倒装芯片封装工艺中焊点可靠性分析

倒装芯片封装工艺中焊点可靠性分析

延咏虹 周海峰

通用半导体（中国）有限公司 天津市 300457

摘要：在微电子封装高速发展的今天，轻、薄、短、小是目前电子封装技术发展的趋势，互连焊点的可靠性研究对微电子封装与组装技术具有重要的意义。而焊点的形态是影响可靠性的重要因素，通过改变焊点形态可以显著提高其可靠性。基于此，本文主要对倒装芯片封装工艺中焊点可靠性进行分析探讨。

关键词：倒装芯片；封装工艺；焊点可靠性

前言

近年来，随着集成电路技术的飞速发展和应用前景的日益广阔，对集成电路的封装也提出了更高的要求，以满足集成电路向小型化、高速化、大功率、多引脚、高密度、高可靠发展的需要。同时封装成本在整个集成电路总成本中所占比例越来越高，有的甚至超过50％。这就促使了封装研究在全球范围迅猛发展，特别是倒装芯片封装的出现更是使封装可能产生质的飞越。其面临的机遇和挑战也是不言而喻的。

1、集成电路封装的作用

集成电路封装的目的，在于保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为之提供一个良好的工作条件，以使集成电路具有稳定的、正常的功能。其作用概括起来主要有以下几点：

1．封装对集成电路起机械支撑和机械保护作用

2．封装对集成电路起着传输信号和分配电源的作用；

3．封装对集成电路起着热耗散的作用；

4．封装对集成电路起着对外界力的保护作用，外界力包括震动、机械外：

5．水汽的渗透和化学腐蚀等。

2、封装失效分析技术

科学地对微电子器件封装进行失效机理分析对于理解和改进封装工艺方面巨大的意义。对失效的封装进行彻底的、正规的分析，并采取适当的改进措施可以大大提高生产力、成品率和封装质量。通常在发现器件失效后，并不容易接找到真正引起失效的原因或机理。除了封装模块的开裂之外，其它失效都发生在模块之内。所以，要了解器件失效的真正原因，必须有相应的分析手段。目前，对封装进行失效分析主要有两种手段，一种是实验分析方法，即利用各种专用设备和检测方法对失效封装实物进行检测与分析；另一种则利用有限元方法，对封装在各种使用条件下进行数值模拟，找出可能导致封装失效的因素二者各具优势，互为补充。进行失效分析的实验方法一般可分为无损检测和开封检测二种。

无损检测是借助于光、电、声等方法，在不破坏器件结构的条件下，寻找器件失效的原因。开封检测则是首先打开器件的封装部分，再借助仪器设备对失效原因进行检测。常用的非破坏性分析设备有：X射线显微术、C模式扫描超声显微镜(CSAM)、光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)。一些高分子表征手段使用也十分广泛，如DSC、TMA、TGA、DMA及流变分析等，这些设备可以帮助了解和掌握高分子材料的热性能、机械(力学)性能和流变性能，对于工艺条件的改进很有帮助的。但当封装内部缺陷尺度小于1微米时，就达到了这些技术的分辨率极限。许多情况下，需要打开包封体以检测封装内部的缺陷。开封方法包括化学(硫腐蚀)、机械和等离子体刻蚀等。另一种常见的分析方法是剖面分析方法，即将封装模块进行切割，观察其面情况。选择合理的切割位置和剖面制备的方法，采用带锯、轮锯等金刚石工进行切割，然后用研磨、抛光等方法，对截面进行进一步的加工，以使表面更观察。制备完成的样品可以在光学显微镜、电子显微镜等下面进行进一步的观察和分析，以获取更多的信息。但是，剖面制备过程中，也可能破坏原有的器件结构，使某些失效信息丢失，因此，在进行剖面分析之前，要进行全面的考虑，定完整的分析方案。随着有限元仿真技术的发展，通过有限元法能够对封装可靠性中的许多复的物理问题进行仿真分析，不仅能够达到相当的精度并且能有效地节约实验时间。目前已经成为封装设计与失效分析的关键技术。

3、无铅焊点的可靠性研究现状

在微电子封装产业中，为提高集成度，减小器件的尺寸，广泛采用SMT组装技术、新型的芯片尺寸封装(CSP)、球栅阵列(BGA)及MCM等封装技术，均通过焊点互连直接实现异质材料间电气及机械连接，因此，如何保证焊点的质量是一个重要问题，它的质量与可靠性很大程度决定了电子产品的质量。所以通常所说的电子封装的可靠性研究，大都是针对焊点来讨论的。焊点内部的热应力是使焊点失效的本质之一，在应变不协调处产生应力集中，导致裂纹萌生和扩展，应力越高，应变越大，裂纹萌生和扩展的可能性越大。焊点最常见的破坏大都由于热循环造成。元件在使用时，芯片会发热，热量透过封装传导到焊点，使焊点温度上升，由于封装与基板间的热膨胀系数不同，当温度变化时，封装体会产生翘曲，焊点介于中间，会因应力而产生变形；当停止使用时，温度降回到室温，形成与使用时相反的应力，结果使得焊点随着一次次的使用而产生形变，接着产生裂纹、扩展，形成断裂面，使焊点电阻值提高，讯号无法通过焊点而传递，致使元件失效。

要研究焊点的失效机制，无铅钎料的本构方程的建立是头等重要的，因为本构方程描述的是焊点材料在载荷下应力应变关系，国外的学者目前对无铅钎料的本构方程相对的研究比较多，通常采用两种本构方程来描述焊点材料的应力应变行为，一种是Anand统一粘塑性本构方程，另一种是塑性变形和蠕变变形相分离的Garofalo弹塑性蠕变本构方程。目前国内在这方面的研究很少，陈旭、王国忠等人通过对铸态无铅体钎料在一定的温度范围内进行不同的恒应变速率下拉伸实验，获得应力应变数据，分别确定了Sn3．5Ag统一型Anand粘塑性本构方程，认为Anand方程能够很好的描述无铅焊点的粘塑性行为。SMT焊点可靠性依赖于包括焊点外观几何形态在内的诸多因素，如焊点的内部质量、材料的匹配性、焊接材料的力学性能、焊点的热机械加载条件等。其中焊点的几何形态是影响SMT焊点可靠性的重要因素。对于无铅钎料焊点三维形态预测国内外大量的研究主要根据最小能量原理和有限元方法，研究表明：焊点可靠性与焊点的实际形态和应力分布状态有着对应关系，对焊点形态和力学行为进行研究可以揭示它们之间的相互关系，达到预测和控制焊点形态并进行优化设计的目的。

焊点内部空洞缺陷也是影响可靠性的重要因素，其形成的主要原因是由加热期间焊锡中夹住的空气或助焊剂等化合物的膨胀所引起的。空洞是互连焊点在回流焊接中，常见的一种缺陷，尤其在BOA和CSP等元器件上的表现尤为突出。在无铅焊接中，空洞仍然是一个必需关注的问题，这是因为在熔融状态下，表面张力的增加，势必会使气体在冷却阶段的外溢更加困难，使得空洞比例增加。这一点在无铅锡膏的研发过程中得到证实，部分专家研究了热循环加载条空洞对EBGA焊点可靠性的影响，并通过非线性有限元分析方法分析不同位置和不同大小的空洞对焊点应力、应变和可靠性的影响，为制定科学的焊点空洞接收标准提供依据。一个完整的微电子组装焊点系统包括钎料、焊盘及联系二者之间的界面金属间化合物(IMC)层，从软钎焊冶金学角度来讲，正是钎料与焊盘之间形成界面金属间化合物层，实现了软钎焊的连接，一般说来，钎料和基体反应形成的金属间化合物能增加钎料对基体的润湿，但由于IMC的本征脆性，随着金属间化合物的厚增加，焊点的力学性能急剧下降，导致焊点提前失效。

参考文献： [1]王来，何大鹏，于大全．倒装芯片中凸点与凸点下金属层反应的研究现状。电子产品可靠性与环境试验2008年12月增刊

[2]盛重，薛松柏，张亮，皋利利．基于蠕变模型倒装芯片焊点疲劳寿命预测。机械设计与研究2008年06月第21卷第3期