JEDEC JESD22-B117焊球剪切测试指南

标准定位与适用范围

方法定位与版本核对

JESD22-B117《焊球剪切》由固态技术协会发布，用凿型或腔型剪切工具对封装上单个焊球施加水平载荷，直到焊球从焊盘脱落或断裂，同步记录载荷随位移的变化。它属于元器件级、破坏性的焊点力学试验，用于比较焊球与焊盘界面的机械强度、识别脆性断裂倾向，以及监控电镀、回流与界面金属间化合物等工艺变化。公开资料中可见 B117A 与 B117B（含重申年份）等修订标识，说法并不一致，因此本文不锁定修订字母，正式依据须按采购文件指定的版本与现行有效文本核对。

适用对象与试样形态

适用对象是尚未贴装到印制板上的封装本体焊球，常见于球栅阵列、芯片尺寸封装、晶圆级封装以及类似的凸点结构。试样需记录封装型号、批次、焊球合金与尺寸、焊盘表面处理、回流次数与热历史，以及是否做过潮湿敏感预处理、温度循环或老化。焊球直径、节距与排列会影响推刀可达性与对刀方式，边角球与中心球的受力条件也不完全相同，取样位置应事先约定。

与相邻方法的分工

同一体系内有几项容易混淆的方法：焊球拉脱以夹爪夹持单个焊球施加法向拉力，与剪切互为补充，能暴露剪切不易发现的界面脆弱性，但夹持会使焊球变形且不适合高速载荷；板级跌落与器件机械冲击针对装到板上的组件或整机跌落工况；板弯曲与板应变测量关注整板变形对焊点的影响。另有面向无引线元件焊点的剪切标准，与本方法的对象不同。上述方法试样、载荷路径与判据均不相同，结果不能互相引用。

试验目的与可靠性含义

试验要回答的问题

剪切试验回答的是焊球与焊盘连接在侧向载荷下的承载能力：界面是否足够强、断裂发生在哪里、载荷—位移曲线是否表现出脆性特征。它常用于新封装导入、焊球合金或焊盘镀层变更、回流曲线调整、无铅化切换以及来料批次一致性监控，也用于判断长时间老化或多次回流后界面金属间化合物是否使断裂模式向脆断偏移。

低速与高速剪切的意义

同一界面在低速与高速加载下可能表现出不同的断裂行为：无铅焊料强度较高、脆性倾向更明显，高速剪切更容易激发界面脆断，而低速剪切更接近准静态的强度比较。因此把两种速度条件都纳入，可以用「断裂模式是否随速度改变」来识别潜在脆性风险，而不是只看谁的峰值力更大。速度、工具刚度与数据采集率需与所选条件配套。

可靠性含义与破坏性

本试验为破坏性试验，样品试验后不再作为交付品使用。通过试验说明该批次焊球在给定条件与取样位置下具备相应的承载能力，不能直接换算成整机跌落高度、板级冲击次数或现场使用寿命。板级可靠性还受印制板刚度、焊盘设计、底部填充、装配工艺与载荷谱影响，需要板级方法另行评价。

τ_app = F_max / A_bond　表观剪切强度示意，F_max 为最大剪切力、A_bond 为焊球与焊盘的界面面积；因受工具与速度影响，该值仅作同条件比较。

试验条件与参数框架

工具与对刀条件

公开资料显示方法对剪切工具几何尺寸、推刀形状（凿型或腔型）、剪切高度、对刀方式与间距控制作出规定，修订版进一步细化了这些要素。剪切高度是最敏感的条件之一：过高可能只在焊球上部刮擦、过低可能碰到焊盘或阻焊层，两者都会显著改变峰值力与断裂模式。推刀磨损、崩刃与安装角度偏差同样会整体平移结果，需纳入期间核查。

剪切速度与测量链条件

剪切速度按所选的低速或高速条件设定，力传感器量程与采样率需能完整记录载荷—位移曲线，高速条件下尤其要避免采样不足导致峰值被低估。试样应刚性固定在多向可调台上，保证载荷方向与焊球排列方向一致；夹具柔度、台面松动与试样倾斜都会引入额外位移，使曲线下的能量计算失真。所有速度、高度与次数均为说明性引用，须按现行文本查取。

样品数量与预处理条件

样本量、取样球位与接收准则通常由引用该方法的鉴定规范或产品规格书给出；方法本身侧重规定「怎么测才规范」。做过多次回流、高温存储、温度循环或潮湿预处理的试样需与全新试样分组统计，因为界面金属间化合物厚度与焊球组织会随热史改变，混在同一判定组会掩盖差异。

E_f = ∫ F(s) ds　断裂能示意，由载荷—位移曲线下的面积得到；与峰值力互补，能反映塑性变形阶段的差异。

试验方法与步骤

试验主流程

确认封装型号、批次、热史与预处理记录→按规格书确定剪切速度条件、取样球位、样本量与接收准则→检查推刀几何与磨损、校准力值与位移→固定试样并逐球对刀、确认剪切高度→按规定速度施加载荷至焊球脱落或断裂→记录完整载荷—位移曲线、最大剪切力与断裂能→在显微镜下判定失效模式并拍照→汇总数据并对照判据→对异常样品做界面分析。

对刀与剪切操作要点

先在低倍下确认推刀与焊球侧面平行、剪切高度位于规定位置，再启动加载；每个焊球只对刀一次，避免预压或反复触碰改变界面状态。相邻焊球间距较小时，需确认推刀不会同时接触邻球或焊盘。加载结束后保留试样原位拍照，便于把曲线特征与断裂面位置一一对应。

异常与复核流程

出现峰值异常偏低、曲线出现二次台阶或推刀明显刮擦焊盘时，先核查对刀高度、推刀磨损、夹具紧固与试样倾斜，再决定是否计入统计。若实际速度或高度超出容差，该次试验通常应判无效并重做，报告中说明原因与处置；同一球位重复试验、用邻球替补等操作需按事先约定记录，不得事后挑选数据。

v_s = ds / dt (按所选条件)　剪切速度条件示意，低速与高速是两套独立条件，结果不得互相外推；实际速度需校准并记录。

测量、判据与失效定义

记录量与判据

应记录方法编号与版本、剪切速度条件、推刀类型与几何、剪切高度、力值与位移校准状态、封装与焊球信息、取样球位、逐球最大剪切力、断裂能、载荷—位移曲线特征、失效模式编码与照片、样本量与接收准则来源、以及任何偏离说明。判据由产品规格书或鉴定规范给出，常见形式是规定最小剪切力、允许的失效模式分布与样本接收数。

失效模式分类

典型模式包括焊球内部韧性断裂、焊球与焊盘界面脆性断裂、焊盘或金属化层剥离、以及混合模式。单纯看峰值力容易误判：峰值较高但界面脆断，往往比峰值略低而断在焊球内部更值得关注。因此方法修订时特别细化了失效模式编码与报告方式；对界面脆断比例偏高的批次，宜结合剖面与成分分析确认金属间化合物或镀层原因。

常见结论误用

把焊球剪切结果写成板级跌落可靠性；把剪切强度与拉脱强度混列比较；只报峰值力而不报失效模式；用低速条件结果推断高速冲击表现；把标准中的条件代号写成产品等级；以及把通过试验写成「任意跌落不脱球」或「绝对可靠」。方法本身不规定合格力值，把某个通用数值当作标准限值同样属于误用。

f_mode = n_brittle / N × 100%　界面脆断比例示意，n_brittle 为该模式下焊球数、N 为有效样本数；模式分布常比均值更早提示工艺漂移。

数据分析与报告

数据处理要点

逐球保留原始曲线与最大剪切力，按速度条件、取样球位、封装批次与热史分组统计；峰值力与断裂能分别记录，不宜用平均值掩盖个别低值球。失效模式按编码计数并给出分布，界面脆断比例变化往往比均值下移更早提示工艺漂移。复测、替补球与无效试验单列，不与原组合并；跨速度、跨版本数据不得画在同一控制线上。

报告审查要素

核查方法编号与版本、速度条件与来源文件、推刀几何与剪切高度、力值与位移校准、封装与焊球信息、样本量与取样位置、逐球曲线与峰值力、失效模式编码与照片、判据来源与接收准则、偏离说明，以及结论仅对所检批次与给定条件有效的声明。若报告只写「剪切力合格」而无失效模式与速度条件，通常不足以支撑变更放行或争议复核。

F_max = max(F(s))　最大剪切力定义示意，取样率不足会使高速条件下的峰值被低估，故需记录测量链带宽与采样率。

实施要点与行业实践

实施要点

在鉴定规范或产品规格书中提前约定速度条件、取样球位、样本量、最小剪切力与允许的失效模式分布，不要等到出数据后再定判据。推刀应建立编号、使用次数与磨损检查记录；对刀高度宜用标准样件定期核查。对无铅焊料与铜柱凸点等较硬互连结构，要注意方法修订中补充的适用性说明，避免沿用早期粗糙对刀方式造成系统性偏差。

行业实践与合规提示

常见做法是把焊球剪切与焊球拉脱配对使用，覆盖剪切与法向两个受力方向，并在焊球合金、焊盘镀层、回流曲线或供应商变更后做再鉴定；出现界面脆断比例上升时，配合剖面与成分分析定位原因，必要时用板级跌落或弯曲试验验证。宣传与标书用语应避免「绝对不脱球」「任意跌落不损坏」等绝对化表述，也不应把试验条件代号写成产品质量等级。由于上层规范可能对同一方法指定不同条件，报告须写明条件来源，不跨体系拼接。

合格 ⇔ ∀k (F_k ≥ F_min) 且 (模式分布 ∈ 允许范围)　判定示意，F_min 与允许的失效模式分布由产品规格书或鉴定规范约定，方法本身不提供合格力值。

典型应用场景

典型应用场景

新封装与新焊球合金的鉴定、无铅化切换后的脆性断裂倾向评估、焊盘镀层或回流曲线变更后的再鉴定、多次回流与高温存储后的界面退化研究、来料批次一致性抽查、封装或引线框架供应商变更验证、现场脱球失效样品的机理复现，以及剪切与拉脱、板级跌落结果的联合分析等。

常见问题解答

问：JESD22-B117 与板级跌落试验是一回事吗？

答：不是。B117 针对封装本体上单个焊球，用受控推刀施加水平剪切；板级跌落针对装到印制板上的组件在跌落工况下的表现。试样、载荷路径与判据都不同，剪切结果不能直接写成整机跌落可靠性。

问：焊球剪切与焊球拉脱需要都做吗？

答：常见做法是配对使用。剪切考察界面抗侧向载荷能力，拉脱考察法向抗拉能力，能暴露剪切不易发现的界面脆弱性；但拉脱的夹爪会使焊球变形且不适用于高速载荷。两者结论应分别记录，不宜混列比较。

问：标准里规定了合格剪切力是多少吗？

答：通常没有。方法侧重规定工具几何、剪切高度与速度、试样数量、失效模式编码与报告方式，具体的最小剪切力与允许的失效模式分布由封装设计方或客户规格书约定。把某个通用数值当作标准限值属于误用。

问：为什么要区分低速与高速剪切？

答：无铅焊料强度较高、脆性倾向更明显，高速加载更容易激发界面脆断。把两种条件都纳入，可观察断裂模式是否随速度改变，从而识别潜在脆性风险；仅比较峰值力可能掩盖这一变化。

问：剪切高度为什么是最敏感的条件？

答：推刀过高可能只在焊球上部刮擦，过低可能碰到焊盘或阻焊层，两者都会改变峰值力与断裂模式。推刀磨损、安装角度与试样倾斜同样造成系统性偏差，因此需逐球对刀并保留期间核查记录。

问：只报最大剪切力够吗？

答：通常不够。峰值较高但断裂发生在界面，往往比峰值略低而断在焊球内部更值得关注。报告应给出载荷—位移曲线、断裂能、失效模式编码与照片，并按速度条件与球位分组统计。

问：多次回流或老化后的样品能和全新样品一起判定吗？

答：不宜。界面金属间化合物厚度与焊球组织随热史改变，混在同一组会掩盖差异。应按预处理条件分组统计，并在报告中写明回流次数、老化条件与暴露到试验的间隔。

问：通过剪切试验能说明任意跌落都不会脱球吗？

答：不能。结论只覆盖给定速度条件、取样球位、热史与所检批次，板级表现还受印制板刚度、焊盘设计、底部填充与装配工艺影响。写成「绝对不脱球」属绝对化表述，也超出试验结论的含义。

本文围绕相关产品标准与强制性安全标准的公开资料与工程实践进行梳理，用于说明不合格项目的试验方法、判定逻辑、成因分析与整改方向，不构成对任何具体产品的合格结论，也不替代适用法规、客户规范或经签署的试验大纲。正式标准编号、版本、限值与试验程序均以委托方提供的现行有效文本及技术协议为准；检测结论与合规判断应分别表述。