ABF 塑封基板疊孔的高可靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葛一銘，謝爽，呂曉瑞，劉建松，孔令松

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

0 引言

軍用塑封器件產(chǎn)品需要在大溫差、強(qiáng)機(jī)械振動(dòng)、高輻照等嚴(yán)酷環(huán)境下使用，溫差引起的熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致有芯一體化塑封基板不同材料之間發(fā)生熱失配，基板內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致基板出現(xiàn)翹曲變形、塑封體分層、疊層銅過孔開裂等可靠性問題[1-4]。

塑封基板在封裝過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的主要原因有2 個(gè)：1）塑封料在高溫液化及再固化過程中產(chǎn)生收縮，不同材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）存在差異，導(dǎo)致在此過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；2）在溫度變化的條件下，不同材料間因CTE 不同產(chǎn)生熱失配，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力過大會(huì)引發(fā)封裝結(jié)構(gòu)的薄弱部位產(chǎn)生裂紋、翹曲等可靠性問題[5-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)塑封基板結(jié)構(gòu)的可靠性開展了大量研究，NAGAOKA 等人[8]通過黏彈性分析來預(yù)測(cè)疊層過孔的疲勞壽命，對(duì)2 種樹脂材料的8 種堆疊過孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)、彈性分析和黏彈性分析，結(jié)果表明，黏彈性分析結(jié)果與熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。孫宏超等人[9]對(duì)盲孔孔內(nèi)鍍銅與孔底連接盤分離的失效模式進(jìn)行分析，找到引發(fā)失效的主要原因，并提出了可行的改善措施，同時(shí)還制定了1 種有效監(jiān)控與評(píng)價(jià)盲孔可靠性的方法。TOK 等人[10]針對(duì)嵌入銅合金熱塊結(jié)構(gòu)的新型塑料球柵陣列（PBGA）封裝在溫度循環(huán)過程中的過孔開裂問題，對(duì)不同的過孔填充材料和過孔尺寸展開研究，證明了嵌入銅合金熱塊結(jié)構(gòu)對(duì)封裝可靠性有負(fù)面影響。LI[11]提出了1 個(gè)簡(jiǎn)單的熱過孔設(shè)計(jì)分析模型，設(shè)計(jì)參數(shù)包括孔徑、間距、鍍層厚度和過孔內(nèi)填充材料的空隙率，并使用熱阻作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將分析結(jié)果與有限元模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可作為封裝中的熱通道設(shè)計(jì)指南。KOBAYASHI 等人[12]建立了通孔開裂的失效模型，并采用幾種熱循環(huán)條件對(duì)PBGA 封裝進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，可以用修正的Coffin-Manson 方程模擬通孔的疲勞失效。GOVAL 等人[13]討論了金屬化孔（PTH 孔）在溫度循環(huán)應(yīng)力作用下的可靠性，采用仿真建模和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了材料、工藝和設(shè)計(jì)對(duì)通孔基板裂紋的影響。LEICHT 等人[14]提出了1 種彎曲疲勞可靠性測(cè)試模型，研究連接到PCB 上的球柵陣列封裝的機(jī)械彎曲疲勞問題，該方法考慮了疲勞斷裂形態(tài)及其與焊點(diǎn)位置和裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系。LI 等人[15]研究了無芯倒裝芯片封裝中C4 凸塊開裂的可靠性問題，以及C4 凸塊的幾何形狀、層壓板材料性能和其他形狀因素對(duì)其疲勞性能的影響，并建立了仿真模型，用于預(yù)測(cè)無芯倒裝芯片封裝中C4 焊點(diǎn)的疲勞情況。

現(xiàn)有的研究大多基于工藝實(shí)驗(yàn)及傳統(tǒng)的整體建模分析方法，本文主要研究ABF 塑封基板的高可靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)軍用塑封倒裝焊結(jié)構(gòu)基板的布線過孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱力耦合仿真分析，并采用子模型法來解決仿真結(jié)構(gòu)中的跨尺度問題。本文分析了疊孔位置、疊孔層數(shù)、芯層厚度、布線長(zhǎng)度對(duì)器件級(jí)封裝與溫度循環(huán)可靠性的影響，總結(jié)了塑封基板的疊孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)ABF 塑封基板疊孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，有助于提高產(chǎn)品的可靠性和性能，為增強(qiáng)型有芯一體化塑封基板的布線層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效指導(dǎo)。

1 ABF 塑封基板疊孔可靠性仿真

為實(shí)現(xiàn)對(duì)疊孔可靠性的有效預(yù)測(cè)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，本文基于Ansys 有限元分析軟件對(duì)典型的ABF 塑封基板的溫度循環(huán)疲勞壽命進(jìn)行仿真分析。分析過程中主要使用了瞬態(tài)熱學(xué)模塊、瞬態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊及疲勞分析模塊。

1.1 大尺寸跨尺度結(jié)構(gòu)仿真建模

常規(guī)的塑封有芯基板的疊孔尺寸較小，一般為微米級(jí)，芯片及塑封基板的整體尺寸為毫米級(jí)。采用子模型方法可以有效解決塑封基板整體模型及疊孔的跨尺度問題，在保證計(jì)算精度的同時(shí)大幅減少計(jì)算時(shí)間，因此本研究采用整體模型與子模型相結(jié)合的建模方法進(jìn)行分析。

具有芯板結(jié)構(gòu)的IC 封裝基板在結(jié)構(gòu)上主要分為3 個(gè)部分，中間部分為芯板，上下部分為積層，布線層之間通過銅過孔實(shí)現(xiàn)電氣連接[16]。典型的PBGA 封裝整體模型如圖1（a）所示，整體模型主要由熱沉、熱沉黏接膠、芯片、凸點(diǎn)焊層、布線層及芯層組成，采用1/4模型進(jìn)行建模，并對(duì)凸點(diǎn)焊層材料進(jìn)行均勻化處理。疊孔子模型如圖1（b）所示，主要包括芯片、凸點(diǎn)、底填膠、布線過孔、布線層及芯層，其中對(duì)凸點(diǎn)、布線過孔進(jìn)行了詳細(xì)建模，忽略芯層中的PTH 孔。在實(shí)際應(yīng)用中，依據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，基板內(nèi)存在多種疊孔，本模型采用的是1 種典型的3 層疊孔，內(nèi)部主要為銅填充，疊孔的S-N 曲線如圖2 所示，裸芯片的主要成分為硅，凸點(diǎn)使用Pb63Sn37 焊料。

圖1 PBGA 封裝結(jié)構(gòu)的整體模型與疊孔子模型

圖2 疊孔的S-N 曲線

1.2 疊孔的熱力耦合有限元模型

單次溫度循環(huán)的加載溫度為－65～150 ℃，在高低溫階段的停留時(shí)間均為15 min。在仿真中選取SOLID 186 單元模型，基于瞬態(tài)熱學(xué)模塊計(jì)算單次溫度循環(huán)時(shí)整體模型的溫度變化情況，將結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模塊，進(jìn)行熱力耦合分析，最后將整體模型應(yīng)力及溫度場(chǎng)結(jié)果作為邊界條件導(dǎo)入子模型，完成子模型的結(jié)構(gòu)仿真，基于單次溫度循環(huán)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算疊孔的疲勞壽命。為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)疲勞壽命仿真中設(shè)定的相關(guān)參數(shù)（應(yīng)力縮放因子、疲勞強(qiáng)度因子）加以修正。ABF 塑封基板疊孔的疲勞壽命仿真流程如圖3 所示。

圖3 ABF 塑封基板疊孔的疲勞壽命仿真流程

1.3 疲勞壽命的仿真預(yù)測(cè)

Ansys 軟件的疲勞分析模塊包含多種疲勞分析方法，本仿真采用應(yīng)力壽命分析和應(yīng)變壽命分析[17]?；赟-N 曲線進(jìn)行應(yīng)力壽命分析，Basquin 模型[18]是反映應(yīng)力幅值與疲勞壽命之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，表達(dá)式為

對(duì)于低周疲勞問題，一般采用應(yīng)變壽命分析，應(yīng)變壽命分析基于Coffin-Manson 方程[19]，該方程需要定義4 個(gè)應(yīng)變壽命特性參數(shù)和2 個(gè)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，通過這些參數(shù)來描述材料在低應(yīng)力水平下的疲勞壽命。Coffin-Manson 方程為

式中：K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

2 疊孔可靠性仿真結(jié)果分析

2.1 疊孔的疲勞壽命預(yù)測(cè)

某型號(hào)PBGA 封裝電路經(jīng)過約900 次溫度循環(huán)后，在疊孔與布線層連接處出現(xiàn)明顯的貫穿裂紋，圖4（a）為3 層疊孔斷裂處的SEM 圖，該裂紋出現(xiàn)在位于芯片中心位置的3 層疊孔處。為明確失效機(jī)理，優(yōu)化布線參數(shù)，基于1.1 節(jié)建立的有限元模型及仿真方法進(jìn)行熱應(yīng)力分析，依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，將子模型的位置設(shè)定在芯片中心區(qū)域，借助疲勞分析工具計(jì)算該位置處的單軸拉伸疲勞結(jié)果，選擇非對(duì)稱加載方式，在整體應(yīng)力縮放因子為0.6、疲勞強(qiáng)度因子為0.91 的條件下，應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)處的最小疲勞壽命循環(huán)次數(shù)的計(jì)算結(jié)果約為795 次，接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果（約900 次溫度循環(huán)）。芯片中心位置的3 層疊孔溫度循環(huán)疲勞壽命仿真結(jié)果如圖4（b）所示。

圖4 芯片中心位置的3 層疊孔SEM 圖及溫度循環(huán)疲勞壽命仿真結(jié)果

為驗(yàn)證疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，針對(duì)該型號(hào)PBGA 封裝電路位于芯片對(duì)角位置的2 層疊孔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及仿真分析。在經(jīng)歷了約850 次溫度循環(huán)后，2 層疊孔出現(xiàn)裂紋，圖5（a）為2 層疊孔斷裂處的SEM 圖，在疲勞計(jì)算中，在整體應(yīng)力縮放因子為0.6、疲勞強(qiáng)度因子為0.91 的條件下，2 層疊孔的溫度循環(huán)疲勞壽命仿真結(jié)果約為791 次循環(huán)，如圖5（b）所示，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（約850 次溫度循環(huán)）較為接近，這說明針對(duì)該型號(hào)PBGA 封裝電路的塑封基板疊孔，使用當(dāng)前設(shè)定的疲勞計(jì)算參數(shù)得到的仿真結(jié)果是可靠的。

圖5 芯片對(duì)角位置的2 層疊孔SEM 圖及溫度循環(huán)疲勞壽命仿真結(jié)果

2.2 影響疊孔可靠性的因素

2.2.1 疊孔位置對(duì)可靠性的影響

為了評(píng)估塑封基板不同位置疊孔的可靠性，選取芯片中心、芯片對(duì)角和基板對(duì)角3 個(gè)典型位置的疊孔對(duì)3 層疊孔的可靠性進(jìn)行仿真研究。通過調(diào)整子模型相對(duì)于整體模型的坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置疊孔的仿真，位于基板對(duì)角位置疊孔的子模型不包含芯片、凸點(diǎn)和底填膠等。不同位置的3 層疊孔疲勞壽命仿真結(jié)果如圖6 所示，其中，基板對(duì)角位置疊孔受到的應(yīng)力最小，疲勞壽命仿真結(jié)果約為933 次循環(huán)，芯片中心位置疊孔的疲勞壽命仿真結(jié)果約為795 次循環(huán)，芯片對(duì)角位置疊孔受到的應(yīng)力最大，疲勞壽命仿真結(jié)果約為509 次循環(huán)。芯片對(duì)角位置疊孔的疲勞壽命相比中心位置疊孔下降約36%。溫度變化過程中各層材料間的CTE 失配導(dǎo)致界面間產(chǎn)生較大的應(yīng)力，其中各界面邊緣處產(chǎn)生的應(yīng)力最大，因此芯片邊角位置疊孔的可靠性較低，在布線設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免在該位置設(shè)計(jì)較多疊孔。

2.2.2 疊孔層數(shù)對(duì)可靠性的影響

常規(guī)的PBGA 封裝基板布線層存在多種疊孔，為探究疊孔層數(shù)對(duì)基板可靠性的影響，選擇芯片對(duì)角位置的疊孔，分別對(duì)2 層、3 層及4 層的疊孔進(jìn)行仿真分析。不同層數(shù)疊孔的疲勞壽命仿真結(jié)果如圖7 所示，各疊孔的應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)均位于最下層過孔根部位置與布線層連接處，2 層、3 層及4 層疊孔的疲勞壽命分別約為791 次、509 次及351 次循環(huán)，隨著疊孔層數(shù)的增加，基板可靠性顯著降低，相比于2 層疊孔，4 層疊孔疲勞壽命下降約55.6%，原因可能是隨著疊孔層數(shù)的增加，疊孔處的彎矩增大，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞壽命下降。以1 000 次循環(huán)作為判據(jù)，在當(dāng)前材料及幾何參數(shù)下，芯片對(duì)角位置的3 層、4 層疊孔的疲勞壽命均已不滿足要求。

圖7 不同層數(shù)疊孔的疲勞壽命仿真結(jié)果

2.2.3 芯層厚度對(duì)可靠性的影響

芯層是有芯塑封基板的主要組成部分，其厚度的變化直接影響封裝內(nèi)部各組分的占比，進(jìn)而影響熱加載條件下內(nèi)應(yīng)力的分布及基板翹曲程度。基板特定位置的內(nèi)應(yīng)力變化對(duì)疊孔可靠性有較大影響，為了研究疊孔溫度循環(huán)疲勞壽命隨芯層厚度的變化情況，對(duì)芯片對(duì)角位置的3 層疊孔進(jìn)行仿真分析。在芯層厚度分別為0.4 mm、0.8 mm 和1.2 mm 時(shí)，疊孔的溫度循環(huán)疲勞壽命仿真結(jié)果如圖8 所示，從圖8 可知，隨著芯層厚度的增加，疊孔溫度循環(huán)疲勞壽命呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，每增長(zhǎng)0.4 mm，疊孔壽命相較于芯層厚度增長(zhǎng)前分別降低約22.1%和27.5%，這是由于芯層材料與積層材料的CTE 差異較大，芯層厚度的增加加劇了材料間的熱失配程度，導(dǎo)致疊孔可靠性降低。在3 種芯層厚度下，芯片對(duì)角位置的3 層疊孔的可靠性均不滿足1 000 次循環(huán)的要求，因此，當(dāng)芯片邊緣位置的多層疊孔較多時(shí)，應(yīng)盡量避免使用芯層較厚的塑封基板。

圖8 不同芯層厚度時(shí)疊孔的溫度循環(huán)疲勞壽命仿真結(jié)果

2.2.4 布線長(zhǎng)度對(duì)可靠性的影響

在實(shí)際的封裝基板中，依據(jù)不同的布線形式，不同層間過孔的布線距離也有所不同，常規(guī)的塑封基板過孔間布線距離為5～370 μm。本文以芯片對(duì)角位置的2 層疊孔為例，針對(duì)孔間布線距離分別為5 μm、155 μm 和370 μm 的疊孔進(jìn)行仿真分析，不同布線距離下疊孔的溫度循環(huán)疲勞壽命仿真結(jié)果如圖9 所示，分別約為395 次、475 次及509 次循環(huán)?？梢钥闯?，隨著孔間布線距離的減小，疊孔疲勞壽命下降，相比于布線距離為370 μm 的疊孔，布線距離為5 μm 的疊孔疲勞壽命降低約22.4%，在彎矩相似的情況下，布線距離的縮短導(dǎo)致疊孔根部應(yīng)力增加，進(jìn)而降低了疲勞壽命。

圖9 不同布線距離下疊孔的溫度循環(huán)疲勞壽命仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出了ABF 塑封基板疊孔溫度循環(huán)疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法，并進(jìn)行溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，基于提出的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，對(duì)疊孔位置、疊孔層數(shù)、芯層厚度、布線長(zhǎng)度等因素進(jìn)行了進(jìn)一步仿真分析，結(jié)論如下。

1）采用仿真方法得到的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，銅布線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在底端過孔與布線層連接處，與實(shí)際失效情況相符。

2）不同布線結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均集中在最下層過孔與布線層連接的根部位置，該位置同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)中的主要失效位置。

3）仿真分析結(jié)果表明，芯片對(duì)角位置疊孔疲勞壽命較低，同時(shí)疊層數(shù)量、芯層厚度的增加及走線距離的縮短均會(huì)使疊孔可靠性降低。

綜上所述，在布線設(shè)計(jì)中應(yīng)充分結(jié)合仿真分析結(jié)果，合理選擇較優(yōu)的布線參數(shù)，避免在芯片邊緣位置設(shè)計(jì)多層疊孔以及進(jìn)行短距離布線，選用較薄的芯層也有助于提升基板可靠性。