倒裝焊陶瓷封裝失效模式分析及失效機(jī)理研究

任春嶺，高娜燕，丁榮崢

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)引線鍵合技術(shù)已經(jīng)無法滿足電路多功能、小型化、輕量化、高性能、低功耗和低成本等要求，倒裝焊技術(shù)滿足了這些要求，并越來越廣泛地應(yīng)用在IC封裝中。近年來，關(guān)于倒裝焊失效的研究文獻(xiàn)報(bào)道較多，特別是有機(jī)基板倒裝焊互連失效的較多。陶瓷基板倒裝焊失效研究鮮有報(bào)道，展開陶瓷倒裝焊的失效機(jī)理研究對(duì)工程應(yīng)用具有很重要的指導(dǎo)意義。

倒裝焊失效機(jī)理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過程。該過程是應(yīng)力、粘接材料分解等共同作用在部件上引起損傷，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。本質(zhì)上，它是上面介紹的模型中的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)致的。為了開發(fā)陶瓷倒裝焊封裝產(chǎn)品，必須研究封裝產(chǎn)品潛在的失效機(jī)理。如果能用模型來量化描述相關(guān)失效模式，就可以促進(jìn)產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)、材料、工藝以及可靠性設(shè)計(jì)等的優(yōu)化，從而使倒裝焊產(chǎn)品能滿足產(chǎn)品特定的可靠性要求。因此，研究倒裝焊互連系統(tǒng)在生命周期過程中所受應(yīng)力所激發(fā)的各種失效機(jī)理是很有必要的。本文介紹了各種倒裝焊封裝失效模式，并對(duì)陶瓷倒裝焊封裝的失效機(jī)理進(jìn)行了研究分析。

2 倒裝焊封裝失效

倒裝焊封裝可靠性是近年來封裝研究的重點(diǎn)之一，分析其失效原因?qū)τ诮鉀Q可靠性具有很重要的意義。常見的失效模式主要有以下幾種：焊點(diǎn)熱疲勞失效、機(jī)械應(yīng)力致互連撕裂失效、填充膠分層開裂失效、化學(xué)腐蝕失效、電遷移失效等。倒裝焊的失效模式多種多樣，失效形式是一種或幾種共同作用，主要的還是幾種因素共同作用的結(jié)果。電路失效的過程一般是幾種失效模式存在并相互影響。當(dāng)然失效還跟基板材料、基板及芯片尺寸，凸點(diǎn)材料及結(jié)構(gòu)和尺寸、基板焊盤材料及其與基板黏附、底部填充料等有關(guān)。

2.1 焊點(diǎn)疲勞損傷

倒裝焊封裝是將芯片凸點(diǎn)直接與基板焊盤焊接，會(huì)受到熱應(yīng)力的影響而導(dǎo)致熱疲勞，甚至產(chǎn)生失效。對(duì)于有機(jī)基板，由于硅的膨脹系數(shù)比PCB基板熱膨脹系數(shù)小很多，在每個(gè)熱循環(huán)階段，PCB基板將以比硅更高的速率擴(kuò)展并收縮。在熱循環(huán)期間發(fā)生變形時(shí)，焊接材料諸如倒裝焊的焊料凸點(diǎn)將經(jīng)歷加工硬化和加工蛻化過程。通過集中應(yīng)力，極低的凸點(diǎn)高度（25μm ～100μm）加重了這一問題，造成早期失效[1]，參見圖1。在倒裝焊芯片和有機(jī)基板之間加入填充物，使互連耐溫度變化的可靠性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。主要是經(jīng)過硬化的下填充物把硅芯片和基板固定在一起，填充料在硅芯片表面和基板表面形成一個(gè)約束力，限制了互連凸點(diǎn)熱脹冷縮時(shí)的相對(duì)移動(dòng)和承受的應(yīng)變應(yīng)力強(qiáng)度，熱脹冷縮時(shí)的示意圖如圖2所示。而陶瓷基板與芯片的熱膨脹系數(shù)相差不大，其主要應(yīng)力是凸點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)不同造成的熱應(yīng)力，在芯片和基板之間添加填充料會(huì)大大提高倒裝焊封裝電路的使用壽命。

芯片倒裝焊連接可靠性面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題是芯片和基板之間的熱膨脹系數(shù)不一致，在溫度循環(huán)加載下，焊點(diǎn)承受周期性的剪切應(yīng)力應(yīng)變，引起焊點(diǎn)很大的塑性變形，最終萌生裂紋并導(dǎo)致焊點(diǎn)的疲勞失效。關(guān)于溫度循環(huán)加載下倒裝芯片連接器件焊點(diǎn)的失效機(jī)理，目前文獻(xiàn)討論中還沒有統(tǒng)一的說法，但主要集中到兩種觀點(diǎn)：一是認(rèn)為對(duì)于大多數(shù)倒裝芯片連接器件，芯片與芯片底部填料界面分層往往先于焊點(diǎn)疲勞而斷裂，而芯片和底部填料界面的分層是導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的主要原因。然而，又有文獻(xiàn)指出在底部填料的粘合性很強(qiáng)時(shí)，在焊點(diǎn)失效前沒有發(fā)現(xiàn)膠的分層現(xiàn)象。焊點(diǎn)失效是由于溫度循環(huán)加載產(chǎn)生的焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)以及焊點(diǎn)蠕變疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。未填充電路在溫度循環(huán)中凸點(diǎn)疲勞裂紋失效如圖3所示，填充后電路在熱循環(huán)中的疲勞裂紋失效如圖4所示。

2.2 底部填充膠分層開裂失效

底部填充膠分層開裂失效主要發(fā)生在塑性基板上，而陶瓷基板很少出現(xiàn)此類情況，主要原因是塑性基板與芯片的膨脹系數(shù)相差比較大，而低溫陶瓷基板與芯片的膨脹系數(shù)相近，在經(jīng)受冷熱變化時(shí)，芯片和塑性基板更容易產(chǎn)生熱膨脹失配，導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生很大的周期性塑性應(yīng)力應(yīng)變，裂縫萌生并擴(kuò)展，使焊點(diǎn)發(fā)生疲勞失效。為了減小這種失效，在縫隙之間加入填充膠，可以提高焊點(diǎn)壽命10～100倍，尤其對(duì)凸點(diǎn)高度大、芯片及封裝尺寸大的電路尤為明顯[3]。

2.3 電遷移失效

電遷移主要是指互連金屬或焊點(diǎn)在電流（應(yīng)力）作用下，原子或離子隨電子遷移而導(dǎo)致的成分偏析。電遷移是金屬原子在高電流密度作用下產(chǎn)生的一種物質(zhì)沿電子流方向擴(kuò)散的現(xiàn)象。當(dāng)凸點(diǎn)及其界面處的局部電流密度超過電遷移門檻值時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的電子流形成的電子風(fēng)與金屬原子發(fā)生劇烈碰撞，進(jìn)行部分的沖量交換，迫使原子沿著電子流方向運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)生凸點(diǎn)互連的電遷移。凸點(diǎn)互連電遷移的發(fā)生使得印記因原子的遷出而產(chǎn)生微空洞，互連面積減小，電流密度提高，可能導(dǎo)致斷路；陽極則因原子的遷入而形成凸起的“小丘”，導(dǎo)致短路[3]。影響凸點(diǎn)互連電遷移的因素較多，外部因素主要有溫度、電流密度、尺寸等，而材料因素則有擴(kuò)散阻擋層的成分與厚度以及金屬間化合物（IMC）等[4]。如當(dāng)凸點(diǎn)的直徑減小到Φ50 μm時(shí)，凸點(diǎn)中的電流密度就會(huì)達(dá)到甚至超過104A·cm-2，容易發(fā)生電遷移現(xiàn)象。

倒裝芯片互連焊點(diǎn)的電遷移與引線鍵合互連的電遷移有諸多不同，主要有：

（1）倒裝芯片焊點(diǎn)中的擴(kuò)散主要是晶格擴(kuò)散，而互連引線中的擴(kuò)散主要是晶格擴(kuò)散（如鋁導(dǎo)線）或表面擴(kuò)散（如銅導(dǎo)線）；

（2）雖然倒裝芯片焊點(diǎn)的電流密度（通常小于104A·cm-2）比互連引線中的電流密度低，但由于其熔點(diǎn)相對(duì)金屬引線而言低許多，即使在一般工作溫度下，焊料中的原子擴(kuò)散率仍然很高，這同樣也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電遷移問題；

（3）倒裝芯片焊點(diǎn)和互連引線的成分不同，焊點(diǎn)一般由兩種或兩種以上元素的合金焊料組成，而互連引線主要只有一種主體元素（鋁或銅），因此互連引線只考慮一種元素對(duì)電遷移的影響，而對(duì)于倒裝芯片互連焊料的電遷移則要考慮每種主要元素對(duì)電遷移的影響；

（4）由于倒裝芯片焊點(diǎn)是從導(dǎo)線到凸點(diǎn)的突變結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流從導(dǎo)線進(jìn)入凸點(diǎn)或從凸點(diǎn)進(jìn)入導(dǎo)線時(shí)，電流密度都會(huì)發(fā)生很大改變，在導(dǎo)線和凸點(diǎn)的接觸處很容易產(chǎn)生電流擁擠效應(yīng)；

（5）大部分焊料是共晶合金，焊料中的化學(xué)勢梯度和成分無關(guān)，由電遷移引起的成分再分布不會(huì)產(chǎn)生與電遷移相反的作用力等[5]。

2.4 腐蝕失效

腐蝕失效主要是受外界物質(zhì)腐蝕造成的，其中未填充的電路，焊點(diǎn)直接與空氣接觸，會(huì)與空氣中的水汽以及有害氣體等直接接觸，造成焊點(diǎn)的腐蝕。而填充膠后的電路是水汽通過底層膠滲透到內(nèi)部，然后與焊料反應(yīng)造成腐蝕，以及填充膠中的Cl-等在填充膠吸濕后也會(huì)對(duì)焊料凸點(diǎn)造成腐蝕，從而造成失效。而氣密性封裝很少出現(xiàn)該情況，如果所使用的底部填充劑是中性的，離子含量低（≤50×10-6）、封裝過程又不引入離子沾污，均不會(huì)出現(xiàn)腐蝕失效。

2.5 機(jī)械應(yīng)力失效

在溫度循環(huán)或熱沖擊時(shí)，芯片和基板就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。基板收縮比較嚴(yán)重，將使芯片受到向內(nèi)的拉應(yīng)力，而且由于這種拉應(yīng)力偏離元件中心面，因而造成彎曲應(yīng)力，致使芯片和基板彎曲（見圖5），可能導(dǎo)致芯片上表面的中心或在靠下角處開裂。隨著應(yīng)力的加大，裂紋會(huì)沿著裂縫開裂，直到裂紋延伸到芯片內(nèi)部，導(dǎo)致電路失效。

有機(jī)基板的楊氏模量?。ㄔ?0 MPa ～27MPa之間），比較容易產(chǎn)生該類型失效，氧化鋁HTCC陶瓷基板楊氏模量大（≥400MPa），不容易出現(xiàn)基板變形，在芯片厚度足夠時(shí)，常出現(xiàn)芯片與基板互連失效，或芯片較薄則形成“爆米花”式開裂失效。在倒裝焊陶瓷封裝設(shè)計(jì)時(shí)可避免此類情況，因而在生產(chǎn)中均不會(huì)遇到該類型失效。

3 陶瓷基板倒裝焊失效機(jī)理分析

3.1 試驗(yàn)樣品材料及樣品制備

基板材料為氧化鋁陶瓷（CTE～7.0×10-6℃-1），芯片凸點(diǎn)材料為SnAg2.5，陶瓷基板上的焊盤表層為鍍鎳及薄金（通常≤0.1 μm），鍍金的目的是為了防止鎳氧化而嚴(yán)重影響凸點(diǎn)焊接。鍍鎳層在回流后是直接與凸點(diǎn)焊料進(jìn)行組裝連接的，起到阻擋層的作用。芯片倒裝進(jìn)行回流，回流峰值溫度范圍在250℃～260℃，回流后對(duì)樣品進(jìn)行清洗、烘干并進(jìn)行底部填充。組裝填充后的樣品如圖6所示。

3.2 溫度循環(huán)試驗(yàn)

利用超聲顯微鏡剔除帶有工藝缺陷（如超過工藝規(guī)范的氣泡等）的，選3只做試驗(yàn)樣品。對(duì)3只樣品進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。

溫度循環(huán)試驗(yàn)條件為：-65℃～+150℃，從高溫到低溫或從低溫到高溫的總轉(zhuǎn)換時(shí)間不得超過1min，高低溫中的保溫時(shí)間不得少于10min，負(fù)載應(yīng)在15min內(nèi)達(dá)到規(guī)定的溫度。試驗(yàn)時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行互連電阻監(jiān)測，直到發(fā)現(xiàn)有樣品互連電阻顯著增大則表現(xiàn)為互連失效。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及失效機(jī)理分析

失效樣品在溫度循環(huán)進(jìn)行到300次時(shí)出現(xiàn)。對(duì)該樣品進(jìn)行剖面分析，高倍顯微鏡下觀察如圖7所示。

由圖7可知，失效開裂部位主要發(fā)生在UBM和凸點(diǎn)界面之間以及UBM與芯片焊盤界面之間。凸點(diǎn)與UBM界面之間裂紋的出現(xiàn)主要是沿著有金屬間化合物生成的區(qū)域。凸點(diǎn)與芯片間有裂紋出現(xiàn)，而凸點(diǎn)和基板之間結(jié)合良好，底部填充膠與芯片、基板的界面都未發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖8中為凸點(diǎn)截面局部放大圖，凸點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由UBM和凸點(diǎn)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，電路中的凸點(diǎn)高度在55 μm左右，而凸點(diǎn)在沒有組裝前高度為80 μm，凸點(diǎn)組裝回流后塌陷高度在25 μm左右。在圖8中發(fā)現(xiàn)，凸點(diǎn)焊料中明顯有一條橫向裂紋，該裂紋是導(dǎo)致互連失效的主要原因，可以推測焊料疲勞失效發(fā)生在UBM和凸點(diǎn)界面之間的區(qū)域。該類連接失效是由于在焊料/UBM界面附近不同種類粗化帶引起的裂紋形成和積累?？梢杂^察到，裂紋在焊料連接的邊界形成，集中在連接的界面附近。焊料連接的表面在溫度循環(huán)后仍比較光滑，表示失效破壞主要位于金屬間化合物硬脆相生成附近。

圖10中的a、b、c點(diǎn)分別為UBM層、凸點(diǎn)焊料、凸點(diǎn)焊盤界面和裂紋處的成分分析，其中a的主要成分為Ni和Cu兩種，Cu和Ni是起到阻擋層的作用，防止凸點(diǎn)的SnAg擴(kuò)散到UBM層內(nèi)而生成金屬間化合物。b的主要成分為Sn和Ni。c處為裂紋的發(fā)生處。

由圖10可知，凸點(diǎn)裂紋萌發(fā)處的成分主要是Sn、Ni和Cu，失效主要發(fā)生在焊料中UBM和凸點(diǎn)界面處，并且有一條裂紋帶，它是導(dǎo)致凸點(diǎn)失效的主要原因。裂紋的起始和傳播是貫穿UBM和凸點(diǎn)焊料所生成的金屬間化合物界面。SnAg2.5凸點(diǎn)的失效模式為熱疲勞失效產(chǎn)生裂紋，熱疲勞裂縫起始和貫穿于金屬化合物和金屬化合物/焊料凸點(diǎn)界面。隨溫度循環(huán)應(yīng)力持續(xù)進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)展直至互連失效。

改善清洗工藝、減少助焊劑的殘留以及清除清洗中對(duì)芯片凸點(diǎn)的損傷，對(duì)后續(xù)的底部填充工藝均有很大的幫助。底部填充主要是填充材料的膨脹系數(shù)需要與芯片和陶瓷基板相匹配，以及填充固化后殘余應(yīng)力要盡可能小，減小焊點(diǎn)Z方向應(yīng)力等。

采用優(yōu)化的倒裝焊陶瓷封裝工藝，組裝3批電路（倒裝焊芯片面積5 mm×5mm，陶瓷外殼尺寸20 mm×20mm，厚度1.2mm），溫度循環(huán)-65℃～+150℃，可以達(dá)到500次循環(huán)不失效。

4 結(jié)論

倒裝焊失效模式主要有焊點(diǎn)疲勞失效、填充膠分層開裂失效、電遷移失效、腐蝕失效和機(jī)械應(yīng)力失效等，與焊料凸點(diǎn)、基板材料、有無填充膠、填充膠材料等相關(guān)，并且與工藝的控制也有關(guān)。陶瓷封裝倒裝焊底部填充前對(duì)助焊劑殘留的清洗是影響電路可靠性的關(guān)鍵因素之一，清洗劑的選擇及清洗方式的選擇也是影響質(zhì)量的關(guān)鍵因素；增加底部填充工藝可以提高電路的可靠性，使用不同基板材料，要考慮選用不同的底部填充膠，其中流動(dòng)性及熱膨脹系數(shù)的匹配是后續(xù)產(chǎn)品可靠性的有利保障條件。經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)，倒裝焊陶瓷基板封裝電路失效機(jī)理主要有UBM層與焊料凸點(diǎn)的界面處出現(xiàn)裂紋失效和UBM層與芯片鋁焊盤之間的開裂失效。

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