系統(tǒng)級(jí)封裝中焊點(diǎn)失效分析技術(shù)

潘書山，陳　穎，季　斌

（駐三樂電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司軍事代表室，南京210016）

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系統(tǒng)級(jí)封裝中焊點(diǎn)失效分析技術(shù)

潘書山，陳穎，季斌

（駐三樂電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司軍事代表室，南京210016）

摘要：針對(duì)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）結(jié)構(gòu)中的互連可靠性檢測(cè)，提出了疊層封裝中焊點(diǎn)失效分析的原則和程序。對(duì)采用3D X-ray和金相技術(shù)的焊點(diǎn)缺陷分析方法進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了3D X-ray分析復(fù)雜SiP封裝焊點(diǎn)和互連缺陷的可行性。討論了失效的模式和失效機(jī)理，并從設(shè)計(jì)和工藝角度提出降低各種失效機(jī)理的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)級(jí)封裝；失效分析；焊點(diǎn)；缺陷；X光；金相分析

1　引言

系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）是將多個(gè)具有不同功能的有源芯片、無源器件、MEMS器件、光學(xué)器件等組裝成一個(gè)多功能的標(biāo)準(zhǔn)封裝體，并形成系統(tǒng)或子系統(tǒng)[1,2]的封裝方式，如圖1所示。SiP產(chǎn)品具有設(shè)計(jì)靈活、上市周期短、工藝兼容性好、研發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，引起了業(yè)界制造商以及學(xué)術(shù)界的高度重視，成為彌補(bǔ)多芯片模塊(MCM)和系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)封裝的一種理想可行的封裝技術(shù)。

當(dāng)系統(tǒng)級(jí)封裝向著更小、更輕、功能更強(qiáng)大的方向發(fā)展時(shí)，越來越多的芯片集成到封裝體中，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配過程提出了更高的要求，而日趨復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也為失效分析帶來了更大的難度[3,4]。SiP產(chǎn)品復(fù)雜的結(jié)構(gòu)常常限制了部分分析儀器的應(yīng)用，如何利用有效分析手段確定失效誘因，對(duì)設(shè)計(jì)工藝、操作方法、加工環(huán)境等方面提出糾正措施，就要求充分了解SiP封裝系統(tǒng)內(nèi)部芯片、互連失效的可能因素。

本文針對(duì)SiP疊層封裝結(jié)構(gòu)中的互連可靠性檢測(cè)，分析了系統(tǒng)級(jí)封裝中焊點(diǎn)失效分析的難點(diǎn)，制定了失效分析的原則和程序，采用3D X-ray和金相技術(shù)分析了焊點(diǎn)的缺陷，并對(duì)這兩種分析技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了3D X-ray分析復(fù)雜SiP封裝焊點(diǎn)和互連缺陷的可行性，討論了失效模式和失效機(jī)理，并從設(shè)計(jì)和工藝角度提出降低各種失效機(jī)理的改進(jìn)措施，作為SiP組件可靠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的參考。

圖1　系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）示意圖

2　 SiP封裝中焊點(diǎn)失效分析的難點(diǎn)

如圖1所示，系統(tǒng)級(jí)封裝中BGA焊球是SiP與PCB載板之間的重要接口，隨著系統(tǒng)級(jí)封裝集成度、I/O接口數(shù)量和密度越來越高，系統(tǒng)級(jí)封裝以及與PCB基板的互連可靠性面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。目前影響SiP與PCB焊點(diǎn)互連可靠性的因素有以下幾點(diǎn)。

2.1高密度布線的影響

目前高密度集成的SiP的I/O接口數(shù)量在幾百到幾千的數(shù)量級(jí)，PCB板的布線需要極其微小的特征尺寸，要求幾十微米量級(jí)的線寬和通孔焊盤直徑，4～8層的互連金屬層。微通孔基板技術(shù)在印刷電路板行業(yè)中扮演著越來越重要的角色，同時(shí)高密度互連封裝對(duì)基板的平整度提出很高要求，要求0.65 mm厚的基板每英寸的翹曲在5～10 μm之內(nèi)?；迓N曲對(duì)于焊點(diǎn)的互連有著至關(guān)重要的影響。

2.2復(fù)雜機(jī)械應(yīng)力的影響

由于SiP集成了不同工藝、功能的芯片和器件，不同元器件在熱處理過程中CTE（熱膨脹系數(shù)）的不同將導(dǎo)致SiP的熱機(jī)械應(yīng)力可靠性問題。這些熱機(jī)械應(yīng)變將導(dǎo)致焊點(diǎn)的低周疲勞失效、焊料凸點(diǎn)的分層以及封裝系統(tǒng)的開裂，從而導(dǎo)致封裝體的失效。使用底部填充料可以有效減少焊料凸點(diǎn)處的熱應(yīng)力，提高可靠性，然而未來的互連更窄，間隙更小，使得底部填充料的分配愈發(fā)復(fù)雜。

2.3低k（介電常數(shù)）介質(zhì)材料對(duì)銅的低吸附問題

高頻SiP系統(tǒng)中常使用LCP、BCB等低k材料，具有良好的微波傳輸特性，具有低損耗、介電常數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。然而與SiO2相比，低k材料更軟，容易延展，與其他物質(zhì)粘附能力較弱，容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，從而影響封裝內(nèi)部以及與基板之間互連的可靠性。

在這些因素的影響下，系統(tǒng)級(jí)封裝中焊點(diǎn)失效分析比單芯片倒裝時(shí)焊點(diǎn)數(shù)量規(guī)模更大，焊點(diǎn)失效分析相比更復(fù)雜。SiP各類新材料的引入引發(fā)的各種新的可靠性問題，特別是目前受到廣泛重視的新的、越來越復(fù)雜與多樣化的界面以及新的力學(xué)特性，必然引入新的失效機(jī)理與失效模式，失效分析技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作很重要。隨著電子產(chǎn)品向小型化、輕量化和多功能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的失效分析方法不能適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的需要，失效分析技術(shù)必須向高空間分辨率、高靈敏度和高頻率的方向發(fā)展，需要采用先進(jìn)的儀器進(jìn)行分析。

3　 SiP封裝焊點(diǎn)失效分析方法

3.1 SiP焊點(diǎn)失效分析流程

失效分析的原則是先調(diào)查了解與失效有關(guān)的情況（線路、應(yīng)力、失效現(xiàn)象等），后分析失效元器件；先進(jìn)行外部分析，后進(jìn)行內(nèi)部分析；先進(jìn)行非破壞性分析，后進(jìn)行破壞性分析，具體失效分析流程如圖2所示。失效分析流程中最關(guān)鍵的3步分別為電測(cè)、缺陷定位和物理分析。

3.1.1電測(cè)

電子元器件失效分析的電測(cè)指對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的連接性、電參數(shù)和功能進(jìn)行測(cè)試，以初步確定其失效缺陷。連接性測(cè)試用以確定失效模式，比如開路、短路、漏電以及電阻值變化等。電參數(shù)測(cè)試主要用于封裝系統(tǒng)具體指標(biāo)測(cè)試，包括指標(biāo)一致性等。電參數(shù)失效的主要表現(xiàn)形式有參數(shù)不穩(wěn)定和數(shù)值超出規(guī)定范圍等。功能測(cè)試主要用于集成電路，通過在元器件輸入端加載信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)。

3.1.2缺陷定位

電測(cè)之后基本發(fā)現(xiàn)了被測(cè)器件的缺陷，要采用相關(guān)手段進(jìn)行缺陷或故障定位。首先采用無破壞性的定位手段進(jìn)行失效器件的缺陷診斷，即先保持封裝完整。3D X-ray缺陷檢測(cè)技術(shù)、同步熱發(fā)射(LIT)分析技術(shù)和磁顯微缺陷定位技術(shù)適用于3D SiP封裝結(jié)構(gòu)的非破壞性缺陷檢測(cè)及定位。而光發(fā)射顯微術(shù)(PEM)、液晶熱點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)等都是常用的破壞性缺陷檢測(cè)技術(shù)，因其需要開封器件。

3.1.3物理分析

物理分析指的是破壞性的內(nèi)部分析，包括開封、去層、FIB（聚焦式離子束顯微鏡）制樣等。引起失效的缺陷常常存在于表面和界面，在此情況下電介質(zhì)和金屬連線必須去除。為了確定失效機(jī)理通常需要對(duì)缺陷位置進(jìn)行截面分析，F(xiàn)IB缺陷分析技術(shù)是常用的技術(shù)。

圖2　系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）失效分析流程圖

3.2 SiP焊點(diǎn)失效分析方法

對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行失效分析，需采用一些先進(jìn)的分析測(cè)試技術(shù)和儀器。不同的失效分析技術(shù)有不同的目的和適用范圍，熟悉并熟練運(yùn)用各種分析技術(shù)是失效分析人員必備的條件。

（1）實(shí)體顯微鏡、旋轉(zhuǎn)式光學(xué)顯微鏡、金相顯微鏡可直接用來進(jìn)行檢查分析，是非破壞性的失效分析方法。各種顯微鏡的使用范圍和使用場(chǎng)合各不相同。實(shí)體顯微鏡放大倍數(shù)為10～60倍，通過目鏡直接觀察物體，如焊點(diǎn)的潤濕及熔融狀況，染色實(shí)驗(yàn)的焊點(diǎn)斷裂狀況?？尚D(zhuǎn)式光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)為50～400倍，能進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，從物體的側(cè)面觀察，并可以通過軟件保存觀察到的圖像。金相顯微鏡的放大倍率為50×，100×，200×，500×，1 000×，能通過軟件保存觀察到的圖像，最主要用于微切片的觀察和分析，如焊點(diǎn)的潤濕狀況，焊點(diǎn)的IMC層厚度的測(cè)量，焊點(diǎn)中的氣泡狀況，焊點(diǎn)錫裂情形。一般來說，把這3種顯微鏡結(jié)合使用可以對(duì)焊點(diǎn)的潤濕角、失效部位、焊點(diǎn)表面顏色進(jìn)行失效定位和失效模式初判。

（2）X-ray檢測(cè)采用穿透式非破壞性檢測(cè)原理，即由于物體由不同元素構(gòu)成以及其密度和厚度存在差異，造成對(duì)X光的吸收率和透射率不同，待檢測(cè)物體經(jīng)X射線穿透后，高感光儀器可以將到達(dá)感光層的X光轉(zhuǎn)換成可見光，并利用CCD成像，成為可供分析的灰階影像。所有的X-ray檢查系統(tǒng)根據(jù)成像空間分為2D（二維）、3D（三維）檢查系統(tǒng)。X射線透視儀一般用于檢測(cè)電子元器件及多層印制電路板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)引線開路或短路、粘接缺陷、焊點(diǎn)缺陷、封裝裂紋、空洞、橋連、立碑等缺陷。在失效分析中，經(jīng)常用它進(jìn)行失效定位和失效模式的判定。

（3）金相切片分析是一種破壞性的物理分析方法，也是檢驗(yàn)和分析焊點(diǎn)焊接質(zhì)量的一種重要方法。金相試樣一般要經(jīng)過取樣、鑲嵌、切片、磨制、拋光、腐蝕、觀察的過程。焊點(diǎn)在不同深度水平上切割，可以獲得整個(gè)焊點(diǎn)截面上的成分分布。焊點(diǎn)也可以根據(jù)需要在任何不同的角度切割，以便暴露特殊焊點(diǎn)的細(xì)節(jié)。因此，經(jīng)過金相切片分析可以獲得焊點(diǎn)界面結(jié)構(gòu)信息和觀察焊點(diǎn)的焊接狀態(tài)。

（4）掃描電子顯微鏡( SEM)及X射線能譜儀(EDS)隨著組裝工藝的更新發(fā)展，新的材料在組裝工藝中的使用，微結(jié)構(gòu)觀察和金屬合金分析是考察組裝可靠度不可缺少的方法。然而普通的光學(xué)顯微鏡受到景深、分辨率、放大倍數(shù)、觀察角等條件的限制已經(jīng)不能滿足上述工作的需要，掃描電子顯微鏡扮演了重要的角色。掃描電子顯微鏡的基本原理是：由陰極所發(fā)射的電子束經(jīng)陽極加速，由磁透射鏡匯聚后形成一束直徑為幾百納米的電子束流，這束高能電子束轟擊到樣品表面上會(huì)激發(fā)出各種信息，這些激發(fā)出來的信息分別經(jīng)收集、放大，就能從顯示屏上得到相應(yīng)的圖像。如最常用作形貌觀察的二次電子像（SE），可反映化學(xué)成分分布差異的背散射電子像（BS），反映半導(dǎo)體芯片表面電位高低及分布的電壓襯度像（VC）等。掃描電子顯微鏡在失效分析中主要用于失效定位和缺陷分析。對(duì)于焊點(diǎn)的失效分析來說，可以用它進(jìn)行焊點(diǎn)金相組織觀察、金屬間化合物與錫須觀察、可焊性鍍層分析等。此外，掃描電子顯微鏡都配有X射線能譜儀（EDS），用來將樣品發(fā)出的特征X射線進(jìn)行化學(xué)成分分析。通過EDS獲得的X射線圖譜，在評(píng)定焊點(diǎn)成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)特別有用，此外也可以進(jìn)行可焊性不良的焊盤與引腳表面污染物的元素分析。

4　 SiP封裝堆疊焊點(diǎn)失效現(xiàn)象

焊點(diǎn)可靠性影響到器件的整體可靠性，焊點(diǎn)失效將造成整個(gè)器件失效。SiP器件傾向于應(yīng)用復(fù)雜的封裝結(jié)構(gòu)，如多層裸芯片堆疊封裝、封裝堆疊(PoP，如圖3所示)等，這些新型封裝不僅增加了大量的焊點(diǎn)，而且對(duì)焊點(diǎn)的要求比簡單封裝更加嚴(yán)格。這些變化無疑都加大了焊點(diǎn)失效的幾率，也使得SiP器件的焊點(diǎn)檢測(cè)更有必要。封裝堆疊常見的失效模式除了封裝體翹曲外，焊點(diǎn)失效也是PoP器件的典型失效模式，有焊點(diǎn)開裂、漏焊、空洞、橋連、潤濕不良等。

圖3　封裝疊層（Package on Package，PoP）

采用無破壞性的定位手段進(jìn)行失效器件的缺陷診斷，無需打開或移除封裝。除了圖2提及的3種先進(jìn)的無損技術(shù)，3D X-ray缺陷檢測(cè)技術(shù)、同步熱發(fā)射(LIT)分析技術(shù)和磁顯微缺陷定位技術(shù)適用于3D SiP封裝結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)及定位。無破壞性內(nèi)部分析常用的技術(shù)還包括(2D)X-ray檢測(cè)、發(fā)射式聲學(xué)掃描(C-SAM)。其中C-SAM是檢測(cè)塑封器件是否有分層、裂紋及空洞的有效手段。

本文針對(duì)3D X-ray缺陷定位技術(shù)在3D SiP缺陷檢測(cè)方面的應(yīng)用，對(duì)檢測(cè)結(jié)果中兩種典型的焊點(diǎn)缺陷空洞和枕頭效應(yīng)進(jìn)行分析。

4.1 PoP焊點(diǎn)失效的3D X-ray檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)采用的樣品將兩個(gè)BGA封裝體垂直堆疊形成兩層封裝疊層器件，其中頂層封裝體含有兩片芯片，底層封裝體含有一片芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。在BGA焊球的放大照片中，可以清晰地發(fā)現(xiàn)BGA焊點(diǎn)存在空洞和焊點(diǎn)假接觸（枕頭效應(yīng)）的現(xiàn)象，通過3D X-ray可以清晰定位缺陷位置。說明在焊接過程中焊料揮發(fā)產(chǎn)生氣體存在殘留，同時(shí)回流不充分也可能導(dǎo)致焊點(diǎn)假接觸，從而導(dǎo)致互連失效。

圖4　封裝疊層器件的3D-X ray照片

4.2金相切片分析

將兩層PoP樣品進(jìn)行固封、研磨、拋光，通過金相顯微鏡觀察每一排焊點(diǎn)的形貌，并拍照記錄。部分焊點(diǎn)的顯微觀察如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，BGA焊點(diǎn)中確實(shí)存在空洞和枕頭現(xiàn)象，與X光照片相符。

圖5　疊層封裝金相切片分析照片

5　結(jié)果分析與討論

5.1空洞

空洞是BGA焊點(diǎn)中最常見的一類工藝缺陷。焊點(diǎn)的空洞都是由于內(nèi)部氣體在焊球固化前沒有得到徹底釋放所致。兩層疊層封裝的BGA焊球中出現(xiàn)的焊點(diǎn)空洞如圖6所示。

圖6　BGA焊球的空洞效應(yīng)

焊點(diǎn)空洞形成的原因有多方面，例如錫膏中助焊劑比例偏大，難以在焊點(diǎn)凝固之前完全揮發(fā)；焊接時(shí)間過短，氣體全部逸出的時(shí)間不夠；焊球沾染有機(jī)物或被氧化；焊膏對(duì)BGA焊球的潤濕能力不足；回流曲線設(shè)置不當(dāng)與焊膏性能不匹配；焊料不良，金屬顆粒尺寸大，還有其他原因等[5]。

BGA焊點(diǎn)空洞對(duì)封裝系統(tǒng)的可靠性有雙重影響：（1）適當(dāng)?shù)目斩茨軌蛴行п尫藕更c(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力；（2）空洞附近的應(yīng)力相比于其他地方大，容易產(chǎn)生裂紋?？偨Y(jié)業(yè)界公司的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：空洞比例(面積比)在15％～25％可以接受。另外，BGA空洞在焊點(diǎn)中的位置對(duì)可靠性的影響不同，位于界面附近的空洞影響焊點(diǎn)整體可靠性的程度比遠(yuǎn)離界面的空洞更強(qiáng)烈。

對(duì)于空洞不達(dá)標(biāo)的焊點(diǎn)，必須采取有效措施進(jìn)行改善，可參考以下措施：(1)設(shè)置最佳回流曲線，控制好預(yù)熱溫度和時(shí)間，讓氣體在固化前完全揮發(fā)；(2)焊接時(shí)間不宜過長，以防止焊盤、焊料被氧化；(3)保證焊盤可焊性良好；(5)錫膏中助焊劑的比例適當(dāng)。

5.2枕頭效應(yīng)

枕頭效應(yīng)(Head-In-Pillow, HIP)是近年來頻繁發(fā)生于BGA封裝焊點(diǎn)中的一種缺陷[6]。枕頭效應(yīng)主要表現(xiàn)為在靠近焊接處出現(xiàn)凹面，與正常焊點(diǎn)有很大的不同，或形成部分熔合擠壓的凹形，或呈沒有接觸、分離的兩部分，如圖7所示。

圖7　BGA焊球的枕頭效應(yīng)

BGA器件受熱變形、焊球大小不均衡、錫膏與焊接工藝不匹配、錫膏活性不夠、焊球污染、錫膏氧化和回流不足等原因都可能引起枕頭效應(yīng)。存在枕頭效應(yīng)的焊點(diǎn)表現(xiàn)為部分或是假連接（不連接），在前期的在線測(cè)試中難以發(fā)現(xiàn)，卻在后期易于出現(xiàn)問題，所以在前期就要控制枕頭效應(yīng)的發(fā)生率?？蓮膩砹虾凸に嚪矫嬷郑?/p>

（1）來料控制：使用合適的錫膏、BGA器件和基板材料，目的是降低材料之間的熱膨脹系數(shù)差異，有效控制回流中的BGA變形；

（2）工藝控制：設(shè)置焊接工藝參數(shù)與錫膏匹配，避免回流不良；BGA與焊盤貼裝匹配，避免偏位造成電氣連接失效；縮短焊接時(shí)間，避免焊球被氧化和沾污。

6　總結(jié)

本文針對(duì)SiP封裝中BGA焊點(diǎn)的缺陷進(jìn)行了實(shí)效分析，對(duì)比了3D X-ray技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果與金相切片分析結(jié)果，驗(yàn)證了3D X-ray技術(shù)是檢測(cè)BGA焊點(diǎn)的有效手段。本文論述了焊點(diǎn)空洞和枕頭效應(yīng)對(duì)于SiP集成封裝系統(tǒng)的影響，從材料性能、工藝、結(jié)構(gòu)等多方面對(duì)缺陷形成進(jìn)行了分析，并對(duì)提高SiP封裝可靠性提出了相關(guān)建議。

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潘書山（1973—），男，江西進(jìn)賢人，博士研究生，從事微電子質(zhì)量方面研究。

Failure Analysis of Solder Joint in SiP Modules

PAN Shushan, CHEN Ying, JI Bin
（The Military Representative Office in Nanjing Sanle Electroinic Information Industry Group Co.,Ltd, Nanjing 210016, China）

Abstract：The paper reports a failure analysis technology for solder joint defects in SiP modules. The experiments results of 3D X-ray and metallographic analysis are compared, which verified the method of 3D X-ray analysis. The detailed mechanism and mode of the solder joint failure are explained, and suggestions are given for improving the performance of solder joint.

Keywords:system in package(SiP); failure analysis; solder joints; defects; X-ray; metallographic analysis

作者簡介：

收稿日期：2016-1-12

中圖分類號(hào)：TN305.94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）04-0004-05