朱國(guó)靈，韓星，徐小明，季振凱

（無(wú)錫中微億芯有限公司，江蘇無(wú)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(duì)便攜性、多功能性的需求日益迫切，芯片設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(guò)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(huì)引發(fā)熱失配，導(dǎo)致電路在溫度循環(huán)試驗(yàn)、回流焊時(shí)易發(fā)生互聯(lián)凸點(diǎn)開(kāi)路失效，進(jìn)而影響封裝可靠性[2]。行業(yè)技術(shù)人員對(duì)倒裝焊凸點(diǎn)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(huì)影響凸點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布和互連可靠性[3]。高娜燕等人通過(guò)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(guò)試驗(yàn)方法研究了凸點(diǎn)在電流應(yīng)力作用下的失效機(jī)制[5]。黃春躍等人通過(guò)對(duì)凸點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行熱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變分析，研究了凸點(diǎn)與疲勞壽命之間的關(guān)系[6]。現(xiàn)階段針對(duì)封裝制程改善措施的相關(guān)研究比較缺乏。

本文針對(duì)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(shí)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(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，分析失效原因并提出針對(duì)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(chǔ)器和普通信號(hào)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(yàn)，試驗(yàn)溫度為－65～150 ℃，循環(huán)500 次后，19 顆電路發(fā)生開(kāi)路失效，失效率為23.75%。對(duì)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(diǎn)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(diǎn)切片的SEM 圖，失效封裝電路的芯片邊緣凸點(diǎn)與焊盤(pán)無(wú)接觸，圖1（b）為失效封裝電路的芯片邊緣凸點(diǎn)的3D 圖像。裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)闇囟妊h(huán)時(shí)凸點(diǎn)受到的應(yīng)力大于其材料可承受的蠕變或材料剪切強(qiáng)度。這些裂紋可能會(huì)導(dǎo)致凸點(diǎn)和基板出現(xiàn)明顯的位置偏移。在溫度循環(huán)試驗(yàn)中有機(jī)基板的形變最明顯，較大的形變會(huì)影響芯片邊緣凸點(diǎn)與焊盤(pán)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(yàn)時(shí)，溫度循環(huán)和回流焊過(guò)程中的高低溫變化容易導(dǎo)致基板翹曲和凸點(diǎn)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(diǎn)所受應(yīng)力。

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

2 有限元仿真分析

2.1 溫度循環(huán)試驗(yàn)建模與仿真分析

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

2.1.1 溫度循環(huán)試驗(yàn)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(yàn)的仿真模型如圖2 所示。在仿真參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要限制凸點(diǎn)底端自由度，將溫度設(shè)置為－65～150 ℃，零應(yīng)力溫度點(diǎn)為25 ℃，循環(huán)次數(shù)為500 次，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)1 min，停留時(shí)間不少于10 min。

表1 模型參數(shù)

圖2 溫度循環(huán)試驗(yàn)的仿真模型

2.1.2 溫度循環(huán)試驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)受應(yīng)力影響最顯著位置，降溫階段芯片邊緣位置的凸點(diǎn)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(diǎn)易因疲勞產(chǎn)生失效。

圖3 降溫階段基板翹曲和凸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)受應(yīng)力影響最顯著位置，升溫階段的凸點(diǎn)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(diǎn)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(shì)，形變量從基板的中心位置向邊緣位置逐漸增大，且凸點(diǎn)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(diǎn)更容易因?yàn)槠诎l(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(guò)控制基板翹曲、減少凸點(diǎn)損傷和降低殘余熱應(yīng)力等方式增強(qiáng)凸點(diǎn)焊接強(qiáng)度才是解決凸點(diǎn)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(diǎn)失效的工序?yàn)榛亓骱福叩蜏刈兓菀讓?dǎo)致凸點(diǎn)蠕變和內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，進(jìn)而引發(fā)失效?；亓骱高^(guò)程與溫度循環(huán)試驗(yàn)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(diǎn)更易發(fā)生失效，因此在回流焊過(guò)程中主要針對(duì)降溫階段進(jìn)行仿真。采用與溫度循環(huán)試驗(yàn)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(shí)的方式保持一致，回流焊過(guò)程的仿真模型如圖5 所示。在仿真參數(shù)設(shè)置時(shí)，需要限制基板自由度，凸點(diǎn)材料為SnAg1.8，其熔點(diǎn)為221 ℃，因此將溫度設(shè)置為220～25 ℃，零應(yīng)力溫度點(diǎn)為25 ℃，降溫速率為0.8 ℃/min。

圖5 回流焊過(guò)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(diǎn)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(diǎn)最易發(fā)生失效的位置，芯片邊緣位置的凸點(diǎn)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(diǎn)向外傾斜，且邊緣位置的凸點(diǎn)傾斜度最大，芯片邊緣位置的凸點(diǎn)所受應(yīng)力最大，該位置凸點(diǎn)受到的應(yīng)力接近凸點(diǎn)強(qiáng)度極限，易造成凸點(diǎn)斷裂失效。

圖6 回流焊降溫階段基板翹曲和凸點(diǎn)受力情況

3 改善措施

結(jié)合溫度循環(huán)試驗(yàn)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(diǎn)受力最大，芯片邊緣位置為最易發(fā)生凸點(diǎn)失效的位置。溫度循環(huán)試驗(yàn)作為一種檢驗(yàn)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(diǎn)與焊盤(pán)結(jié)合強(qiáng)度可以有效降低焊接風(fēng)險(xiǎn)。

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(guò)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(gè)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(shí)的翹曲，確保凸點(diǎn)與焊盤(pán)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(duì)同一款封裝電路，在其他條件相同的前提下，凸點(diǎn)的焊接強(qiáng)度主要取決于其與焊盤(pán)的有效焊接面積，有效焊接面積越大，焊接強(qiáng)度越高。采用在焊盤(pán)上預(yù)制焊料的方法可顯著提高凸點(diǎn)與焊盤(pán)的有效焊接面積，從而提高焊接強(qiáng)度，增強(qiáng)凸點(diǎn)在回流焊階段的焊接穩(wěn)定性，沒(méi)有預(yù)制焊料和在焊盤(pán)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(shí)際加工時(shí)凸點(diǎn)直徑存在±10%的公差，阻焊層開(kāi)窗尺寸存在±15 μm 的公差，當(dāng)綠油開(kāi)窗偏公差下限或凸點(diǎn)直徑偏公差上限時(shí)，基板翹曲可能會(huì)導(dǎo)致凸點(diǎn)與焊盤(pán)無(wú)法接觸或接觸面積過(guò)小，凸點(diǎn)出現(xiàn)虛焊或漏焊的情況，正常焊接的凸點(diǎn)與虛焊、漏焊的凸點(diǎn)對(duì)比如圖9 所示。

圖8 倒裝焊流程

圖9 正常焊接的凸點(diǎn)與虛焊、漏焊的凸點(diǎn)對(duì)比

采用磁性載具和預(yù)制焊料的方法對(duì)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(guò)500 次溫度循環(huán)后沒(méi)有出現(xiàn)電性能異常和開(kāi)路失效，優(yōu)化后封裝電路的凸點(diǎn)切片如圖10 所示。由圖10 可知，凸點(diǎn)焊接完整、形狀標(biāo)準(zhǔn)，凸點(diǎn)與基板的相對(duì)位置穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生明顯的偏移，基板無(wú)明顯翹曲。

圖10 優(yōu)化后封裝電路的凸點(diǎn)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(yàn)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(duì)固定，改善異常的根本措施是通過(guò)優(yōu)化封裝制程，降低基板翹曲并提高凸點(diǎn)與基板的結(jié)合強(qiáng)度。可采取以下具體措施。

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(qiáng)凸點(diǎn)與焊盤(pán)的結(jié)合力，避免凸點(diǎn)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(guò)程的角度來(lái)審視有機(jī)基板封裝的集成電路的質(zhì)量和可靠性。