王歡，林瑞仕，朱旭鋒，胡圣，李凌

（1.西安微電子技術研究所，西安 710068；2.北京航天自動控制研究所，北京 100076）

1 引言

倒裝焊是一種采用芯片倒扣方式，通過內焊點、導帶、外焊點的連接方式將芯片內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，倒裝焊技術逐漸成為主要的高密度封裝技術之一[2]。

倒裝焊結構的大規(guī)模集成電路由于引出端多、結構復雜，難以定位其失效部位[3]。根據倒裝焊球柵陣列（BGA）結構的特點，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構電路焊點失效的模式與機理。

2 焊點失效分析方法

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構異常部位的問題，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 焊球所在平面進行平行研磨，在顯微鏡下對焊點進行觀察，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、高度不一致現象。針對開路失效模式，需采用側向研磨方式，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，且需進行預先處理。

3 焊點失效案例分析

3.1 外焊點失效

外焊點失效主要與工藝參數使用不當和制造缺陷有關。

3.1.1 使用不當

當BGA 器件經過熱烘，或者未嚴格按照手冊要求控制器件上板時的焊接溫度與時間，將導致外部焊點過熔，進而產生接觸性問題。

焊接時間過久導致基板變形，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）

對器件進行X 光透視觀察可知，器件的多個外焊點變形較為嚴重，較多焊點呈現不規(guī)則形貌，如圖2（a）所示。經過進一步研磨分析，發(fā)現局部焊點下方存在多處間隙，內部分層形貌如圖2（b）所示。這充分說明鼓包位于焊點所在基板與PCB 之間。在熱應力情況下，材料的熱膨脹系數不同導致外焊點開路。

圖2 焊點不規(guī)則形貌和內部分層形貌

3.1.2 制造缺陷

在嚴格控制溫度與時間的情況下，依然會出現局部焊點開路的現象，這主要是由于在制造過程中引入的氣體導致焊點內部產生空洞。

某型號電路在使用22 天后出現邏輯信號異常問題。拆解后檢查外觀發(fā)現，局部焊點所在基板有微小的凸出現象，如圖3（a）所示。將這只電路從側面進行研磨，研磨至鼓包位置后，在立體顯微鏡下對電路內部進行仔細觀察，發(fā)現電路鼓包位置的內部存在分層空隙，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，均未出現類似現象，證明在封裝時該位置是因工藝原因導致分層，其內部存在氣體，在后期溫度變化時，氣體膨脹造成鼓包，導致BGA 外焊點開路。

某模塊使用了FPGA 電路，其A10 端口出現時通時斷現象。經分析，發(fā)現在FPGA 器件A10 端口內部的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（內圈）的5.5%。從A10 端口引線柱到芯片內壓焊點處的其他部位未發(fā)現異常。

圖4 焊球空洞形貌和空腔金相形貌

根據X 光透視觀察到的結果對該樣品的剖面進行制樣觀察，發(fā)現靠近器件一側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FPGA電路的BGA 焊球接觸不良。導致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?。ㄩg距小于小空洞半徑），且靠近器件焊盤，在長期電應力和環(huán)境應力的累積作用下造成空洞邊緣疲勞損傷，最終導致器件層與焊球之間出現微裂紋，形成斷裂面。

3.2 內焊點失效

內焊點失效主要表現為短路、開路兩種失效模式。由于內焊點位于芯片下方且非常密集，失效形貌一般比較隱蔽，因此對于內焊點失效電路，本文采用平行研磨方式進行分析。

3.2.1 短路

BGA 器件內焊點短路失效的典型形貌如圖5 所示。從圖5（a）可知，該器件內焊點存在不規(guī)則形貌，對其進行制樣研磨后，可見芯片下方內焊點存在大面積連錫形貌，如圖5（b）所示。

圖5 內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，翻轉芯片進行高溫加熱，焊料熔融使芯片與基板結合，再使用非導電材料填充底部。如果填充區(qū)存在空洞，會出現以下幾種情況：

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，空洞內氣體膨脹出現“爆米花”效應，造成鍵合結構破壞或器件整體結構破壞；

3）當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，可能導致焊點短路，或部分區(qū)域焊料變少、不足導致焊點開路等失效現象。

該電路在焊接后出現了內部電源短路的失效現象，因此，其內部大面積連錫應與焊接過程中操作不當有關。當倒裝焊器件的填充料存在空洞且焊接溫度高于內部結構焊料的熔點時，焊料熔融形成連錫現象，導致器件短路失效。

3.2.2 開路

某型號BGA 電路的R19 等多個端口出現開路現象，為觀察芯片與基板之間的焊接工藝，對樣品進行制樣后，從基板一側沿平行于芯片表面的方向進行研磨，研磨過程中重點檢查失效焊點附近位置的內部焊接情況。研磨后內焊點的內部形貌如圖6 所示，可以明顯看到內焊點的缺失，共面性差。這是由于焊料填充不足或在后期受熱后流動，導致其與芯片無法正常連接。

圖6 研磨后內焊點的內部形貌

4 長期服役電路焊點失效機理

倒裝焊結構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。

4.1 焊點熱失效

倒裝焊結構器件由焊球、基板和PCB 等組成，不同材料之間的熱膨脹系數差異較大。同時焊點與PCB和基板之間的連接為剛性連接，長期使用易導致焊點出現蠕變和應力集中變形[5-7]。此外，隨著服役時間的增加，應力會逐漸累積，導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，對樣品進行制樣后，對器件的L24 管腳進行檢查，發(fā)現L24管腳位置的PCB 上下層導帶采用焊錫料連接，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，局部焊點可能會產生縫隙，使得焊點與導帶的結合強度下降，出現局部接觸不良或開路現象，從而導致器件功能失效。通過溫度循環(huán)應力可以加速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，C0為常數，△T 為絕對溫度差，q 為Coffin-Manson 指數。

加速因子AF的表達式為

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)應力加速試驗模型中未知參數有兩個，因此至少需采用兩組絕對溫度差進行試驗。

4.2 焊點吸潮失效

倒裝焊結構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滲透到金屬互連線表面，會發(fā)生腐蝕反應。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 后出現功能失效、器件封裝體開裂、多個焊點開路等現象，超聲掃描結果顯示器件內部存在分層現象，如圖8 所示。經分析，該器件封裝體內的環(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，導致內部水汽壓力過大，使模制材料（環(huán)氧樹脂化合物）膨脹，導致器件出現分層剝離、開裂、焊點開路等失效現象，即“爆米花”效應。

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，Ea為腐蝕反應激活能，k 為波爾茲曼常數，T 為工作溫度。

對Peck 模型兩邊取對數，則得到模型：

5 分析與討論

結合實際案例及機理分析，倒裝焊結構的電路焊點失效主要由制造過程中的材料質量管控、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。

5.1 與制造有關的注意事項

在封裝過程中，應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 器件封裝體內的水汽。在倒裝焊器件的貯存過程中，還應設置合適的環(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散實現的，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，在填充時應選擇流動性較好的填充材料，以避免空洞的產生。

5.2 與使用有關的注意事項

在對PCB 進行設計時，應盡量選擇熱膨脹系數差異較小的材料，以避免在長期使用過程中由于熱失配導致的焊點疲勞失效。優(yōu)化電路板的空間設計，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。

5.3 與裝配有關的注意事項

在焊接之前應進行充分預熱，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，定期對焊接設備進行計量和校準，盡可能優(yōu)化焊接工藝，設置合理的溫度曲線，避免因焊接時間過長或溫度過高而導致器件焊點熔融失效。

6 結論

本文從器件封裝制造的角度，探討了倒裝焊結構大規(guī)模集成電路的焊點失效模式與失效機理，針對可能誘導失效的因素，從制造工藝、使用和裝配方面提出了一系列預防措施。在正確的制造和使用情況下，集成電路的倒裝焊結構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、廣泛地應用在未來的大規(guī)模集成電路中。