соединение, образец выйдет из строя раньше, чем разрушится соединение.
Тестирование на сдвиг
Хорошим примером этого является тестирование на сдвиг золотого шарикового соединения и проволочных соединений внутри полупроводникового прибора (Рисунок 1). Сцепление хорошего шарикового соединения будет прочнее самого шарика, так что режимом разрушения прочного соединения будет сдвиг золотого шарика. Нередко технологи используют этот режим разрушения соединения отдельно, как показатель прочности соединения, но фактически он определяет максимальную производительность тестирования. Для лучшего результата необходимо провести тестирование соединения и записать самое высокое усилие, которое было использовано, оно и будет определять прочность соединения. Одной из основных задач разработчика модели тестирования соединений является проведение требуемого тестирования.
Как уже упоминалось, пиковое усилие на сегодняшний день является наиболее распространенным критерием для измерения прочности соединения. Как правило, больше ничего не требуется, но график смещения усилия передает гораздо больше информации. Традиционно время воздействия усилия записывалось, потому что его было относительно легко определить, но оно представляло гораздо меньший интерес. Если тестирование проводится при постоянной скорости разница между временем воздействия усилия и графиком смещения усилия является только одной из ступеней по оси Х, как правило, обозначающей время или смещение.
Однако при тестировании небольших соединений, при большом усилии или умеренной скорости, поддерживать постоянную скорость тестирования может быть чрезвычайно трудно. В этих случаях график скорость-время может привести к неправильной интерпретации результатов тестирования. С помощью смещения графика можно визуализировать, увеличение и уменьшение усилия, так как результаты соединений непосредственно связаны с геометрией образца. Кроме того площадь графика сила-сдвиг соответствует энергии, поглощаемой соединением, которая сама по себе является альтернативой измерению прочности соединения, которое особенно важно при тестировании стойкости к механическим ударам.
Как упоминалось ранее, получение точного графика усилие-сдвиг может быть сложной задачей. В жестких соединениях, таких как крепление кристалла, деформация соединения до разрушения крайне мала, как правило, она меньше, чем деформация, которую может обеспечить современный высокоточный тестер соединений. Лучшим решением в данном случае является использование датчика внешнего смещения, который непосредственно измеряет отклонение инструмента прилагающего усилие от заданной точки на образце одновременно с измерением силы. Такая система, как правило, требует нанометрового разрешения. Хорошая новость заключается в том, что пиковое усилие часто является всем, что необходимо для этого типа тестирования, и на него не влияют типы ошибок, которые обычно наблюдаются при измерении сдвига.
Также график усилие-сдвиг применяется в моделировании прочности соединения. Стремительно растущий интерес к данному виду моделирования обусловлен тем, что прочность и надежность соединения можно проверить виртуально в процессе проектирования. Учитывая широкий диапазон используемых форм, материалов и процессов, данная задача становится не такой уж и простой. Тем не менее, конкретные конструкции могут быть смоделированы, и тестер соединений может быть обучен этим моделям. Имеется предположение о том, том, что если модель успешно прогнозирует режим разрушения и усилие-сдвиг тестирования данного состояния, велик шанс того, что можно будет также сделать точное моделирование прогноза реалистичного состояния нагрузки. Следует знать, что ни одно тестирование соединений не воспроизводит действительной нагрузки. Например, соединение бескорпусного конденсатора разрушается не потому, что инструмент сдвига применяет к нему нагрузку (рисунок 2).
Как и любой эксперимент, действие процесса измерения потенциально может изменить само измерение. Тестирование соединений обычно является аналогом тестирования прочности, но, тем не менее, является важным инструментом контроля для обеспечения качества продукции электронных сборок.
Тестирование шариков припоя
В течение многих лет сдвиг шариков припоя производился со скоростью менее 1 мм/сек. Было установлено, что тестирование на этих скоростях почти всегда выявляет неисправности в объеме столбика, но производственный брак и разрушение при использовании происходят в прослойке между выводом и контактной площадкой. Недавние события показали, что тестирование на скоростях в диапазоне сотен или тысяч миллиметров в секунду чаще воспроизводят «интересующий пользователя режим разрушения» в прослойке между выводом и контактной площадкой которое, следовательно, имеют гораздо большее значение (рисунок 3).
Не меньшее значение имеет и фиксирование образца. Для многих видов тестирования прочности соединений требуется точность вплоть до полу-микрона, в то время как в других случаях усилие до сотен килограммов часто является обязательным требованием. При применении высокого усилия, до 500 кг (кгс) требуется особое внимание к деталям, а также квалифицированный или опытный специалист, который мог бы проконтролировать качество результатов тестирования. Часто используются стандартные фиксаторы, но иногда требуется их модифицировать или изготовить новые инструменты по желанию заказчика для удерживания конкретного образца. Зажимы обычно требуются для полной фиксации образца, когда он подвергается воздействию испытательной нагрузки, таким образом, что усилие не воздействует на соединение и происходит незначительный прогиб образца.
Тестирование кристалла на отрыв
Тестирование кристалла на отрыв также известное как тестирование столбикового вывода, проводилось на протяжении многих лет в качестве дополнительного условия нагрузки к наиболее часто используемым испытаниям на сдвиг. Как правило, данное испытание является более сложным, так как столбик должен быть приклеен к кристаллу, соединение которого потом будет тестироваться на отрыв, чтобы проверить его прочность (рисунок 4). Прочность клеевого соединения между столбиком и кристаллом ограничивает максимальную нагрузку, которая может быть применена к соединению. На сегодня можно выполнить клеевые соединения с силой сцепления около 20 до 30 МПа (МПа), а современные исследования пытаются увеличить этот предел до 45 МПа. Увеличение использования технологий многоярусного размещения кристаллов и совмещения пластины с пластиной с использованием нескольких слоев кремния ведет к соответствующему увеличению спроса на данный вид тестирования. Также данное тестирование имеет большое значение, когда слой или кристалл очень тонкий и концентрация напряжений на образец превышает предел пластичности образца при испытании на сдвиг. В этих случаях тестирование столбиковых выводов на отрыв распределяет нагрузку по обширной верхней поверхности образца.
Удобство использования является еще одним из главных требований к установкам тестирования соединений. Любая сложная система измерения потенциально может производить ошибки из-за неверного понимания и/или усталости оператора. Удобство использования также напрямую влияет на производительность и эксплуатационные расходы. Наиболее распространенным интерфейсом который предпочитают операторы или инженеры является программное обеспечение, которое будет простым, интуитивно понятным и, тем не менее, всеобъемлющим и гибким для очень широкого диапазона тестирования соединений, для которого оно применяется. Аппаратное обеспечение также имеет большое значение, оно должно обеспечивать легкую загрузку образца и непрерывное, легкое тестирование. Элементы управления и оптика, обычно микроскоп со стереоувеличением, должны быть удобно и эргономично расположены.
Последним важным элементом для установок тестирования соединений является гибкость. К современным установкам тестирования соединений применяется множество различных требований. Для того, чтобы соответствовать всем этим требованиям установка должна быть гибкой и подходить для широкого спектра тестирования и образцов. Некоторые требования к тестированию являются ограниченными, и поэтому система должна быть реконфигурируемой, чтобы представить экономичное решение для пользователя. Другие требования могут меняться, и поэтому та же способность к изменению конфигурации может быть использована для того, чтобы перенастроить систему на рабочем месте для широкого спектра применений. Для достижения этой цели, необходимы установки с каркасами различных размеров, которые имеют открытую планировку и точные оси продольного перемещения, с опцией легкого переключения между датчиками тестирования. Как следствие, многофункциональная установка тестирования соединений оснащена функцией выбора типа инструмента тестирования на отрыв, сдвиг и удар и заменяемыми датчиками вращающегося измерительного устройства и устройства для измерения ударных нагрузок, имеет высокую эксплуатационную гибкость и может быть применена для широкого спектра полупроводниковых изделий, печатных плат и сборок.
Заключение
Вопрос тестирования соединений является довольно сложным и разносторонним, но значение, которое оно имеет для обеспечения качества продукции нельзя недооценивать. Точное измерение смещения усилия с использованием современной установки тестирования соединений позволяет моделировать прочность соединения, при которой можно успешно предсказать различные режимы разрушения. Полученные данные можно использовать в качестве точной модели прогнозирования действительных условий нагрузки.