集成電路有機(jī)基板倒裝焊失效分析與改善

朱國靈，韓星，徐小明，季振凱

（無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫 214072）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品對便攜性、多功能性的需求日益迫切，芯片設(shè)計朝著多功能和大規(guī)模集成的方向發(fā)展，并且塑封集成電路具有成本低、重量輕和易制造等優(yōu)點，因此，大尺寸、高密度的塑封倒裝焊技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中[1]。然而，在封裝、組裝和使用過程中，集成電路往往需要經(jīng)歷多次溫度變化和熱沖擊，不同材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同會引發(fā)熱失配，導(dǎo)致電路在溫度循環(huán)試驗、回流焊時易發(fā)生互聯(lián)凸點開路失效，進(jìn)而影響封裝可靠性[2]。行業(yè)技術(shù)人員對倒裝焊凸點結(jié)構(gòu)的可靠性和失效模式進(jìn)行了研究。田野采用有限元分析法，發(fā)現(xiàn)熱沖擊會影響凸點的應(yīng)力應(yīng)變分布和互連可靠性[3]。高娜燕等人通過優(yōu)化倒裝塑封體結(jié)構(gòu)中的芯片厚度、基板厚度和CTE 等參數(shù)，有效控制了封裝翹曲度[4]。ZHU 等人通過試驗方法研究了凸點在電流應(yīng)力作用下的失效機(jī)制[5]。黃春躍等人通過對凸點形態(tài)進(jìn)行熱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變分析，研究了凸點與疲勞壽命之間的關(guān)系[6]?，F(xiàn)階段針對封裝制程改善措施的相關(guān)研究比較缺乏。

本文針對某款間距為1.00 mm 的FC-PBGA900型FPGA 封裝電路，利用Ansys Workbench 軟件依照實體封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行1∶1 建模，模擬其在溫度循環(huán)和回流焊過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，分析失效原因并提出針對封裝制程的改善措施，為大尺寸、高密度的塑封倒裝焊提供重要的理論支撐和制程改善方案。

1 失效案例分析

FC-PBGA900 型FPGA 封裝電路是一款集成了高速解串器、存儲器和普通信號接口的大規(guī)模集成電路，其裸芯片尺寸為11.20 mm×16.70 mm×0.75 mm，封裝尺寸為31.00 mm×31.00 mm×3.20 mm，散熱片尺寸為30.60 mm×30.60 mm×1.35 mm。封裝200 顆電路，其中良品為154 顆，封裝良率為77%，抽取80 顆電路進(jìn)行溫度循環(huán)試驗，試驗溫度為－65～150 ℃，循環(huán)500 次后，19 顆電路發(fā)生開路失效，失效率為23.75%。對失效電路進(jìn)行分析，結(jié)果表明，發(fā)生失效的封裝電路的凸點與基板間存在明顯的貫穿式裂紋，圖1（a）為失效封裝電路互聯(lián)凸點切片的SEM 圖，失效封裝電路的芯片邊緣凸點與焊盤無接觸，圖1（b）為失效封裝電路的芯片邊緣凸點的3D 圖像。裂紋產(chǎn)生的原因為溫度循環(huán)時凸點受到的應(yīng)力大于其材料可承受的蠕變或材料剪切強度。這些裂紋可能會導(dǎo)致凸點和基板出現(xiàn)明顯的位置偏移。在溫度循環(huán)試驗中有機(jī)基板的形變最明顯，較大的形變會影響芯片邊緣凸點與焊盤的互聯(lián)，從而導(dǎo)致虛焊或漏焊的情況。在進(jìn)行封裝制程和可靠性試驗時，溫度循環(huán)和回流焊過程中的高低溫變化容易導(dǎo)致基板翹曲和凸點內(nèi)應(yīng)力的加劇以及材料蠕變，進(jìn)而導(dǎo)致電路失效。為了提高該款封裝電路的可靠性和穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)采取措施控制基板翹曲并降低凸點所受應(yīng)力。

圖1 失效封裝電路互聯(lián)凸點切片SEM 圖和芯片邊緣凸點3D 圖像

2 有限元仿真分析

2.1 溫度循環(huán)試驗建模與仿真分析

溫度循環(huán)試驗的目的是考察封裝電路在長時間冷熱溫度交變作用下的性能表現(xiàn)，特別是熱應(yīng)力對其產(chǎn)生的影響。

2.1.1 溫度循環(huán)試驗建模

模型參數(shù)如表1 所示，使用Ansys Workbench 軟件按照電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行1∶1 建模，采用四面體和六面體相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，溫度循環(huán)試驗的仿真模型如圖2 所示。在仿真參數(shù)設(shè)置時，需要限制凸點底端自由度，將溫度設(shè)置為－65～150 ℃，零應(yīng)力溫度點為25 ℃，循環(huán)次數(shù)為500 次，溫度轉(zhuǎn)換時間不超過1 min，停留時間不少于10 min。

表1 模型參數(shù)

圖2 溫度循環(huán)試驗的仿真模型

2.1.2 溫度循環(huán)試驗仿真結(jié)果與分析

降溫階段的溫度為25～－65 ℃，降溫階段基板翹曲和凸點受力情況如圖3 所示。由圖3（a）可知，基板發(fā)生了正向翹曲，相較于中心位置，邊緣位置的形變量較大，整體呈現(xiàn)出“笑臉”形狀，翹曲最大值約為0.009 mm。圖3（b）中箭頭指向位置為凸點受應(yīng)力影響最顯著位置，降溫階段芯片邊緣位置的凸點受力最大，應(yīng)力最大值為40.350 MPa。隨著循環(huán)次數(shù)的增多，殘余應(yīng)力不斷累加，凸點易因疲勞產(chǎn)生失效。

圖3 降溫階段基板翹曲和凸點受力情況

升溫階段的溫度為25～150 ℃，升溫階段基板翹曲和凸點受力情況如圖4 所示。由圖4（a）可知，基板發(fā)生了負(fù)向翹曲，相較于中心位置，邊緣位置的形變量較大，整體呈現(xiàn)出“哭臉”形狀，翹曲最大值約為0.013 mm。圖4（b）中箭頭指向位置為凸點受應(yīng)力影響最顯著位置，升溫階段的凸點受力最大的位置也在芯片邊緣，應(yīng)力最大值為28.604 MPa。

圖4 升溫階段基板翹曲和凸點受力情況

仿真結(jié)果顯示，升溫和降溫階段的翹曲現(xiàn)象呈現(xiàn)出相似的趨勢，形變量從基板的中心位置向邊緣位置逐漸增大，且凸點的最大受力位置均在芯片邊緣，但降溫階段的等效應(yīng)力約為升溫階段的1.4 倍，在降溫階段凸點更容易因為疲勞發(fā)生斷裂失效，芯片邊緣位置是最容易發(fā)生失效的區(qū)域。因此，通過控制基板翹曲、減少凸點損傷和降低殘余熱應(yīng)力等方式增強凸點焊接強度才是解決凸點失效的根本途徑。

2.2 回流焊建模與仿真分析

2.2.1 回流焊建模

在封裝制程中最易造成凸點失效的工序為回流焊，高低溫變化容易導(dǎo)致凸點蠕變和內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，進(jìn)而引發(fā)失效。回流焊過程與溫度循環(huán)試驗類似，分為升溫階段和降溫階段，溫度循環(huán)仿真結(jié)果顯示，在降溫階段凸點更易發(fā)生失效，因此在回流焊過程中主要針對降溫階段進(jìn)行仿真。采用與溫度循環(huán)試驗相同的模型，建模和網(wǎng)格劃分方式均與溫度循環(huán)建模時的方式保持一致，回流焊過程的仿真模型如圖5 所示。在仿真參數(shù)設(shè)置時，需要限制基板自由度，凸點材料為SnAg1.8，其熔點為221 ℃，因此將溫度設(shè)置為220～25 ℃，零應(yīng)力溫度點為25 ℃，降溫速率為0.8 ℃/min。

圖5 回流焊過程的仿真模型

2.2.2 回流焊仿真結(jié)果與分析

回流焊降溫階段基板翹曲和凸點受力情況如圖6所示，由圖6（a）可知，基板發(fā)生了負(fù)向翹曲，形變量由中心位置向邊緣位置逐漸增大，整體呈現(xiàn)出“哭臉”形狀，翹曲最大值約為0.097 mm。圖6（b）中箭頭指示的位置為凸點最易發(fā)生失效的位置，芯片邊緣位置的凸點受力最大，應(yīng)力最大值約為63.28 MPa。上述結(jié)果表明，在回流焊降溫階段，基板翹曲導(dǎo)致凸點向外傾斜，且邊緣位置的凸點傾斜度最大，芯片邊緣位置的凸點所受應(yīng)力最大，該位置凸點受到的應(yīng)力接近凸點強度極限，易造成凸點斷裂失效。

圖6 回流焊降溫階段基板翹曲和凸點受力情況

3 改善措施

結(jié)合溫度循環(huán)試驗和回流焊仿真結(jié)果可以看出，基板邊緣位置的翹曲最大，芯片邊緣位置的凸點受力最大，芯片邊緣位置為最易發(fā)生凸點失效的位置。溫度循環(huán)試驗作為一種檢驗封裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法，其主要目的是剔除失效樣品?？刂苹亓骱鸽A段的基板翹曲并提高凸點與焊盤結(jié)合強度可以有效降低焊接風(fēng)險。

3.1 磁性載具

利用物理壓合技術(shù)施加外部壓力可以有效控制基板在回流焊過程中的翹曲。本文采用的磁性載具如圖7 所示，載具為鋼制框架結(jié)構(gòu)，分為上模和下模2 個部分，總厚度約為4.2 mm。將基板置于凹槽內(nèi)并固定，可有效降低裝片后的基板在回流焊時的翹曲，確保凸點與焊盤充分焊接，避免虛焊和漏焊發(fā)生。

圖7 磁性載具

3.2 預(yù)制焊料

針對同一款封裝電路，在其他條件相同的前提下，凸點的焊接強度主要取決于其與焊盤的有效焊接面積，有效焊接面積越大，焊接強度越高。采用在焊盤上預(yù)制焊料的方法可顯著提高凸點與焊盤的有效焊接面積，從而提高焊接強度，增強凸點在回流焊階段的焊接穩(wěn)定性，沒有預(yù)制焊料和在焊盤上預(yù)制焊料的倒裝焊流程如圖8 所示。采用該方法可有效避免虛焊和漏焊，在實際加工時凸點直徑存在±10%的公差，阻焊層開窗尺寸存在±15 μm 的公差，當(dāng)綠油開窗偏公差下限或凸點直徑偏公差上限時，基板翹曲可能會導(dǎo)致凸點與焊盤無法接觸或接觸面積過小，凸點出現(xiàn)虛焊或漏焊的情況，正常焊接的凸點與虛焊、漏焊的凸點對比如圖9 所示。

圖8 倒裝焊流程

圖9 正常焊接的凸點與虛焊、漏焊的凸點對比

采用磁性載具和預(yù)制焊料的方法對封裝制程進(jìn)行優(yōu)化，重新封裝200 顆FC-PBGA900 型FPGA 電路，良品為197 顆，封裝良率由77%提升至98.5%。在－65～150 ℃下，電路經(jīng)過500 次溫度循環(huán)后沒有出現(xiàn)電性能異常和開路失效，優(yōu)化后封裝電路的凸點切片如圖10 所示。由圖10 可知，凸點焊接完整、形狀標(biāo)準(zhǔn)，凸點與基板的相對位置穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的偏移，基板無明顯翹曲。

圖10 優(yōu)化后封裝電路的凸點切片

4 結(jié)論

采用Ansys Workbench 軟件模擬FC-PBGA900 電路在溫度循環(huán)和回流焊階段的應(yīng)力應(yīng)變分布和翹曲情況，結(jié)果表明，溫度循環(huán)是一種有效的檢驗封裝電路質(zhì)量的方法，每次循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變相對固定，改善異常的根本措施是通過優(yōu)化封裝制程，降低基板翹曲并提高凸點與基板的結(jié)合強度?？刹扇∫韵戮唧w措施。

1）使用磁性載具以降低回流焊階段的基板翹曲。

2）采用在芯片倒裝區(qū)域預(yù)制焊料的方法，增強凸點與焊盤的結(jié)合力，避免凸點出現(xiàn)虛焊或漏焊情況。

集成電路的封裝質(zhì)量和可靠性不僅與有機(jī)基板有關(guān)，還與封裝制程的工藝方法、工藝控制等因素密切相關(guān)，因此需要從全過程的角度來審視有機(jī)基板封裝的集成電路的質(zhì)量和可靠性。