简介JESD22-B117A 是 JEDEC 固态技术协会发布的«锡球剪切»可靠性试验标准面向半导体封装研发、可靠性测试及质量控制工程师。该标准以破坏性剪切方式评估焊球连接强度涵盖低速剪切与高速剪切两种测试模式适用于 BGA、CSP 等表面安装结构的焊球验证。压缩包内含 1 个 PDF 文件包体约 1.75MB为标准全文的中文翻译版本已有 379 人学习。中文译本完整覆盖测试范围、术语定义、仪器校准要求、测试程序、夹具设计及样品制备等核心章节读者可直接依据标准设置剪切速度、工具支架高度等关键参数结合失效模式分析与后压力测试要求提升封装可靠性验证的规范性与结果可比性。 在封装可靠性这一行待久了你会发现“推球”这件事几乎每天都会碰到。无论是新封装导入、来料检验还是失效分析JESD22-B117A焊球剪切测试都是绕不过去的一环。很多刚入行的工程师看到英文原版标准就头大所以国内团队大多会搞一份中文版对着做。说实话JESD22-B117A中文版能帮你快速弄懂测试流程和参数范围但真正想把这台剪切机用明白光看标准远远不够。这篇文章我结合自己做过的焊球剪切测试把这份标准背后那些没说透的门道、容易踩的坑、以及判据怎么定一次讲清楚。我主要面向平时需要操作剪切力测试机、处理封装可靠性评估结果的工程师也适合做供应商审核、来料质量管理的朋友参考。读完你至少能明白B117A到底在测什么、推刀怎么选、剪切高度和速度怎么定、失效模式怎么区分、以及为什么标准里不给你写“合格/不合格”的线。1. 一份标准文件背后JESD22-B117A到底管什么1.1 从JESD22家族看B117A的定位JEDEC的JESD22系列是封装可靠性测试的“大本营”里面全是针对半导体封装的各种机械、环境、电气可靠性试验方法。B117属于其中一个机械测试方法类全称Solder Ball Shear焊球剪切测试。A版本是在原B117基础上做了修订规范和细化了测试条件、设备要求、样品准备以及失效模式分类整体上更贴近无铅焊料和细间距封装时代的需求。这个测试解决什么问题简单说就是把BGA、CSP、WLP这类封装上的锡球当成一个“焊接结构”用一把推刀在球体侧面施加水平力直到焊球从焊盘上脱落或断裂然后记录这个过程中的最大剪切力。这个力反映的是焊球与焊盘之间连接界面的机械强度本质上是在模拟封装在受到热膨胀应力、跌落冲击、机械弯折时互连点能不能扛得住剪切方向的载荷。你可以把它类比成测试螺栓焊接强度时的“侧向推力试验”只不过对象是几百微米大小的锡球。在实际产品开发中焊球剪切测试通常和焊球抗拉测试JESD22-B115搭配使用。剪切测试偏重界面剪切强度抗拉测试偏重法向拉力强度两个维度互补能更全面评价互连可靠性。标准本身并不规定具体产品应该达到多少克的剪切力它更像一个“怎么测才规范”的方法学文件具体的指标阈值由封装设计方或客户在规格书里约定。1.2 B117A相比前版更新了哪些关键点老版本B117的表层描述比较宽泛比如对推刀形状、剪切高度、测试数量等只有原则性描述。B117A则把这些要素拆得更细明确了测试工具的几何尺寸建议、对刀和间距的控制方式、样品在测试前的处理要求、以及失效模式的编码和报告方式。还有一个很实际的变化是B117A对无铅焊料以及铜柱凸点这类较硬互连结构的适用性做了补充说明。为什么这个补充很重要因为无铅焊料比如SAC305和传统锡铅共晶焊料的力学行为差异很大。无铅焊料强度高、脆性大剪切时失效模式更容易偏向界面脆断如果还用老方法里那种粗糙的对刀方式结果可能会出现很大偏差。铜柱Copper Pillar的情况更特殊它本身强度远高于焊球剪切时往往不是球断而是柱底的金属间化合物层IMC断裂对剪切高度和推刀平整度的要求也更苛刻。B117A意识到了这一点虽然并没有完全按照铜柱互连单独立一套标准但给出的参数范围已经为这类应用留了空间。1.3 为什么国内做可靠性的人偏爱中文版说句实话JESD22-B117A英文原版也就十几页词汇也不算难但阅读时最头疼的是那些关于设备设置、失效模式描述的长句。比如对剪切高度要求里经常会出现“from the surface of the substrate”这类表述不同人理解会出现偏差。再比如模式分类里“brittle fracture”“ductile fracture”在具体断口形态上容易混淆翻译成中文后配合图片和实操经验理解速度会快很多。不过我得提醒一句中文版更适合作“入门导读”和“培训材料”做正式报告或者和处理客户争议时还是要回到英文原版条款上。因为很多时候一个词的理解差一点测试条件的可对比性就差很多。我是建议中文版和原版对照着看中英术语做一个映射表时间久了你会形成自己的转化习惯。2. 焊球剪切测试的原理拆解看似推一下实际门道多2.1 测试宏观流程和设备角色焊球剪切测试的设备核心是一台剪切力测试机市场上常见的品牌有Nordson DAGE、Instron、XYZtec等。这些设备的基本结构都类似一个刚性基座用来固定样品一个可横向移动的剪切头上面装着推刀还有一个高精度力传感器记录剪切过程中的力值变化。测试时把封装样品固定在载台上推刀与焊球接触后按照设定的速度向前推进直到焊球被推离或断裂。整个推进过程中设备会记录一条力-位移曲线。这条曲线很关键曲线峰值代表最大剪切力而曲线形状可以辅助判断失效过程。韧性断裂的曲线往往是先上升接近峰值时出现明显塑性变形然后慢慢下降脆性断裂的曲线则是快速上升到峰值后突然跌落到很低几乎没有塑性变形台阶。有经验的人看曲线就能大概猜出失效模式但最终判定还是要靠显微镜观察断口。设备本身还有一个隐藏要求就是刚性。推刀推进时必须保持稳定的剪切高度如果设备刚性不足受剪切力作用会产生向上的让刀或侧向偏移导致实际剪切高度变大测试结果就会偏高或偏低。所以在选设备时我会优先看载台夹具的刚性和推刀安装座的稳定性而不是只看传感器量程大小。2.2 三个关键参数剪切高度、剪切速度、推刀先把B117A中涉及的三个核心参数展开讲。第一个是剪切高度也就是推刀底面与焊盘表面之间的垂直距离。这个值直接影响剪切应力在焊球内部和界面处的分布状态。如果推刀位置太高相当于在焊球“腰部”位置推焊球上半部分会被推掉测试的其实是锡球本体强度而非界面强度如果位置太低推刀可能在推之前就蹭到基板表面或焊盘边缘引入额外摩擦力。B117A推荐的思路是设在焊球高度的一定比例处实操中很多实验室习惯直接用固定高度常见设置在焊盘表面上方50μm左右。你若做的是直径200μm以下的小球这个高度建议缩到20-30μm不然推到底都没推到球心偏下的位置。第二个是剪切速度。标准里给出的速度范围比较宽泛典型大家都在用的区间是50 μm/s到500 μm/s。速度越快焊料表现出的应变率越高材料形变跟不上结果往往偏脆、剪切力也偏高。速度越慢焊料有更长时间发生塑性变形和应力松弛测得的值偏低但更反映材料在准静态条件下的真实强度。我自己的经验是同一种封装如果分别用100 μm/s和500 μm/s去推剪切力可能差10%-15%。所以在做对比实验或者验证工艺变更时速度必须锁死否则数据不具备可比性。第三个是推刀本身。推刀的宽度必须大于焊球直径至少要达到焊球直径的1.2倍以上否则推球时刀片边缘会先切入焊球或造成偏斜剪切结果不稳定。推刀底面要求平整刀刃边缘保持直角不能有倒角或磨损缺口。这块非常容易被忽略用久了刀刃上会出现毛刺或缺损你推出来的球断口会带明显的机械划痕严重干扰失效模式判断。所以我建议每两周检查一次刀口状态发现异常直接更换。2.3 为什么“界面脆断”是最关注的结果焊球剪切测试最大的价值在于暴露界面问题。一个正常的合格焊点剪切时应该发生焊球内部的韧性断裂断口上看得到明显的韧窝推刀过去后焊盘上会残留一层变形的焊料。这说明外力被锡球本身的塑性变形吸收了界面的IMC层和焊盘铜箔都扛住了载荷。反过来如果断口非常平坦呈金属光泽或晶粒状形貌从焊盘表面干净脱落说明断裂发生在IMC层或IMC与焊盘的界面处这就是典型的脆性界面断裂。这种失效意味着互连在剪切和冲击载荷下几乎没有缓冲能力哪怕剪切力数值不低可靠性风险依然很大。这就是为什么只看剪切力数值远远不够。同样的25N平均剪切力一组全部韧性断另一组半数脆性断两者代表的可靠性水平完全是两个概念。在B117A的判定框架里失效模式的表现往往比峰值力更能说明问题。我见过不少案例通过工艺调整后剪切力不升反降但断口从脆性转为韧性客户评估时反而认定可靠性改善了逻辑就在这。3. 按标准跑一轮实操样品准备、设备设置与数据记录3.1 样品准备与预处理除了湿度还要注意表面状态B117A本身并没有把预处理写得很死但通常焊球剪切测试不会拿刚做完回流焊的样品直接推而是先做湿度敏感等级MSL预处理和多次回流焊模拟再执行剪切测试。这套流程一般参考J-STD-020和JESD22-A113简单说就是让样品在高温高湿箱里吸湿经过三到五次回流焊模拟把潮湿敏感引发的内部应力释放出来。这样做出的剪切强度才反映极端环境后的残余可靠性而不是刚出厂时的“理想值”。样品在测试前还要注意表面清洁度。如果焊球表面存在助焊剂残留、污物或氧化层推刀压上去时会产生打滑或异常摩擦拉伸曲线会比较毛糙。常见的处理方式是用异丙醇轻擦样品表面但要注意不要碰伤焊球本身。另外在测试前务必要在显微镜下先检查一遍样品整体状况挑掉那些有桥连、球缺失、明显偏移的焊点这类球测出来没有参考意义还容易弄坏推刀。3.2 设备与工具的设置要点对中和对刀是核心把设备参数说明白之前先讲实际操作中最考验手感的两个步骤样品固定和对中。样品必须刚性固定在载台上一般用真空吸附或胶粘粘的时候要保证封装表面水平。如果样品放斜了推刀接触焊球时受力方向就不是水平的导致测得力值偏低。固定完成后进入对中阶段先在显微镜下转动载台使推刀运动方向与焊球排列方向平行再将推刀移动至焊球正上方让推刀中心线与焊球中心线对齐记下位置然后缓慢下降推刀直到推刀底面与焊盘表面之间的距离达到设定值。整个过程我习惯用设备自带的影像系统辅助先粗对再细调每次测试前至少花几分钟确认。设备设置中还有一个细节点是测试模式选择。有些设备支持“定速推进”和“定载保压”两种模式B117A焊球剪切用的是定速推进模式也就是推刀以恒定速度前进直到失效。保压模式在剪切测试里基本不用于最大力测量更多是用在别的粘接强度测试场景。选择时不要选错。3.3 测试参数推荐与数据记录示例以一个典型的芯片尺寸封装为例我把常用参数列成一个表格方便你对照。注意这些是基于常见实践的推荐值具体还要以你自己产品规范和客户要求为准。参数项推荐值/范围说明焊球直径300 μm常见BGA锡球尺寸剪切高度50 μm焊盘表面上方小焊球适当降低剪切速度150-300 μm/s若做横向对比所有样品保持一致推刀宽度≥焊球直径×1.2保证完全剪切避免边缘干涉测试环境室温湿度45%-75%除非另有规定避免极端环境每组的焊球数量至少5个建议10-15个数据统计更有意义测试球位选择均匀分布避免同一角落集中取值覆盖基板不同位置的热应力差异这些参数落实到设备软件上就是相应的坐标、速度、限位设定。设置完之后建议先用一个报废样品试推两颗球观察曲线形态和推刀痕迹确认一切正常后再正式测试。正式测试时每推完一颗球我习惯立刻在记录表里写下峰值力、曲线特征、实际断口形态不要等到全部测完再回去补看照片时间一长容易搞混。3.4 失效模式观察你至少要学会分四类断口观察是剪切测试中最重要的一环你需要有一台体视显微镜倍数至少在50倍以上。B117A语境下常用失效模式可以分成几类第一类是焊球内部韧性断裂断口处残留明显变形的焊料呈纤维状或韧窝状说明焊料本身发生了大塑性变形。这是最理想的结果。第二类是界面脆性断裂断口平齐光滑呈典型的IMC晶粒形貌焊盘上几乎没有焊料残留。第三类是焊盘剥落剪切时把整个焊盘从基板表面扯下来露出基板内部材料。第四类是基材开裂或硅体开裂常见于晶圆级封装或有机基板封装失效位置在芯片钝化层下的低介电常数层或基板树脂层内部。我经常跟新人强调前面两类是“焊点本身强度”的对比后面两类已经超出焊点范畴说明整个封装互连系统在剪切应力下最薄弱的环节并不在传统界面上。你把四类失效模式统计成百分比再结合剪切力数值一起看才能给可靠性综合评估提供完整依据。4. 实战中的常见问题与判据争议4.1 常见测试异常和处理方法先聊一个高频问题推刀推完球之后发现断口上带着一条明显的机械划痕感觉不像自然断裂。这种情况下十有八九是推刀底面有毛刺或倒角推刀在推进过程中切削了焊料而不是单纯剪切。解决办法是更换推刀或者用高倍显微镜检查刀口。还有个常见的情况是剪切过程中样品发生位移表现为力曲线上出现一段抖动平台。原因是样品没粘牢固这种数据要废弃重测不能保留。再有一个很多实验室会踩的坑测试球位选得太集中。只挑封装角落的球测数据往往偏高或偏低因为角落位置在回流焊时经历的应力和中心区域差异很大。正确做法是尽可能均匀取点最好记录焊球在封装上的行列坐标。数据统计完后如果发现个别值明显偏离均值先别急着当成离群点剔除回到显微镜下看它的断口形态和位置是否异常再做判断。盲目删数据是做可靠性测试的大忌。4.2 为什么标准里不写“合格多少牛”这个问题的答案关系到整个测试的定位。JESD22-B117A是一份“方法标准”它的任务是定义一种可重复、可对比的测试方法而不是替产品定义性能指标。不同封装的球径、焊料成分、UBM层结构、基板材质完全不同剪切力差异很大。一个0.5mm间距的手机处理器芯片和一个1.27mm间距的工业级BGA焊球直径差了快一倍剪切力自然不在一个量级。如果标准里硬性写一个最小值那要么宽容到没意义要么严苛到大多数产品都过不了。所以合格线的制定权回到各公司的产品规范或买卖双方的协议里。实操中大家通常会根据历史数据、同类封装对比、以及失效模式比例来定比如要求平均剪切力不低于多少牛单颗最低值不低于多少牛脆性断裂占比不超过一定百分比。我接触过的项目里脆性断裂比例的红线常见定在30%以内但具体还是看失效风险等级。你要做的是把B117A测试方法跑标准再配合你自己的数据积累来定这条线。4.3 和其他测试的关系焊球剪切不是孤岛焊球剪切测试的结果需要和封装翘曲、IMC厚度、染色渗透试验、跌落冲击试验等数据结合起来看。比如剪切力明显偏低的同时IMC层厚度异常增长就说明可能是多次回流或长期高温老化导致IMC过度生长界面在内应力下变脆变弱。再比如剪切断口出现成片的基材开裂这时候你还要结合封装结构仿真和热机械应力分析来排查问题可能出在整个模组的设计冗余上而不只是焊点本身。另外FA失效分析场景下焊球剪切往往是“破坏性起点”而不是终点。剪切后得到的断口样品还可以继续做扫描电镜和能谱分析观察IMC层的成分和厚度判断是界面污染还是柯肯达尔空洞导致的问题。所以做剪切测试时不要只关心力值断口样品的保存和标记同样重要。我习惯每剪一颗球就在样品背面用记号笔标号并保留对应的SEM照片文件命名方便后续追溯到具体坐标。5. 写在最后几个小建议分享几个我长期做下来比较受用的习惯。第一是保存每条力-位移曲线而不只是峰值力数值一旦后续有争议可以回看曲线形态曲线存储几乎不占成本但回看时价值很大。第二是每次测试前花五分钟做一个标准样品验证验证设备的力值读数在可接受偏差范围内我发现很多离群数据最后都指向设备未按时校准。第三是定期让不同工程师分别读同一批断口照片比对失效模式判定结果减少个人判读差异。坦白说焊球剪切看起来是封装可靠性测试里最简单的一项操作但真正做深了你就会发现从参数设定到失效模式判读每一步都在考验对封装互连机理的理解。希望这篇基于JESD22-B117A中文版展开的解读能帮你少走一些我当年走过的弯路。本文还有配套的精品资源点击获取
