王歡,林瑞仕,朱旭鋒,胡圣,李凌
(1.西安微電子技術(shù)研究所,西安 710068;2.北京航天自動控制研究所,北京 100076)
倒裝焊是一種采用芯片倒扣方式,通過內(nèi)焊點、導(dǎo)帶、外焊點的連接方式將芯片內(nèi)部端口引出到外部的封裝形式,具有無鍵合絲的優(yōu)點,適合多端口、小面積的高密度引出端[1]。隨著小型化、高密度封裝的不斷發(fā)展,倒裝焊技術(shù)逐漸成為主要的高密度封裝技術(shù)之一[2]。
倒裝焊結(jié)構(gòu)的大規(guī)模集成電路由于引出端多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以定位其失效部位[3]。根據(jù)倒裝焊球柵陣列(BGA)結(jié)構(gòu)的特點,需選用針對性的失效分析方法和手段。本文從分析焊點失效案例出發(fā),采用多種分析方法深入剖析倒裝焊結(jié)構(gòu)電路焊點失效的模式與機(jī)理。
常用的失效分析方法有以下4 種。
1)X 光透視觀察。X 光透視觀察適用于封裝材料差異較大的器件,可以透視到倒裝焊結(jié)構(gòu)異常部位的問題,如PCB 走線不符合要求、凸焊點的大小或形狀不均勻、凸焊點出現(xiàn)裂紋或多余物等。
2)超聲掃描檢測。超聲掃描檢測主要針對芯片與PCB 之間的填充飽滿程度、芯片背面與散熱板之間的硅脂涂覆質(zhì)量、芯片裂紋等。
3)研磨制樣。為克服酸液開封方法的不足,對器件采用環(huán)氧樹脂灌封后研磨制樣。對于短路失效模式,沿BGA 焊球所在平面進(jìn)行平行研磨,在顯微鏡下對焊點進(jìn)行觀察,逐層檢查是否存在焊料溢流到環(huán)氧材料中造成焊點跨接,焊點是否存在頸縮、高度不一致現(xiàn)象。針對開路失效模式,需采用側(cè)向研磨方式,邊研磨邊用顯微鏡觀察,逐排排查。
4)染色法。將樣品放置于染色液中,讓染色液滲透到焊點裂紋或空洞區(qū)域,再將焊點強行分離,檢查焊點分離界面的分布信息、是否存在裂紋以及裂紋開裂程度[4]。其優(yōu)點是可以一次性大面積檢查所有焊點,不用研磨;缺點是對試驗工裝要求較高,且需進(jìn)行預(yù)先處理。
外焊點失效主要與工藝參數(shù)使用不當(dāng)和制造缺陷有關(guān)。
3.1.1 使用不當(dāng)
當(dāng)BGA 器件經(jīng)過熱烘,或者未嚴(yán)格按照手冊要求控制器件上板時的焊接溫度與時間,將導(dǎo)致外部焊點過熔,進(jìn)而產(chǎn)生接觸性問題。
焊接時間過久導(dǎo)致基板變形,其形貌如圖1 所示。從圖1 可知,外焊點所在基板有凹陷或鼓包,下方黃色PCB 部分能夠保持平整。電性能測試結(jié)果表明,該器件多個外焊點均呈開路特性。
圖1 基板變形形貌(20 倍)
對器件進(jìn)行X 光透視觀察可知,器件的多個外焊點變形較為嚴(yán)重,較多焊點呈現(xiàn)不規(guī)則形貌,如圖2(a)所示。經(jīng)過進(jìn)一步研磨分析,發(fā)現(xiàn)局部焊點下方存在多處間隙,內(nèi)部分層形貌如圖2(b)所示。這充分說明鼓包位于焊點所在基板與PCB 之間。在熱應(yīng)力情況下,材料的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致外焊點開路。
圖2 焊點不規(guī)則形貌和內(nèi)部分層形貌
3.1.2 制造缺陷
在嚴(yán)格控制溫度與時間的情況下,依然會出現(xiàn)局部焊點開路的現(xiàn)象,這主要是由于在制造過程中引入的氣體導(dǎo)致焊點內(nèi)部產(chǎn)生空洞。
某型號電路在使用22 天后出現(xiàn)邏輯信號異常問題。拆解后檢查外觀發(fā)現(xiàn),局部焊點所在基板有微小的凸出現(xiàn)象,如圖3(a)所示。將這只電路從側(cè)面進(jìn)行研磨,研磨至鼓包位置后,在立體顯微鏡下對電路內(nèi)部進(jìn)行仔細(xì)觀察,發(fā)現(xiàn)電路鼓包位置的內(nèi)部存在分層空隙,空腔形貌如圖3(b)所示。
圖3 焊點凸起及空腔形貌
經(jīng)排查分析,該電路的焊接溫度、時間均正常,1 000 只同型號電路采用同樣的焊接條件,均未出現(xiàn)類似現(xiàn)象,證明在封裝時該位置是因工藝原因?qū)е路謱?,其?nèi)部存在氣體,在后期溫度變化時,氣體膨脹造成鼓包,導(dǎo)致BGA 外焊點開路。
某模塊使用了FPGA 電路,其A10 端口出現(xiàn)時通時斷現(xiàn)象。經(jīng)分析,發(fā)現(xiàn)在FPGA 器件A10 端口內(nèi)部的BGA 焊球與焊盤之間有空洞與裂縫,且空洞和裂縫與焊球位于同一高度。通過X 光透視觀察到的焊球空洞形貌如圖4(a)所示??斩疵娣e約為焊接面面積(內(nèi)圈)的5.5%。從A10 端口引線柱到芯片內(nèi)壓焊點處的其他部位未發(fā)現(xiàn)異常。
圖4 焊球空洞形貌和空腔金相形貌
根據(jù)X 光透視觀察到的結(jié)果對該樣品的剖面進(jìn)行制樣觀察,發(fā)現(xiàn)靠近器件一側(cè)的焊接面上存在空洞和裂紋,其空腔金相形貌如圖4(b)所示。
該模塊A10 端口時通時斷的原因是模塊內(nèi)FPGA電路的BGA 焊球接觸不良。導(dǎo)致BGA 焊球接觸不良的原因是FPGA 器件A10 端口引腳焊球的焊接面存在兩處空洞,空洞的間距較小(間距小于小空洞半徑),且靠近器件焊盤,在長期電應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力的累積作用下造成空洞邊緣疲勞損傷,最終導(dǎo)致器件層與焊球之間出現(xiàn)微裂紋,形成斷裂面。
內(nèi)焊點失效主要表現(xiàn)為短路、開路兩種失效模式。由于內(nèi)焊點位于芯片下方且非常密集,失效形貌一般比較隱蔽,因此對于內(nèi)焊點失效電路,本文采用平行研磨方式進(jìn)行分析。
3.2.1 短路
BGA 器件內(nèi)焊點短路失效的典型形貌如圖5 所示。從圖5(a)可知,該器件內(nèi)焊點存在不規(guī)則形貌,對其進(jìn)行制樣研磨后,可見芯片下方內(nèi)焊點存在大面積連錫形貌,如圖5(b)所示。
圖5 內(nèi)焊點短路失效的典型形貌
在倒裝焊工藝中,在芯片鍵合點制備球形或柱狀焊料,直接倒扣沉積在基板上,翻轉(zhuǎn)芯片進(jìn)行高溫加熱,焊料熔融使芯片與基板結(jié)合,再使用非導(dǎo)電材料填充底部。如果填充區(qū)存在空洞,會出現(xiàn)以下幾種情況:
1)高濕環(huán)境下的空洞部位水汽富集形成侵蝕,造成鍵合點間漏電或短路等故障;
2)在高溫焊接過程中,空洞內(nèi)氣體膨脹出現(xiàn)“爆米花”效應(yīng),造成鍵合結(jié)構(gòu)破壞或器件整體結(jié)構(gòu)破壞;
3)當(dāng)焊接溫度高于芯片倒裝焊料溫度時,焊料在高溫下熔化流淌、填充空洞區(qū)域,可能導(dǎo)致焊點短路,或部分區(qū)域焊料變少、不足導(dǎo)致焊點開路等失效現(xiàn)象。
該電路在焊接后出現(xiàn)了內(nèi)部電源短路的失效現(xiàn)象,因此,其內(nèi)部大面積連錫應(yīng)與焊接過程中操作不當(dāng)有關(guān)。當(dāng)?shù)寡b焊器件的填充料存在空洞且焊接溫度高于內(nèi)部結(jié)構(gòu)焊料的熔點時,焊料熔融形成連錫現(xiàn)象,導(dǎo)致器件短路失效。
3.2.2 開路
某型號BGA 電路的R19 等多個端口出現(xiàn)開路現(xiàn)象,為觀察芯片與基板之間的焊接工藝,對樣品進(jìn)行制樣后,從基板一側(cè)沿平行于芯片表面的方向進(jìn)行研磨,研磨過程中重點檢查失效焊點附近位置的內(nèi)部焊接情況。研磨后內(nèi)焊點的內(nèi)部形貌如圖6 所示,可以明顯看到內(nèi)焊點的缺失,共面性差。這是由于焊料填充不足或在后期受熱后流動,導(dǎo)致其與芯片無法正常連接。
圖6 研磨后內(nèi)焊點的內(nèi)部形貌
倒裝焊結(jié)構(gòu)器件在長期服役過程中,焊點失效主要包括兩種失效模式:熱失效和吸潮失效。
倒裝焊結(jié)構(gòu)器件由焊球、基板和PCB 等組成,不同材料之間的熱膨脹系數(shù)差異較大。同時焊點與PCB和基板之間的連接為剛性連接,長期使用易導(dǎo)致焊點出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力集中變形[5-7]。此外,隨著服役時間的增加,應(yīng)力會逐漸累積,導(dǎo)致焊點疲勞損傷和失效[8]。
某型號FPGA 電路功能失效且L24 管腳異常開路。通過X 光透視觀察及超聲檢查均未見異常,對樣品進(jìn)行制樣后,對器件的L24 管腳進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)L24管腳位置的PCB 上下層導(dǎo)帶采用焊錫料連接,但局部焊點存在輕微翹曲后形成的縫隙,具體形貌如圖7 所示。
圖7 焊點翹曲后形成的縫隙形貌
BGA 器件在長期使用過程中,局部焊點可能會產(chǎn)生縫隙,使得焊點與導(dǎo)帶的結(jié)合強度下降,出現(xiàn)局部接觸不良或開路現(xiàn)象,從而導(dǎo)致器件功能失效。通過溫度循環(huán)應(yīng)力可以加速BGA 焊點的蠕變與疲勞失效過程[9-10],加速模型采用Coffin-Manson 模型:
其中:Nf為疲勞的周期數(shù),C0為常數(shù),△T 為絕對溫度差,q 為Coffin-Manson 指數(shù)。
加速因子AF的表達(dá)式為
其中:△T1為較小的絕對溫度差,△T2為較大的絕對溫度差。
由于溫度循環(huán)應(yīng)力加速試驗?zāi)P椭形粗獏?shù)有兩個,因此至少需采用兩組絕對溫度差進(jìn)行試驗。
倒裝焊結(jié)構(gòu)的器件芯片與基板之間的填充料一般采用環(huán)氧樹脂等非導(dǎo)電材料,這種填充料對潮濕非常敏感,容易吸附潮氣。環(huán)氧樹脂吸附的水汽與雜質(zhì)滲透到金屬互連線表面,會發(fā)生腐蝕反應(yīng)。吸附的潮氣在器件自身或環(huán)境溫度升高后受熱膨脹,會導(dǎo)致器件發(fā)生分層、焊球斷裂等失效情況[11]。
某型號BGA 封裝器件在焊接至PCB 后出現(xiàn)功能失效、器件封裝體開裂、多個焊點開路等現(xiàn)象,超聲掃描結(jié)果顯示器件內(nèi)部存在分層現(xiàn)象,如圖8 所示。經(jīng)分析,該器件封裝體內(nèi)的環(huán)氧樹脂等填充料吸附的水汽在器件受熱過程中快速氣化,導(dǎo)致內(nèi)部水汽壓力過大,使模制材料(環(huán)氧樹脂化合物)膨脹,導(dǎo)致器件出現(xiàn)分層剝離、開裂、焊點開路等失效現(xiàn)象,即“爆米花”效應(yīng)。
圖8 器件超聲掃描形貌
針對濕度引起的失效情況,一般采用Peck 模型計算器件壽命:
其中:ξ 為器件壽命,A0是縮放因子,RH為相對濕度值,N 為常數(shù),Ea為腐蝕反應(yīng)激活能,k 為波爾茲曼常數(shù),T 為工作溫度。
對Peck 模型兩邊取對數(shù),則得到模型:
結(jié)合實際案例及機(jī)理分析,倒裝焊結(jié)構(gòu)的電路焊點失效主要由制造過程中的材料質(zhì)量管控、工藝流程和使用問題引起,下面提出三點注意事項,以避免失效發(fā)生。
在封裝過程中,應(yīng)盡量選擇低吸水性的填充料,保持環(huán)境氣氛干燥,以減少BGA 器件封裝體內(nèi)的水汽。在倒裝焊器件的貯存過程中,還應(yīng)設(shè)置合適的環(huán)境濕度,避免器件吸潮。
此外,倒裝焊器件的填充過程是通過填充料在表面張力的作用下擴(kuò)散實現(xiàn)的,材料的表面張力和加熱溫度對填充過程有一定影響[12]。因此,在填充時應(yīng)選擇流動性較好的填充材料,以避免空洞的產(chǎn)生。
在對PCB 進(jìn)行設(shè)計時,應(yīng)盡量選擇熱膨脹系數(shù)差異較小的材料,以避免在長期使用過程中由于熱失配導(dǎo)致的焊點疲勞失效。優(yōu)化電路板的空間設(shè)計,避免高密度貼裝[13],并與功率器件保持一定距離,避免長時間高溫造成焊點老化,降低接觸性。
在焊接之前應(yīng)進(jìn)行充分預(yù)熱,使器件緩慢釋放水汽,避免器件封裝材料所吸附的水汽在高溫下膨脹,從而使得器件分層或開裂。在器件焊接過程中,定期對焊接設(shè)備進(jìn)行計量和校準(zhǔn),盡可能優(yōu)化焊接工藝,設(shè)置合理的溫度曲線,避免因焊接時間過長或溫度過高而導(dǎo)致器件焊點熔融失效。
本文從器件封裝制造的角度,探討了倒裝焊結(jié)構(gòu)大規(guī)模集成電路的焊點失效模式與失效機(jī)理,針對可能誘導(dǎo)失效的因素,從制造工藝、使用和裝配方面提出了一系列預(yù)防措施。在正確的制造和使用情況下,集成電路的倒裝焊結(jié)構(gòu)具有在小面積封裝上布局高密度鍵合的絕對優(yōu)勢,會更加可靠、廣泛地應(yīng)用在未來的大規(guī)模集成電路中。