焊點(diǎn)尺度對微互連的熱疲勞可靠性影響

王丙鵬 錢銀海 李國俊 王東 田野

摘 要：【目的】研究焊點(diǎn)尺度對微互連的熱疲勞可靠性的影響，【方法】采用有限元模擬法結(jié)合試驗(yàn)來研究不同尺度焊點(diǎn)在熱循環(huán)載荷下的可靠性。【結(jié)果】模擬結(jié)果表明，同位置小尺寸焊點(diǎn)封裝體的位移和焊點(diǎn)的累積塑性應(yīng)變能密度均高于大尺度焊點(diǎn)，且最外側(cè)焊點(diǎn)的數(shù)值最高，為最容易失效的關(guān)鍵焊點(diǎn)。關(guān)鍵焊點(diǎn)上累積的塑性應(yīng)變能密度集中在焊盤和釬料接觸界面的邊角處，向內(nèi)會逐漸減小，表明裂縫會在邊角處出現(xiàn)并向內(nèi)延伸，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。【結(jié)論】根據(jù)Darveaux壽命模型，大尺度焊點(diǎn)的壽命要高于小尺度焊點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：不同尺度；焊點(diǎn)；有限元分析；熱循環(huán)

中圖分類號：TG454? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0031-04

Abstract：[Purposes] To study the influence of solder joint size on the thermal fatigue reliability of micro-interconnection. [Methods] Uses finite element simulation method combined with experiments to study the reliability of different scale solder joints under thermal cycle load.[Findings] The simulation results show that the displacement of the small-size solder joint package at the same position and the cumulative plastic strain energy density of the solder joints are higher than those of the large-scale solder joints， and the outermost solder joints have the highest value and are the most vulnerable key solder joints. The cumulative plastic strain energy density on the key solder joints is concentrated at the corners of the pad and solder contact interface and gradually decreases inwards， indicating that cracks will appear at the corners and extend inwards， which is consistent with the test results. [Conclusions] According to the Darveaux life model， the life of large-scale solder joints is higher than that of small-scale solder joints.

Keywords： different scales; solder joints; finite element analysis; thermal cycle

0 引言

隨著微電子產(chǎn)品向多功能化和微小化方向發(fā)展，微電子封裝體積也越來越小，封裝間距和焊點(diǎn)尺寸在迅速減小。倒裝芯片中不同材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，在熱循環(huán)環(huán)境中易因熱失配導(dǎo)致焊點(diǎn)早期失效，小尺寸焊點(diǎn)將承受更高的應(yīng)力和更大的應(yīng)變［1］，熱疲勞問題成為影響焊點(diǎn)可靠性的最顯著問題［2］。因此，研究焊點(diǎn)尺度對焊點(diǎn)熱疲勞的影響具有非常重要的意義。

目前，已有學(xué)者對熱循環(huán)條件下焊點(diǎn)可靠性進(jìn)行研究。孫勤潤等［3］通過有限元仿真確定芯片邊角焊點(diǎn)為熱失效的關(guān)鍵焊點(diǎn)，用田口法來優(yōu)化焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)；熊明月等［4］通過有限元試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)材料和焊點(diǎn)高度是影響熱循環(huán)塑性應(yīng)變能密度的重要因素。其他學(xué)者部分研究結(jié)果［5-6］也表明，焊點(diǎn)尺寸對熱疲勞可靠性有著重要影響，但不同尺寸焊點(diǎn)在熱循環(huán)下的失效機(jī)理和壽命評估仍要進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

本研究通過有限元模擬試驗(yàn)對倒裝封裝焊點(diǎn)在熱循環(huán)下的可靠性進(jìn)行研究，研究焊點(diǎn)在熱循環(huán)條件下的失效模式和失效機(jī)理，分析不同尺寸焊點(diǎn)在熱循環(huán)過程累計(jì)塑性應(yīng)變能的變化，通過Darveaux理論壽命模型來預(yù)測不同焊點(diǎn)間距下的倒裝焊點(diǎn)疲勞壽命，通過對比分析焊點(diǎn)尺寸因素對倒裝互連可靠性的影響，為倒裝焊點(diǎn)的微小化提供可靠性依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用互連間距為250 μm的Flip-Chip（FC）器件，器件硅芯片尺寸為10 mm×10 mm、焊點(diǎn)高度為120 μm、間距為250 μm，焊盤材料為鎳，直徑為100 μm、厚度為7 μm?；宄叽?5 mm×15 mm。當(dāng)焊盤材料為銅時，厚度和直徑與鎳焊盤相同。使用鍵合機(jī)讓芯片和基板互連，用Hysol 4531填膠對芯片進(jìn)行固化，對器件進(jìn)行超聲和電阻檢測，確保篩選出互連良好的試驗(yàn)樣品。對樣品進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，高溫為125 ℃，低溫為-55 ℃，每間隔100次循環(huán)取出樣品，觀察焊點(diǎn)處的裂紋生長情況，用掃描電鏡觀察磨拋后的樣品橫截面微端形貌。

2 模型建立和計(jì)算

2.1 模型建立

倒裝芯片封裝實(shí)體模型局部截面如圖1所示，倒裝芯片由芯片、焊球、底部填充膠體、BT基板、Cu焊盤、Ni焊盤組成。本研究對250 μm、100 μm間距下不同尺寸焊點(diǎn)進(jìn)行建模分析。所選擇的焊點(diǎn)間距與互連高度比例為20∶9，焊點(diǎn)間距與焊點(diǎn)直徑比例為5∶3，焊點(diǎn)間距越大代表焊點(diǎn)尺寸越大。

FC器件中焊點(diǎn)數(shù)量多且具有對稱性，在保證有限元模擬精確性的前提下，為節(jié)約計(jì)算時間，建立二分之一二維幾何模型，用映射網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2所示。因焊點(diǎn)體積小，在圖2（a）中難以看清細(xì)節(jié)，特將邊角處的局部放大，如圖2（b）所示。

2.2 參數(shù)選擇和載荷施加

釬料選用SAC305（Sn3.5Ag0.5Cu），使用Anand本構(gòu)模型進(jìn)行統(tǒng)一粘塑性分析［3］。為更接近實(shí)際使用中焊點(diǎn)所經(jīng)歷的溫度變化，根據(jù)美國軍標(biāo)MIL-STD-883來確定熱循環(huán)溫度載荷條件，即高溫為125 ℃、低溫為-55 ℃、駐留時間為10 min、高低溫轉(zhuǎn)換時間為5 min。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 封裝體整體位移分析

在溫度循環(huán)載荷的加載過程中，封裝體內(nèi)各材料之間存在熱失配問題，導(dǎo)致不同材料的膨脹和收縮程度產(chǎn)生差異。在高溫時，由于BT基板比Si芯片的熱膨脹系數(shù)大，焊球因熱膨脹而發(fā)生剪切變形。在低溫時，焊球?qū)⑹芾涫湛s，在相反方向發(fā)生剪切變形，經(jīng)多次熱循環(huán)，芯片可能會失效。

變形在有限元中表現(xiàn)為位移的變化，通過位移云圖來展現(xiàn)。八個熱循環(huán)后，125 ℃時封裝體位移云圖如圖3所示。由圖3可知，兩種焊點(diǎn)間距的下封裝體位移出現(xiàn)相同規(guī)律，封裝體位移從左向右逐漸變大，表明位移由左到右逐漸增大，最左邊的位移最小，位移最大值出現(xiàn)在BT基板的最右端，100 μm焊點(diǎn)間距封裝體最大位移要大于250 μm，模擬結(jié)果和芯片受到熱沖擊后的翹曲現(xiàn)象相符［7］。

3.2 焊點(diǎn)上的累積塑性應(yīng)變能密度分析

在熱循環(huán)條件下，溫度載荷不斷變化，焊點(diǎn)所受到的應(yīng)變能將不斷累積。當(dāng)應(yīng)變能累積到一定限度后，倒裝焊點(diǎn)將產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。通常采用累計(jì)應(yīng)變能密度來分析焊點(diǎn)的受損程度［8］。

八個熱循環(huán)后125 ℃時焊點(diǎn)累積塑性應(yīng)變能密度如圖4所示。倒裝芯片中焊點(diǎn)的塑性應(yīng)變能密度從左往右逐漸增大，最大值出現(xiàn)在最外側(cè)的焊點(diǎn)上，相同位置小尺寸焊點(diǎn)的累計(jì)應(yīng)變能密度高于大尺寸焊點(diǎn)。

3.3 關(guān)鍵焊點(diǎn)上位移及累積塑性應(yīng)變能密度分析

根據(jù)前兩個小節(jié)分析可知，受到熱載荷沖擊時，封裝體位移和焊點(diǎn)累積塑性應(yīng)變能密度從里向外依次變大，最外側(cè)的焊點(diǎn)累積塑性應(yīng)變能密度最大?？蓴喽ㄗ钔鈧?cè)焊點(diǎn)容易斷裂失效，將其定義為關(guān)鍵焊點(diǎn)，單個焊點(diǎn)失效會導(dǎo)致整個封裝體失效，關(guān)鍵焊點(diǎn)的可靠性決定封裝整體的可靠性。

兩種間距關(guān)鍵焊點(diǎn)的位移云圖和累積應(yīng)變能密度的分布規(guī)律相同，僅取250 μm間距焊點(diǎn)進(jìn)行分析。250 μm焊點(diǎn)間距下八個熱循環(huán)后125 ℃時關(guān)鍵焊點(diǎn)的位移云圖和累積塑性應(yīng)變能密度云圖如圖5所示。由圖5（a）可知，邊角焊點(diǎn)的位移變化從下到上逐漸變大，邊角焊點(diǎn)的最大位移在鎳焊盤與焊球交界面上，表明此處最易發(fā)生熱失配變形。由5（b）可知，左上角和右下角出現(xiàn)最大區(qū)域，表明這兩個位置累積塑性應(yīng)變能密度高，焊盤和焊球交界邊角處容易產(chǎn)生裂紋。

熱循環(huán)后關(guān)鍵焊點(diǎn)的裂紋擴(kuò)展如圖6所示。裂紋也是出現(xiàn)在左上角和右下角，向中間延伸，和累積塑性應(yīng)變能密度結(jié)果一致，說明有限元模擬的合理性。

3.4 焊點(diǎn)壽命預(yù)測

改進(jìn)后的Darveaux疲勞壽命計(jì)算見式（1）。

式中：[εn]為焊點(diǎn)的正應(yīng)變；[W]為焊點(diǎn)的累積非彈性性應(yīng)變能密度；[εC]為焊點(diǎn)的累積非彈性應(yīng)變；[C1到C8]為常數(shù)；[W]、[εC] 、[εn]值可從Ansys中提取。

將數(shù)據(jù)帶入到公式中，得到兩種不同焊點(diǎn)間距下關(guān)鍵焊點(diǎn)的疲勞壽命，250 μm焊點(diǎn)間距疲勞壽命為1 156個循環(huán)，100 μm間距焊點(diǎn)疲勞壽命為288個循環(huán)。

4 結(jié)論

①熱循環(huán)下，相同位置100 μm間距封裝體的位移和焊點(diǎn)的累積塑性應(yīng)變能密度要高于250 μm，且由內(nèi)向外逐漸增加。邊角焊點(diǎn)在所有焊點(diǎn)中累積塑性應(yīng)變能密度最大，最容易失效，是關(guān)鍵焊點(diǎn)。關(guān)鍵焊點(diǎn)的裂紋出現(xiàn)在焊盤和焊球的交界位置邊角處，并從外向內(nèi)延伸。

②根據(jù)的Darveaux疲勞壽命模型，大尺寸焊點(diǎn)的疲勞壽命要高于小尺寸焊點(diǎn)，250 μm間距和100 μm間距焊點(diǎn)的預(yù)計(jì)壽命分別為1 156次循環(huán)和288次循環(huán)。

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