（材料物理与化学专业论文）温度冲击条件下倒装焊可靠性的研究.pdf

摘要 摘要 本文采用温度冲击方法对严酷条件下倒装焊接的可靠性及相关问题进 行了深入研究。研究了印刷电路板和陶瓷衬底、不同性能的底层填料、助焊 剂、焊接气氛等不同因素组合情况下的组装模块特别是焊点的寿命及其与所 选择的材料、工艺的关系。研究了模块的失效模式和失效机理。通过系统研 究，拥有了分析倒装焊模块可靠性完整的技术实力，包括材料2 1 艺的选择 和优化、研究测试手段和结果的分析评估、计算机模拟等方面；同时积累 了丰富的实际经验。 对于不同材料工艺参数焊点可靠性的评估取决于是否能有效地监测焊 点裂纹的萌生和扩展过程。对于无底充胶的样品，染色试验与s e m 端口分析 可以用来定量确定裂纹的区域与分布。对于有底充胶的样品，发展了高频超 声检测技术在倒装焊接中的应用。特别是通过研究，发现高频超声图像的衬 度可以很好地反映焊点内微裂纹的萌生与扩展程度。该结果为揭示不同材 料、工艺因素对焊点可靠性的影响提供了重要同时也是十分有效的技术手 段。 使用底充胶可以明显提高倒装焊s n p b 焊点的热疲劳寿命，无底充胶试 样焊点的平均寿命仅为3 7 周，填充底充胶试样的焊点平均热循环寿命分布 在1 5 0 0 2 9 0 0 之间，寿命提高了卜2 个数量级。倒装焊模块的焊点寿命主要 由焊点热疲劳失效决定。底层填料的材料的力学性能具有决定性作用。热应 力重分配的决定性因素为底充胶杨氏模量，热膨胀系数的影响相对较小。底 层填料的使用在大大提高焊点寿命的同时，改变了整个模块内的应力分布， 从而使得模块的失效特征完全不同于未充胶模块，失效模式和机理变动更为 复杂。出现印刷电路板开裂等新失效模式。与未充胶模块不同，充胶倒装焊 接模块的焊点寿命与焊点的高度、焊点的中心距之间的相关性不大。寿命主 要取决于材料力学性能及是否出现界面分层。 可靠性试验的热应力可导致底层填料与芯片之间出现分层。底充胶分 层虽然不是焊点失效的主要原因，但是分层的出现会导致焊点寿命明显下 降。分层出现与否取决于界面粘合强度和应力的竞争，因而由封装构型及材 料特性决定。 摘要 不同助焊剂及用量可影响焊点形貌；焊接过程中的挥发物和残留物会 影响界面粘合强度；同时助焊剂和底层填料及焊接气氛还存在兼容性问题， 因而选择材料、工艺组合时，必须针对具体组合进行充分实验论证。 在国际上第一次报道了焊点的周期性开裂现象，并用充分的试验证据 阐明该现象的发生与印刷电路板内玻璃纤维的分布有关。由于玻璃纤维的周 期性分布使的焊点中出现周期性应力调制，从而导致应力较高的焊点中裂纹 易于萌生并扩展。该结果说明在充胶倒装焊接研究中，至少在某些情况下， 可能必须考虑印刷电路板的结构及力学性能上昀不均匀性。雨不能简单地将 其视为均匀介质处理。 针对焊点可靠性开展了计算机模拟研究，利用s n p b 焊点热冲击循环寿 命的实验数据和有限元模拟得到的的塑性功，基于c o f f i a m a n s o n 经验方程 与d a r v e a u x 模型，建立倒装焊s n p b 焊点热冲击循环失效的寿命估计模式。 同时，针对试验中发现的些失效模式进行了应力应变分布分析。建立的模 型及参数可以很好地符合试验结果。 关键词：焊点可靠性，倒装焊，底充胶，分层，周期性开裂 英文摘要 a b s t r a e t c k e n gb o ( m a j o r m a t e r i a l p h y s i c sa n dc h e m i s t r y ) s u p e r v i s e db yp r o f x i ex i a o m i n g i nt h i st h e s i s ，t h er e l i a b i l i t ya n dr e l e v a n tq u e s t i o n so ff l i pc h i p o nb o a r d ( v c o b ) f o rh a r s he n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o n w e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h e r m a l s h o c kt e s t d i f f e r e n tm a t e r i a l ) r o c e s sc o m b i n a t i o n s ( f r 4a n dc e r a m i c ss u b s t r a t e s ， f i v ed i f f e r e n tu n d e r f i l l s ，t w ot y p e so ff l u x ，t w od i f f e r e n ts o l d e r i n ga t m o s p h e r e s e t c ) w e r ed e s i g n e dt oh a v eag o o du n d e r s t a n d i n go f t h es o l d e r j o i n td e g r a d a t i o n t h ef a i l u r em o d e sa n dm e c h a n i s m sw e r ea n a l y z e d ag o o dc o m p e t e n c er e g a r d i n g f l i pc h i pr e l i a b i l i t yd e s i g na n de v a l u a t i o nw a s e s t a b l i s h e di n c l u d i n gs e l e c t i o na n d o p t i m i z a t i o no fm a t e r i a l s p r o e e s s ，t e s tm e t h o d s ，r e s u l ta n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) p l e n t i f u lp r a c t i c a le x p e r i e n c ew a sa c c u m u l a t e d a g o o d e v n u m i o no f d i f f e r e n tm a t e r i a l p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h es o l d e r j o i n t r e l i a b i l i t yd e p e n d so i lv e r ym u c hw h e t h e rt h es o l d e rj o i n tc r a c ki n i t i a t i o na n d p r o p a g a t i o np r o c e s s c a nb ee f f e c t i v e l ym o n i t o r e d t h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o n s h o w sf o ra s s e m b l yw i t h o u tu n d e r f i l t ，b o t hd y ep e n e t r a t i o na n ds e mf r a c t u r e a n a l y s i sc a l lb eu s e dt od e t e r m i n eq u a n t i t a t i v e l yt h ec r a c ka r e aa n dd i s t r i b u t i o n a n df o ru n d e r f i l l e d a s s e m b l i e s ，a p p l i c a t i o n o f h i g h f r e q u e n c y u l t r a s o n i c m i c r o s c o p y i n f l i pc h i pi n s p e c t i o n w a s d e v e l o p e d e s p e c i a l l y ，i n v e s t i g a t i o n i n d i c a t e st h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o na n dg r o w t hd i r e c t l yc o i n c i d ew i t ht h ec o n t r a s t v a r i a t i o no fs o l d e rj o i n ti nc s a mi m a g e s t h er e s u l t sp r o v i d ei m p o r t a n ta n d q u i t ee f f e c t i v em e t h o dt os t u d ye f f e c t so fm a t e r i a l p r o c e s so nt h es o l d e rj o i n t r e l i a b i l i t y t h et h e r m a lf a t i g u el i f e t i m eo fs n p bs o l d e r j o i n t sc a nb eg r e a t l yi n c r e a s e db y a p p l y i n gu n d e r f i l le n c a p s u l a n ti nf c o b ( f r o m3 7c y c l e sw i t h o u tu n d e r f i l lt o 1 5 0 0t o2 9 0 0c y c l e s ，am a g n i t u d eo f1 2o r d e r sh i g h e r ) t h es o l d e r j o i n tl i f e t i m e w a sg o v e r n e db yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eu n d e r f i l lm a t e r i a lr a t h e rt h a n d e l a m i n a t i o n f o rt h es e l e c t e du n d e r f i l l m a t e r i a l s ，y o u n g s m o d u l u sh a st h e 英文摘要 h i g h e s ti n f l u e n c e o ns t r e s sl e v e li nt h es o l d e rj o i n t sc t e o fu n d e r f i l lh a sr e l a t i v e l i t t l ei n f l u e n c e w h i l ei m p r o v i n gt h es o l d e rj o i ml i f e t i m e ，i tn e e d st ob en o t i c e d t h a tu n d e r f i l la l s oc h a n g e st h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ew h o l ea s s e m b l y ，t h u s c r e a t i n gc o m p l e t e d i f f e r e n tf a i l u r em o d e sr e l a t i v et on ou n d e r t i l l a s s e m b l y f a i l u r em o d e sa n df a i l u r em e c h a n i s mb e c o m em o r ec o m p l i c a t e d n e wf a i l u r e m o d e sl i k ef r 4s u b s t r a t ec r a c ka r i s e u n l i k en ou n d e r f i l la s s e m b l y ，s o l d e rj o i n t l i f e t i m eo fu n d e r f f i l e da s s e m b l yh a sl i a l ec o r r e l a t i o nw i t ht h eh e i g h to ft h es o l d e r j o i n ta n dd i s t a n c et ot h en e u t r a lp o i n t ( d n p ) t h et h e r m a lf a t i g u el i f e o fs n p b j o i n t si nf l i pc h i pl i e so i lu n d e r f i l lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dd e l a m e n a t i o n a l t h o a g hp r o v e nt o b en o tt h ed o m i n a t i n gf a c t o r ，d e l a m i n a t i o nd o e ss h o w c l e a ri n f l u e n c eo nt h es o l d e rj o i n tr e l i a b i l i t y t h eu n d e r f i l ld e l a m i n a t i o nc o u l d d e c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t s d e l a m i n a t i o ni n i t i a t i o nd e p e n d so nt h e c o m p e t i t i o nb e t w e e n i n t e r f a c i a ls t r e s sa n da d h e s i o n s oi ti sd e c i d e db y p a c k a g i n g f r a m ea n dm a t e r i a l p r o p e r t i e s d i f f e r e n tf l u x e sa n dt h e i rq u a n t i t ya f f e c ts o l d e rs h a p e r e s i d u e sa n dv o l a t i l e m a t e r i a l m a yd e g r a d e t h ea d h e s i o nb e t w e e nt h eu n d e r f i l lm a t e r i a la n di t s s u r r o u n d i n g sc a u s i n ge a r l yd e l a m i n a t i o nd u r i n gr e l i a b i l i t yt e s t so rd e v i c es e r v i c e c o m p a t i b i l i t yo f f l u xa n du n d e r f i l tm a t e r i a la n d p r o c e s s e si sa n o t h e rp r o b l e m s o t h a ts e l e c t i o no fag i v e nc o m b i n a t i o no f m a t e r i a l p r o c e s s ，n “辩b ed e m o n s t r a t e d b y t e s t p e r i o d i cs o l d e rj o i n tc r a c k i n gi sf i r s t r e p o r t e db yt h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o n a n di ti sv e r i f i e dt ob er e l a t e dw i t h 幽霉g l a s sf i b e rd i s t r i h u t o ni n s i d et h ep c b ， d u et ot h eg l a s sf i b e rc l o t hi nt h ep c b ，t h es o l d e r j o i n t sa r em o d u l a t e dw i t ha p e r i o d i cs t r e s s ，s ot h a tt h o s ew i t hh i g h e rs t r e s sa r em o r ep r u n et oc r a c ki n i t i a t i o n a n d p r o p a g a t i o n t h i so b s e r v a t i e ni n d i c a t e s ，a f t e ru n d e r f i l le n c a p s u l a t i o n ，i tm i # t b en ol o n g e rv a l i dt om o d e lt h ep c b a sah o m o g e n e o u sm a t e r i a l ，i n s t e a d ，l o c a l e f f e c t so nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sm i g h th a v et ob ec o n s i d e r e d 英文摘要 t h es o l d e rj o i n t sr e i i a b i l i t yu n d e rt h e r m a ls h o c kw a ss i m u l a t e dw i t ht w o d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l t h e r m a l c y c l e l i f e t i m e sa n dt h ec a l c u l a t e dp l a s t i cs t r a i nr a n g e sa n d p l a s t i cw o r k ，t h ep a r a m e t e r s i nc o f f i n m a n s o ne m p i r i c a le q u a t i o na n dd a r v e a u xm o d e lw e r ee s t a b l i s h e da n d t h e nf i t t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a s t i cs t r a i n r a n g e sa n dp l a s t i c w o r ki n t h e r m a ls h o c ko fs o l d e rj o i n t sw i t hu n d e r f i l ld e c r e a s e dt r e m e n d o u s l y t h es t r e s s a n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nw a sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt os p e c i f i e df a i l u r em o d ef o u n di n t h et e s t t h em o d e la n dp a r a m e t e r so b t a i n e d a r ei n g r e a ta g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t k e y w o r d ：s o l d e rj o i n tr e l i a b i l i t y ；t h e r m a ls h o c k ；f l i pc h i po nb o a r d ；u n d e f f i l l ； d e l a m i n a t i o n ；p e r i o d i cc r a c k 第一章触电子封摹捌h 第一章微电子封装综述 1 电子封装 根据美国乔治亚工学院的r a or t u m m a l a 等主编的微电子封装手册中 所定义【1 1 ：集成电路封装是指将具有一定功能的屯子器件芯片，放置在一个 与之相适应的外壳容器之中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境。封装是 芯片功率输入、输出端同外界的过渡手段和信号的输入、输出端同外界的过 渡手段，同时也是器件工作所产生的热量向外扩散的手段。芯片封装后形成 了一个完整的整体，保护器件不受或少受外界环境的影响。并通过一系列的 性能测试、筛选以及各种环境、气候和机械的实验，来确保器件的质量，使 之具有稳定的、正常的功能。 电子封装发展总的原则是，在保证可靠性的前提下提高传输速度，提高 功率，提高散热能力，增加i 0 端口数，减少器件尺寸，降低生产成本。目 前，i c 封装概念已由器件封装扩展为电子封装，即包括从芯片到组装在印刷 电路板( p g b ) 上的全过程。理论上，晶片规模集成( w s i ) ，即在一个晶片上制 作出整个系统或次级系统并进行封装，最后切割开来成为一个个器件，是最 理想化的微电子封装，然而，由于集成电路工艺技术所限，导致w s i 成品率 低，迄今为止，微电子产业一般仍采用先将晶片划分为一系列单个芯片，在 进行各个芯片各自封装后，再进一步组装成系统，因此形成了微电子封装系 统中的多级封装组装体系。图1 1 示出了前三级封装组装层次图例，第一级 为芯片级封装，第二级为电路板( 或卡) 级组装。第三级为母板级组装。尽 管晶片没有包括在图中的封装层次里，但是集成电路芯片是取自整块晶片。 如何使一个芯片( 或多个芯片) 有效、可靠的封装成为微电子封装技术发展 的焦点。本章按封装跟芯片的关系，分为芯片级互连、一级封装、二级封装、 及芯片直接贴装四个方面进行描述。 沮度冲击蠢- 件下倒装朔l 可靠性的研究 图1 1 电子封装系统中前三级封装组装层次图例 f i g1 1t h r e e l e v e l so f e l e c t r o n i c p a c k a g ea s s e m b l y 11 芯片级互连 芯片与封装衬底间的电连接称为芯片级互连，芯片封装必须进行芯片与 封装衬底的互连。芯片不是一个孤立的整体，同其它芯片或系统的联系是通 过i o 端口和芯片级互连，才能实现芯片对外功率和信号的相互传递。由于 芯片的脆性和在芯片里刻蚀的电路，需要借助物理封装来固定和保护，并且 通过封装引线来实现芯片与其它芯片或系统问的电连接。不同的封装结构， 尤其是芯片级互连方式严重影响封装系统的工作性能，对所采用的芯片级互 连形式必须能够明确其电学参数，如：电阻、电感和电容，以适应系统的工 作要求。除电学功能，一些芯片级互连( 如：载带焊和倒装焊结构) 还能够 提供给芯片机械支撑，通过使用密封胶来封闭芯片金属化或缓解互连材料之 间的应力和应变。另外，任何好的电导体同时也会是一个好的热导体，些 互连线( 点) 与封装材料一起经常被设计完成芯片工作中的散热。因此，芯 片级互连中每个互连线( 点) 同时具有电、散热或机械支撑的作用。 微电子产业使用的最基本芯片级互连技术有以下三种：线焊( w i r e b o n d i n g ，w b ) 、载带焊( t a pa u t o m a t e db o n d i n g ，t a b ) 和倒装焊( f l i pc h i p b o n d i n g ，f c b ) 。芯片级互连简单来说是芯片与封装之间电的、某种程度上机 械的连接手段，芯片级互连常常由以上三种基本互连技术之一来实现。还有 些芯片和封装间的互连方法，诸如导电胶粘接、弹性体连接及它们的结合， 2 一童擞电子封蓑i 袅i 笔 虽然不常用，但却十分重要。后者广泛用于平板、液晶显示器中。 在三种基本的芯片级互连技术中，倒装焊技术是最有前途的互连技术， 表l l 【2 1 给出了三种芯片级互连有关参数。从表中可以看到，倒装焊封装互连 的电学数值是最低的，而封装密度是最大的，返修和可靠性也比较理想。因 此，它有最短的焊线路径、最低的电感、最高的频率、最好的噪声控制、最 高的封装密度、最多的i o 端口数、最小的器件引脚、最小的尺寸等等优点 3 】u 6 】，它迎合了微电子封装技术高密度、高可靠性、低成本( 在一定程度上) 的发展方向，它本身以及其混合技术正成为电子封装技术领域的热点。 表卜1 芯片级互连参数【2 线焊载带焊 倒装焊 连接金属 a la uc up b s n 电阻( n ) 0 0 3 50 ，0 30 0 20 0 0 2 电感( n h ) 0 6 50 6 52 1 00 ，2 0 0 电容( p f ) 0 0 0 600 0 60 0 40 0 0 1 i o 密度( c 订2 ) 4 0 04 0 04 0 0 6 0 0 返修p o o rp o o r p o o r g o o d _ 失效率( 1 0 0 0 h )i 1 0 一。l i 0 n a l f ) 8 必 1 0 1 0 q ，7 d a y s ，u n c l e a n e d b e l l c o r es i r ( p a s s 1 0 1 1 必 1 0 1 1 n ，4 d a y s ，u n c l e a n e d e l e c t r o m i g r a t i o n ( b e l l e o r e ， p a s sb o t he l e e l r i c a l l ya n dv i s u a l l y 5 0 0 h o u r s ) v i s c o s i v 4 0 0p o i s e ，5 r p m 助焊齐采用压印方法，具体方法如下，即在一不锈钢模具上预先加工一 一定深度的凹槽，将待用助焊剂充入凹槽然后刮平，以形成一定厚度的助焊 剂薄膜。然后将芯片吸起，垂直小心放入凹槽内，然后在小心垂直提起，从 而在每一焊点上自动涂上一定量的助焊剂。凹槽的厚度小于焊点的高度从而 防止芯片主动表面受到污染。助焊剂的涂敷过程的示意图如下： 第= 章试验设计、样品制备和检测 f i g24s c h e m a t i ci l t u s l a a l i o no f s p r e a d i n gf l u x 涂敷有助焊剂的芯片，采用倒装焊接设备与芯片对准后，放置在衬底的 焊盘上，然后启动倒装焊设备的回流焊接模块，即使用热空气或氮气在芯片 和衬底上产生一定的温度曲线，从而导致焊点熔化并实现焊接。焊接过程中 温度的峰值为2 s o o c 。典型回流焊接湿度曲线如图2 5 所示。 图2 5 典型回流焊接温度曲线 f i g 2 5r e f l o wp r o f i l eo f b o n d i n gp r o c e s s 在光学显微镜下观察所有样品。发现在基板焊点的周围没有可视残留物 存在，而且焊点表面光滑均匀，通过电学检测也发现所有样品电阻一致性很 好。焊接完毕的实验模块如图2 6 所示。 温度冲击条件下倒装焊可靠性的研究 图2 6 组装完毕的f r 4 和陶瓷衬底倒装焊接模块 f i g ，2 6o p t i c a li m a g eo f s b l e df l i p 出pt o o t l e ! 3 底充胶材料与填充工艺 倒装焊底充胶工艺采用毛细管吸附方法。先将组装好的模块采用热板加 嫩至指定预热温度，然后用注射器将填料沿芯片一侧挤出，由于表面张力导 改的毛细管力，填充胶将自动流入并充满芯片与衬底之间的空隙。填充过程 受填充后的器件的示意图如下图所示。 ( a ) 毛细管充胶过程示意图 第= 章试驻设计、样品制鲁和妆测 ( b ) 填胶后的倒装焊接器件 图2 7 底充胶填充过程示意图 f i g2 7s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f u n d e r f i l l i n g 底充胶材料可以有效缓解芯片与基板热失配，并改善由于热失配而引发 的焊点可靠性问题，提高焊点热疲劳寿命。但是底充胶材料参数对焊点寿命 的提高程度有着密切的关联。首先，在底充胶材料参数中热膨胀系数应该与 焊球材料相匹配，由于两种实验芯片的焊球均为共晶铅锡焊料( c t e 为 2 4 3 p p m “c ) ，因此，底充胶材料的热膨胀系数可以选择在2 0 4 0 p p m 。c 之 间59 1 。其次，底充胶材料的杨氏模量和玻璃化温度必须足够高，这样对焊 点可靠性的改善才有帮助。另外，底充胶材料对裸片以及基板的粘合力的大 小，决定了它防止分层的能力，对焊点可靠性的影响也必须考虑。实验使用 美国某公司两种产品和日本菜公司生产的三种底充皎产品，表2 - 2 给出底充 胶材料的相关性能参数。 图2 8 ( a ) 和图2 8 ( b ) 分别为f r 4 和陶瓷衬底底充胶固化后的典型c - s a m 声学图象，从图中可以观察到实验焊点衬度均匀，焊接质量很好，底充胶填 充层完整无空洞、气泡和分层等缺陷存在。 表2 2 底充胶材料参数 u n d e r f i l l c t e ( t g ) y o u n g sa p p a r e n t t g ( 。c 1 m o d u l u sa d h e s i o n t y p e( p p m 。c )( p p m 。c ) ( g p a )( m p a ) u a1 3 03 51 1 02 81 4 u b】5 52 58 03 51 4 u c1 3 73 21 2 097 5 u d1 3 03 21 0 01 06 2 5 u e1 3 52 61 1 097 5 沮度冲击条件下倒- ! 裘蠲l 可靠性的研究 ( a ) f r 4 衬底( b ) 陶瓷衬底 图2 8 典型试样填胶后c - s a m 声学图象 f i g 2 8c - s a mi m a g ed u r i n gp r e p a r e dp r o c e s s e s 3 实验设计：材料和工艺组合 印刷电路板为衬底的倒装焊接材料和工艺组合如下表： 表2 3f r 4 衬底实验模块材料工艺组合设计 s a m p l eg r o u p s u n d e r f i l l sf l u x f l u xf i l m t h i c k n e s s a 皿0 8 p h ” a lu a f l5 0 岫a i r a 2 u af 1 2 0 a m a i r a 3u af 2 5 0 a m n 2 a 4u a f 22 0u mn 2 a 5 u af 23 0u ma i r b 1 u bf 1 3 0 a m n 2 b 2u bf 【 5 0 a m a i r b 3 u bf 2 2 0 a m a i r b 4u b f 25 0ma i r b 5 u bf 2 2 0 a m n 2 c 1u cf l 2 0 a m a i r c 2u cf i 3 0 a m n 2 c 3 u c f 2 5 0 a m n 2 c 4 u cf 2 2 0 u ma i r c 5 u cf 2 5 0 a m a i r d l u df 1 2 0 p r o n 2 d 2u d f 1 5 0 a m n 2 d 3 u df 2 5 0 a m a i r d 4u df 2 3 0 a m a i r d 5u d f 2 2 0 a m a i r 3 2 第= 章试验设计样品制鲁 6 齄测 陶瓷衬底的材料和工艺组合如下表，在陶瓷衬底实验中不再考察助焊 剂量的影响，助焊剂薄膜的厚度固定为5 0 l u n ： 表2 4 陶瓷衬底实验模块材料工艺组合 每一组样品中分别有5 个同等条件的芯片，以保证实验数据有一定的 统计意义。 4 可靠性实验、检测及其失效判据 可靠性实验，是对试样施加一定的应力，如电应力、热应力、机械应 力或其综合，使其在各种应力的作用下，可以检查其性能是否稳定，封装结 构是否完整，从而判断试样是否失效或可靠。在封装组件的服役过程中，因 温度冲击条件下刽蛾焊可靠性的确| 霓 为工作条件或环境等的影响，会产生各种各样的可靠性问题，在试样实际服 役环境和时间内研究其可靠性，从经济和时间上考虑都是不现实的，因此， 采用可靠性实验进行加速实验的方法，可以缩短实验周期，从而获得较好的 结果。另外，可靠性实验是集成电路封装可靠性研究中的一个基本环节，是 评价封装组件可靠性水平的一个重要手段。可靠性实验的范围非常广泛，分 类也很多。按照实验性质来分，可以分为气候实验、机械实验、电学实验和 寿命实验等；如按照实验应力水平来分，可分为正常应力实验和加速应力实 验；如以实验对试样的破坏性来分，则可分为破坏性实验和非破坏性实验 9 引。对微电子封装组件，温度冲击是评判可靠性的基本手段之一。 封装组件在服役条件下，当电路的周期性通断和环境温度的起伏变 化，会使焊点经受温度循环腽度冲击过程。本论文研究的倒装焊试样，由 于芯片材料和互连基板f r 4 材料热膨胀系数不一致，那么在经历温度冲击 时，在周期性热应力的作用下将在焊点上产生塑性形变，塑性形变的累积将 导致焊点裂纹的萌生和扩展，最终使焊点热疲劳失效。温度冲击实验是将封 装组件周期性进行由极端高温变化到极端低温，再由极端低温回复到极端高 温的循环过程。在经过一定周数的循环后，可以观察到在加速的周期性热应 力的作用下，封装组件由于各材料间熟膨胀系数不一致产生的可靠性问题。 由此可以在短时间内，模拟实际服役条件下倒装焊封装组件焊点的热疲劳过 程及其它可靠性问题的产生过程。 可靠性实验选用温度冲击，条件参照美国军标m i l s t d 一8 8 31 0 1 0 7 项，选择条件b 。温度冲击范围为一5 5 。c 一1 2 5 。c ，循环周期为3 0 分钟周， 其中高低湿驻留时间各1 5 分钟，升降温时间均小于l o s 。图2 9 为温度传 感器在实验箱内测出的温度变化曲线，由圈可以得到温度剧变区域约2 分 钟，温度变化速率为9 0 0 c 分钟。实验过程中每隔约2 0 0 周，取出试样进行 电阻检测以决定焊点失效时间。当电阻超过原始值i o 目p 视为焊点失效。电 阻测量方法为4 线电阻法，测量设备为美国k e i t h e y 公司的2 0 0 1 型高精度 多用电表。 每一间断点，同时使用高频超声检测，分析底层填充胶的分层情况及 可能出现的焊点内裂纹萌生与扩展情况。同时选取典型样品以备进行染色， 金相，扫描电子显微镜等其它分析。 第；章试验设计、撵盎制軎和检测 t i m eo f t h e r m a lc y m e s ( m i n ) 图2 9 试验温度冲击箱中实际测量得到的温度曲线 f i g 2 9p r o f i l eo f t h e r m a ls h o c k 5 倒装焊接焊点质量检测与评估方法 微电子封装的可靠性研究的目的是确认失效起源、失效模式和失效机 理，从而对封装结构设计、材料选择和工艺优化进行评价。可靠性研究过程 中的测试技术提供直观的结果，对数值分析研究提供直接有效的证据，是微 电子封装可靠性研究的必要手段。 对于微电子封装两言，可靠性研究中使用的测试技术可以分为两种类 型：不破坏样品整体结构的无损检测( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 和破坏 样品整体性的有损检测( d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 。非破坏性无损检测对样 品整体没有永久性的损伤，在测试完成后可以继续进行下一步的可靠性实验 或其它测试，可以获得可靠性研究过程中完整的信息。采用破坏性测试技术 时，会永久性改变器件状态，从而不容许继续进一步的实验过程，因此，通 常在完成器件的无损检测之后进行。对于破坏性测试技术，其目的是确证在 无损检测过程中获得的失效模式信息，并可以在失效原因不确认的情况下排 除虚假信息。针对两类测试技术，在保持可靠性实验的连续性并获得完整的 失效信息方面无损检测技术有其优势；由于样品一经破坏无法复原，因而有 损检测技术有其局限性，但破坏性检测常可以得到失效位置的直接信息，并 可提供更高的检测精度、更可靠得检测结果。 由于封装材料热膨胀系数失配，热循环过程中在材料界面形成应力区 域从而导致分层发生，结果可能带来封装可靠性问题。因此，在微电子封装 湿度冲击紊件下倒慕焊可靠佳的研究 可靠性研究中，封装材料间界面分层失效是常常需要涉及的问题，而无损检 测技术的使用则是研究者普遍关注的分层检测技术。通常对微电子封装的材 料界面分层的无损检测有三种方法：x 射线照相术( x - r a yr a d i o g r a p h y ) 、 扫描声光显微镜( s c a n n i n gl a s e ra c o u s t i cm i c r o s c o p y ，s l a m ) 和扫描声学 显微镜( s c a n n i n ga c o u s t i cm i c r o s c o p y ，s a m ) 。由于s a m 声学显微镜分辨 率较高，在分层检测中s a m 技术是最广为使用的无损检测技术i 9 6 】- 【卵 。在倒 装焊封装可靠性研究中，普遍认为底充胶界面分层失效是焊点热疲劳失效的 决定因素，因此底充胶界面分层失效是研究重点之一，对底充胶界面分层的 无损检测是研究者非常关注的问题之一。由于倒装焊封装的独特结构，s a m 声学显微镜是常常使用的无损检测技术 9 8 j 【9 9 】。 5 1 一射线方法( s o f tx r a yi m a g i n g ) x 射线检测方法主要利用物质对x 射线的吸收程度不同产生衬度从而形 成图像，其原理见以下公式： i h = i o e p hr 1 ) 其中i o 为入射x 射线强度，i h 为透射x 射线强度，h 为被测物体厚度，p 为 被测物体密度，u 为材料在x 射线中的衰减系数。 利用x 射线成像技术，可以有效地探测焊点形貌异常，焊点内部空 洞，短路等缺陷。也可以用于大焊点内部大裂纹的检测，但对于倒装焊接由 于焊点及裂纹非常小，因而一般无法用于对裂纹的检测。图2 1 0 分别为使 用x 射线成像技术探测倒装焊接焊点内部的空洞及短路的应用实例。 ( a ) 焊点空洞 ( b ) 短路 图2 1 0 x 射线检测倒装焊点缺陷实例 f i g 2 t ox - r a yi m a g e so f f l i pc h i pd e f e c t 第= 章试验设计、样品制鲁和控 叫 5 2 高频超声扫描显微镜检测法( c - s a m ) 超声扫描显微镜利用高频超声在样品水平界面上的的反射现象来成 像，其原理可以用以下公式表示； r _ 7 71 ，r l = ，o l ；2 - - i 。；l ； ( 2 ) l 厶2t l lj 2 = y p( 3 ) 其中，缸是反射波振幅，缸是入射波振幅，z ，是声波到达界面前经过 的材料本征声阻，历是声波到达界面的材料本征声阻。z 为材料的声阻，v 为声速、p 为材料密度。通常软材料声阻抗较小，硬材料声阻抗较大，空气 声阻抗约为零。从公式中可以看到，超声反射信号中包含了强度和位相信 息。当界面发生分层时，正常界面变为空气界面从而发生超声全反射。因而 该手段对于分层具有极高的探测灵敏度，可以检测出0 ，1 微米以下的分层， 是目前检测分层的最为有效的技术手段。对于分层检测，通过分析超声回波 的位置及投影效应还可以得到分层的位置信息。 当使用的超声传感器频率足够高时( 1 0 0 m i - i z 以上) ，样品中的任何材料 不连续性类异常皆可能产生对超声的散射，从而在超声图像中出现衬度。但 非平面类型缺陷的分析一般比较复杂，常常需要通过其它技术手段比对才能 鉴定出真正的缺陷类型。 图2 1 1 ( a ) 为前期项目的典型超声检测结果，成像数据窗口为芯片底充 胶上界面，焊点附近的白色区域为底层填料分层：若将成像数据窗口移到下 界面，此时图像变为2 1 1 ( b ) ，此时图( a ) 中的白色区域变为黑色，说明分 层发生在底充胶层胶与芯片的上界面。同时也可以分析分层的面积以获得分 层传播速度等信息。图中还可以看到不同焊点出现不同的亮度，前期研究表 明，不同亮度可以定性表征焊点内部裂纹的萌生和扩展。 ( a ) 窗口取芯片底充胶上界面 3 7 温度冲击条件下倒裳问l 可，i 性的研，0 ( b ) 窗口取芯片底充胶下界面 圈2 1l 倒装焊接样品的高频超声检测 f i g 2 11a c o u s t i ci m a g eo nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nc h i pa n du n d e