（材料物理与化学专业论文）细间距csp封装焊球热疲劳和焊点机械弯曲可靠性的研究.pdf

细间距c s p 封装焊球热疲劳和焊点机械弯曲可靠性的研究 摘要:新一代计算机和电子器件以 封装尺寸的最小化和电互连密度的最大化为特 征。球栅阵列( b g a ) 封装由于它很细的间距尺寸和很小的封装外形成为关注的焦点， 并被广泛使用。然而，随着球栅阵列间距的不断减小，焊点可靠性问题日益突显。 加速热循环测试( a t c ) 和焊球推拉测试是评估b g a 封装焊点疲劳可靠性的重要方法。 在本次研究中，芯片尺寸封装( c s p ) 器件被置于循环条件为一 5 5 001 2 5 的热循环测 试箱中，每隔大约2 0 0 周的热循环后立即对器件进行焊球剪切力的测量。通过带有 能量散射x 射线能谱仪 ( e d x )的扫描电镜 s e m ) 对热循环测试后焊点金属间化合 物 ( i m c ) 层和推拉测试后的断 裂面进行了 形貌、 结构和组分的观察及分析。 着重对 与热扩散相关的工 m c 的形成和生长机理进行了研究，给出了受金属间化合物生长影 响的焊点开裂失效部分和失效模式。同时，采用有限元分析软件 a n s y s对 o f - b g a 焊点的热疲劳特性进行了模拟， 获取了 焊点上的应力一 应变积累和分布的数据。 实验 和模拟的结果表明， 影响热疲劳负 载下焊点的剪切 疲劳强度的因素包括: 焊球塑性 应变能量的积累和分布、金属间化合物层厚度和微结构变化导致的界面脆性等。 使 用 d a r v e a u x能量疲劳模型并结合有限元分析中获得的塑性能量密度数据，对焊点 在不同 热循环条件下的热疲劳寿命进行了 预测。热 循环条件下的裂纹初始化寿命模 拟预测结果与实验数据近似。 许多研究者已 经开始了 在p c b 弯曲条件下焊点可靠性的研究。 本文中使用静态 三点弯曲 测试的方法，对六焊点测试板 ( 带有电监测的菊花链结构)和c s p 器件装 配测试板的焊点弯曲可靠性进行了 研究。讨论了弯曲跨距、焊盘尺寸 ( 焊点几何形 状) 等参数、以及焊点所经历的回流、 老化等热过程对p c b 焊点弯曲可靠性的影响。 对三点弯曲测试后的失效焊点断裂面和剖面进行了 分析， 观察到焊点的四种断裂失 效模式。讨论了弯曲 应力下焊点的失效位置和断裂机理。 采用有限元分析方法模拟 三点弯曲实验过程，评估了 焊点中的等效应力分布。基于弯曲 模拟的结果，比较了 载荷控制和位移控制对弯曲可靠性评估的影响。 关键词:加速热循环测试 ( a t c ) ;有限元分析;疲劳寿命;金属间化合物; c s p :三点弯曲测试 t h e s t u d y o n s o l d e r j o i n t t h e r m a l f a t i g u e a n d m e c h a n i c a l b e n d i n g r e l i a b i l i t y o f f i n e p i t c h c s p p a c k a g e a b s t r a c t : t h e n e w g e n e r a t io n c o m p u t e r s a n d e l e c t r o n i c d e v i c e s a re c h a r a c t e r i z e d w it h m i n im i z e d p a c k a g e p r o f i l e a n d m a x i m u m i n t e r c o n n e c t d e n s i t y . b a l l g r i d a r r a y p a c k a g e b e c o m e t h e f o c u s o f c o n c e r n s a n d h a v e a l r e a d y b e e n w i d e l y u s e d i n m a n y e l e c t r o n i c p ro d u c t s d u e t o it s f i n e p i t c h a n d s m a l l o u t l i n e . b u t w it h t h e r e d u c t io n o f a r r a y p i t c h , t h e r e l i a b i l i t y i s s u e s o f s o l d e r j o i n t b e c o m e i n c r e a s i n g ly s e r i o u s . t h e m e t h o d s s u c h a s a c c e le r a t e d t h e r m a l c y c l i n g ( a t c ) t e s t , s o l d e r b a l l s h e a r t e s t and s c a n e l e c t r o n i c m i c r o s c o p y ( s e m ) o b s e r v a t i o n w e re u s e d t o e v a l u a t e s o l d e r j o i n t f a t i g u e r e l i a b i l it y . i n t h i s s t u d y , t h e c s p s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o t h e r m a l c y c l i n g b e t w e e n - 5 5 c - 1 2 5 0 c f o r a g i n g 1 4 0 0 c y c l e s . t h e s o l d e r b a l l s h e a r t e s t w a s c a r r i e d o u t i m m e d i a t e ly a ft e r t h e r m a l c y c l i n g t e s t a t a b o u t t w o h u n d r e d s c y c l e s i n t e rv a l . t h e c o m p o s i t io n a n d m i c r o s t r u c t u r e o f i n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d l a y e r a n d f r a c t u r e s u r f a c e a ft e r t h e r m a l c y c l i n g t e s t w e r e ana l y z e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) w i t h e d x . t h e t h e r m a l d i ff u s i o n r e l a t e d i m c f o r m a t i o n a n d g r o w t h m e c h a n i s m g o t s p e c i a l c o n c e r n i n t h is s t u d y , t h e f r a c t u r e f a i l u re l o c a t i o n and f a i l u r e m o d e o f s o l d e r j o i n t d u e t o t h e e ff e c t o f i m c g r o w t h a r e p r e s e n t e d . a n s y s s o ft w a r e w i t h f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) m e t h o d w a s e m p l o y e d t o s i m u l a t e t h e r m a l f a t i g u e b e h a v i o r o f s o l d e r j o i n t s , t h e d i s t r i b u t i o n a n d a c c u m u l a t i o n o f s t r e s s - s t r a i n o n s o l d e r j o i n t s w a s o b t a i n e d . t h e r e s u l t s o f e x p e r im e n t a n d s i m u l a t i o n i n d i c a t e t h a t t h e s h e a r a n d f a t i g u e s t r e n g t h o f s o l d e r j o i n t s a r e a ff e c t e d b y t h e s t re s s - s t r a i n a c c u m u l a t i o n , i n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d ( i mc ) t h i c k n e s s and m i c r o s t r u c t u r e o f i m c . f a t i g u e l i f e t i m e o f v f - b g a s o l d e r j o i n t u n d e r d i ff e r e n t t e m p e r a t u r e r an g e c o n d i t i o n s w e r e p re d i c t e d b y d a r v e a u x e n e r g y f a t i g u e m o d e l c o u p l e d w i t h t h e d a t a o f p l a s t i c w o r k e n e r g y d e n s ity o b t a i n e d f r o m t h e a b o v e f e a m o d e l i n g . t h e re s u l t s o f p r e d i c t e d c r a c k i n it i a l l i f e t i m e u n d e r e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n a r e v e r i f i e d b y t h e e x p e r i m e n t a l d a t a . a l o t o f re s e a r c h e r h a v e i n v o l v e d i n t h e s t u d y o f s o l d e r j o i n t r e l i a b i l i ty u n d e r b e n d i n g , t w i s t i n g . i n t h is p a p e r , t h e s o l d e r j o i n t b e n d i n g r e l i a b i l i t y o f e x p e r i m e n t a l d e s i g n e d s i x j o i n t s t e s t b o a r d ( w i t h d a i s y c h a i n s t r u c t u r e ) a n d c s p a s s e m b l y t e s t b o a r d a r e s t u d i e d b y t h r e e p o i n t s b e n d i n g t e s t m e t h o d . t h e e ff e c t s o f b e n d i n g s u p p o rt s p a n , s o l d e r p a d s i z e , r e fl o w and a g i n g h i s t o ry o n p c b b e n d i n g r e l i a b i l ity a r e d i s c u s s e d . t h e f a i l u r e ana l y s i s o n fr a c t u r e s u r f a c e and c r o s s s e c t i o n o f s o ld e r j o i n t s w a s c a r r i e d o u t a ft e r t h r e e p o i n t s b e n d i n g t e s t . f o u r d i ff e r e n t f a i l u r e m o d e s i n b e n d i n g t e s t w e r e o b s e r v e d . t h e f a i l u re l o c a t i o n a n d f r a c t u r e m e c h a n i s m u n d e r b e n d i n g l o a d a r e d i s c u s s e d . t h e t h r e e p o i n t s b e n d i n g t e s t p r o c e s s w a s s i m u la t e d u s i n g f e a m e t h o d t o e s t i m a t e v o n ra i s e s s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n t h e s o l d e r j o i n t d u r i n g b e n d i n g . t h e p ro c e s s e s o f l o a d i n g c o n t r o l and d e fl e c t i o n c o n t r o l i n b e n d i n g t e s t a r e c o mp a r e d b a s e d o n s i m u l a t i o n r e s u lt s . k e y w o r d s : a c c e l e r a t e d t h e r m a l c y c l i n g t e s t ( a t c ) ; f i n i t e e l e m e n t a n a ly s i s ( f e a ) ; f a t i g u e l i f e ; i n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d ( i mc ) ; c h i p s c a l e p a c k a g e ( c s p ) ; t h r e e p o i n t s b e n d i n g t e s t 第一章引言 第一章引 言 二十一世纪是信息技术和生物技术的时代， 半导体工业作为信息技术发展的 主要依托， 正在市场的驱动下不断取得进步， 是发展最迅速、 也是最重要的工业 之一。 它改变了我们的工作和生活方式， 极大地提高了 我们的生活效率。 半导体 工业主要包括集成电路的设计、 制造和封装测试三部分。 其中的封装测试属于后 道工序， 它对集成电路产品的质量和竞争力有着极大的影响， 而其成本也占 据了 器 件 总 体 成 本 的 三 分 之 一 ， 正 所 谓 三 分 天 下 有 其 一 ill 。 实 际 上 ， 电 子 封 装 是 连 接 半导体芯片和电子系统的一道桥梁，它不但直接影响着 i c 本身的电、热、光和 机械性能， 还在很大程度上决定了电子整机系统的小型化， 可靠性和成本。 近年 来， 随着集成电路技术的飞速发展和应用前景的日益广阔， 对集成电路的封装也 提出了更高的要求，以满足集成电路向小型化、 高速化、 大功率、 多引脚、 高密 度、 高可靠发展的需要。 同时封装成本在整个集成电路总成本中所占比 例越来越 高，有的甚至超过 5 0 。 这就促使了封装研究在全球范围的迅猛发展，特别是 系统封装 ( s i p ) 和3 d 叠层芯片封装的出 现更是使封装可能产生质的飞越。 其面 临的机遇和挑战也是不言而喻的。 集成电 路封装是多种学科融汇的综合性极强的 高新技术，它涉及到材料、电子、热、力学、化学、机械和可靠性等多种学科， 需要不同学科的专家协同 努力。 国际上已 将电子封装作为一个单独的重要行业来 发展， 它不仅影响着电子信息产业乃至国民经济的发展。 而且与每个家庭的现代 化 也 9 息 相 关 2 l 本论文将针对目 前广泛应用的芯片尺寸封装的焊点可靠性进行研究， 包括器 件焊球在温度循环条件下的热疲劳，以及装配器件的焊点弯曲可靠性和失效分 析。 1 . 1集成电路封装的作用及内容 集成电路封装的目 的， 在于保护芯片不受或少受外界环境的影响， 并为之提 供一 个 良 好的工作条件， 以 使集成电路具有稳定的、 正常的功能。 其作用概括起 来 主 要 有 以 下 几 点 2 l ( 1 ,)封装对集成电路起机械支撑和机械保护作用。 ( 2 )封装对集成电路起着传输信号和分配电源的作用。 ( 3 )封装对集成电路起着热耗散的作用。 ( 4 )封装对集成电路起着环境保护的作用。 现代集成电路封装技术主要是针对l s i , v l s i 及a s i c 芯片的电子封装而言 的。 封装可以分为三个层次， 即将芯片封装成单芯片组件和多芯片组件的一级封 装; 将一级封装和其他元件一同组装到单层或多层p c b 上的二级封装， 这个工艺 复旦大学硕士学位论文 第一章引言 过程通常称为“ 装配”; 再将二级封装插装到母板上组成三级封装。 但是这种传 统意义上的划分正在受到新工艺的挑战， 例如， c o b ( c h i p o n b o a r d ) 技术等， 将未经过封装的裸芯片直接贴装在p c b 板上， 即芯片并不经过一级连接而直接进 行二级连接。由硅晶圆片开始的三级封装层次如图1 . 1 所示。 从广义上将， 封装 包含了从芯片到系统的各个层次， 但习惯上定义封装即为一级的连接， 即芯片到 系 统 的 第 一 层 次 的 连 接 。 wa i e r 大困 片 电子封魏层次 p a 中 8 $ 系 在 a du i e 图 1 . 1 集成电路封装的三个层次示意图 1 . 2集成电路封装技术的演变 自1 9 4 7 年美国电 报电 话公司( a t 窄节距 s m t - - b g a s m t - - c s p s m t 单芯片封装 d 工 p - - q f p - - t q f p - - b g a -c s p e h c u 引脚效 s-阴 护 .加 曰 日 . 曰加oh p月 c 人 妙封c b l - e s d i p t shr i nk- di p ) 注 dip dip10 1 5 bdi s vpq 拳 巷 mp .q 4 二 7 c s p i x iw x g d 1 1 加 5 - 1 1 爪 “触 期. 释小妞封装 1mbga 图1 . 2集成电路封装的发展进程 复旦大学硕士学位论文 第一章引言 至今，封装技术已从简单的d i p 封装发展到复杂结构的c s p , m c m( 多芯片 组件) 和圆片级封装。 甚至跳过传统封装工艺的一级互连， 直接将芯片贴装在线 路 板 上， 称 为 直 接 芯 片 贴 装 技 术( d i r e c t c h i p a t t a c h m e n t - d c a ) . 封装与电 路板互连的发展历程如图1 . 3 所示， 说明了从引脚通孔插装到s m t , 再到面阵列的技术发展方向。当前， s m t已 进入微组装、高密度组装和立体组装 技术的新阶段， m c m ( 多芯片组件) 、b g a 球栅阵列)、c s p ( 芯片尺寸封装) 等新 型表面组装元器件快速发展并大量应用。c s p以其芯片面积与封装面积接近相 等、可进行与常规封装 工 c 相同的处理和试验、可进行老化筛选、制造成本低等 特 点 ， 从9 0 年 代 初 期 脱 颖 而 出 fi 1/o 孑厥 阵列互连 芯片直接粘接 mcm 声 一 周围互连 / 片尺寸封装 节距 s mt 球栅阵列 bga 芯片倒装到电路板 表面 安装 ( s mt) / z 窄节距 sm 1 通 孔 插 装 / ( p t h) 一卜 八u八曰 0o 孟件， 时间 2 0 0 0 图1 . 3 集成电路封装与电 路板互连的发展历程 1 . 3 b g a 和c s p 封装技术 l . 3 . 1 b g a 封装的基本概念和特点 b g a ( b a l l g r i d a r r a y ) 封装即“ 球栅阵列封装” ，它是在基板的背面按阵 列方式制出焊料球作为外引脚来实现芯片与p c b 板的连接， 芯片和基板间采用引 线键合或倒装焊的连接方式。 b g a 具有引脚短、引线电感和电容小;焊点中心距 大、 组装成品率高; 引脚牢固、 共面状况好; 适合m c m 的封装需要， 有利于实现 m c m 的高密度、高性能要求等一系列优点。 然而， b g a 也存在一些缺陷，如组装后焊点不外露， 组装质量检测困难。 不 能进行焊点的局部返修， 个别焊点不良 也必须整体从基板上脱离下来重新焊接等 :3 , 6 b g a比s o p 和q f p 封装都要贵， 只有在2 5 0 工 / 0 以上的器件上使用才更经济。 复旦大学硕士学位论文 第一章引言 在过去几年中， c s p 的出 现改变了阵列封装的地位。由 于其精细的引脚间 距和低 成本。可以适用于少于3 6 个引脚的器件。它为阵列封装开辟了一个市场，使其 市 场 占 有 率 能 从 过 去 的5 % 上 升 到 将 来 的6 0 % + 1 o 1 . 3 . 2 c s p 封装的基本概念和特点 c s p 是c h i p s c a l e p a c k a g e的 缩写， 称为芯片尺寸封装。 是指一种封装面 积等于或略大于裸芯片面积的单芯片封装技术。 采用该技术能解决芯片与封装的 矛盾 ( 芯片小，封装大)问题、 m c m ( 多芯片组件) 裸芯片不能取拿、预测、老化 筛选等问题。c s p技术是芯片级封装技术，它的结构形式其实是以引线键合的 l o c ( l e a d o n c h i p ) 和b g a 等所采用的封装基本形式的改 进或延伸。 b g a 的焊球间距大于等于0 . 8 m m ，引脚数大于5 0 0 个， 而c s p 的焊球间距小 于等于0 . 8 m m ( 0 . 5 ; 0 . 7 5 ; 0 . 8 m m ) ，封装的尺寸不大于芯片尺寸的1 2 0 % e c s p 目前尚无确切定义，不同厂商有不同的说 法。j e d e c( 联合电子器件工程委员会 ( 美国e i a 协会”的j -s t k -0 1 2 标准规定: l s i 封装产品面积小于或等于l s i 芯片面积的1 2 0 %的这种产品， 称为c s p 。日 本松下电子工业公司将l s 工 封装产 品 的 每 边 的 宽 度比 其 芯 片 大1 . 0 。以 内 的 产 品 称 为c s p a - s l 总之， c s p 是在b g a 基础上发展起来的， 极接近芯片尺寸的封装产品。 这种 产品具有以下几个特点: ( 1 )体积极小。c s p 是目 前为止体积最小的封装之一。引脚数相同的l s i , c s p 的面积不到0 . 5 m m 间距q f p 的十分之一，只有b g a 的三分之一到十分之一。 ( 2 ) c s p 的电性能良 好。c s p内部的布线长度比q f p 或b g a 的布线长度短得 多，寄生电 容很小， 信号传输延迟时间短，即使时钟频率超过i o o m h g 的l s i 也 可以采用 c s p . ( 3 ) c s p 的散热性能优良。 由 于对便携产品如手机、便携摄像机、数码相机、 p d a 等需求的空前高涨， c s p 成为近年来最重要的封装形式。c s p的产量从 1 9 9 7 年的3 千5 百万上升至 2 0 0 0 年的 1 9 亿，到2 0 0 5 年会有 1 0 0 亿。薄轻和低成本的便携产品要求薄轻和 低成本的封装，这种趋势使得封装进入了c s p 产品的时代。 1 . 4封装的可靠性和失效分析 1 . 4 . 1可靠性的 概念 所谓可靠性， 就是指一个产品在规定的时间内和规定的条件下完成所需要的 功能而用概率来表示的一种产品 特性。 可靠性是产品质量的一个重要指标。 集成 电路器件在贮存、 运输和使用过程中， 所遇到的各种环境条件是非常复杂的， 越 复旦大学硕士学位论文 第一章引言 来越多的电子封装被应用于严苛的环境中。例如会遇到比重力高很多倍的振动、 冲击等机械作用， 也可能遇到潮湿、 盐雾或各种射线辐照等恶劣的环境， 并且也 可能要求电路能够在低温、 高温条件下进行正常工作。 因此必须针对不同的用途， 对 集 成 电 路 器 件 进 行 不 同 项 目 、 不 同 强 度 的 可 靠 性 试 验 和 可 靠 性 分 析 2 l 可靠性技术涉及下面四个问题: 失效何时产生、 失效因何产生、怎样防止失 效 、 电 子 产 品 期 望 达 到 的 可 靠 性 9 7 为确保封装可靠性，新器件在投产前需进行大量的可靠性测试。理论上讲， 测试应该在封装今后使用的环境中进行。 但是， 大多数情况下许多电子产品所设 计的使用寿命足够长， 不可能在实际使用的情况下进行测试。 在实验室中往往采 用加速实验来收集可靠性数据和检测产品的质量。 在加速实验中， 器件要比 在正 常使用情况下经历更高的应力， 通过加速失效机理， 可以比实际条件下更快观察 到失效的 模式，在较短时间内 收集可靠性数据。 1 . 4 . 2电子封装的失效分析 失效分析是通过电 子、 物理和化学方法对电 子封装中的失效模式和失效机理 的研究。 针对不同的失效机理， 可以从设计和制造工艺的角度对封装器件进行改 进， 防止类似失效的再次发生。 随着微电子封装技术的发展， 器件的小型化和多 功能化要求更高的可靠性， 相应的先进失效分析工具和手段也不断出现。 如扫描 电子显微镜 ( s e m ) , c 模式超声显微镜 ( c s a m ) ， 聚焦离子束 ( f i b ) 等微分析手 段口 失效分析的一般步骤为: 详细记录失效现象; 对样品进行光学显微镜和超声 显微镜等无损检测; 随后进行开封或样品剖面的观察检测; 对失效的关键点进行 结构和成分的物理和化学分析; 结合以上得到的结果分析可能的失效机理; 最后 是根据失效机理找出设计、材料和工艺等的改进措施。 一个特定的失效模式是指由材料特性和周围环境等综合作用的一些过程所 导致的结果。 这些过程称为这个特定失效模式的失效机理。 现今电子封装中的电 学和化学反应也是引 起热应力失效的重要因素。 失效机理主要分为两大类: 过应力和磨损。 过应力失效通常是瞬间的和突然 发生的。 磨损失效是长时间的损耗积累， 通常先是产品性能下降， 然后器件失效。 根据诱发失效机理的应力类型进一步分为机械的、 热学的、 电学的、 辐射的或化 学 的 3, 7 7 多种的环境应力因素( 如温度、 湿度、 冲击和振动) 可以导致b g a 焊点失效。 过载失效发生在外部施加的应力因素在焊点内部产生的应力大于焊料的强度时。 一个典型的例子是表面装配b g a 的p c b 板的弯曲和扭曲。 另一方面， 疲劳失效经 过裂纹初始化和缓慢的扩展直到焊点断裂。 一般导致疲劳失效的应力因素远低于 复旦大学硕士学位论文 第一章引言 过载失效的水平， 如温度循环加速实验导致的焊点失效。 1 . 5本论文的目的和研究内容 半导体器件正朝着更小的特征尺寸，更多的门数和芯片工 / o 数的方向发展， 这一趋势日益强调了集成电路封装的重要性， c s p 由于其细间距尺寸及良 好的电 学和机械特性成为广泛采用的封装形式。 c s p 封装焊点有两个重要作用:( 1 )在器件和基板之间形成电连接，( 2 )提 供器件在基板上的机械支撑。 由于其焊点支撑高度和间 距比 采用其它表面贴装技 术 的 要 小 ， 更 容 易 发 生 焊 点 的 疲 劳 失 效 17 1 。 因 此c s p 封 装 焊 点 的 可 靠 性 问 题 被 提 到了研究的前沿。 在工作条件下，对应于设备的开一 关循环或环境温度变化的情况，焊点处于 热循环负载中， 长期的热循环负载会导致焊点的热疲劳失效。 加速热循环可靠性 测试 ( a t c ) 经常被用来加速热疲劳失效过程。以 前对b g a 和c s p 封装热疲劳可 靠性的研究主要针对已 装配到p c b 板上的器件的焊点， 其失效机理主要是温度循 环 过 程 中 器 件 基 板 和p c b 板 材 料 之 间 的 热 膨 胀 系 数( c t e ) 失 配 12 , 13 , 19 。 但 对 于 未装配的器件焊球在温度循环条件下的热疲劳可靠性研究较少。 而器件从出厂到 装配之前要经历一段存储和运输的过程。 在这一过程中， 也有可能经历环境温度 的变化， 会出现焊球疲劳和焊球脱落等失效， 造成焊点可靠性问题。 另外，关于 金属间化合物的生长和微结构变化对焊点可靠性影响的研究以高温老化试验为 主。 对温度循环过程中， 焊点金属间化合物层微结构的变化研究较少， 而经过高 低温交变过程，其生长机理可能和高温老化条件下有所不同。 本论文第三章中， 利用光学显微镜和电子显微镜等分析手段， 对温度循环测 试后焊点金属间化合物 ( i m c ) 层和推拉测试后的断裂面进行形貌、微结构和组 分的观察及分析。同时， 对金属间化合物的形成和生长机理， 进行了 研究。 通过 焊球剪切力测试，对温度循环后焊点的剪切强度进行了评估。讨论了焊点应力- 应变能量的积累和分布，金属间化合物层厚度和微结构变化导致的 “ 界面脆性” 等因素对焊点剪切强度的影响。 本论文第四章给出 有限元方法对焊点的热疲劳特性的模拟结果。 预测了焊点 在不同热循环条件下的热疲劳寿命，并对寿命预测结果进行了分析和比 较。 除了热疲劳引 起的焊点失效外， 在电子产品制造、 处理、 储存、 销售和返工 等过程中，p c b 会被置于弯曲、扭曲和振动条件下。特别对于便携式电子产品使 用中， 焊点的失效通常是由p c b 板的弯曲而引起的。 因此在弯曲条件下， 焊点的 可靠性评估变得非常重要。 目 前， 大多数c s p 的可靠性研究集中在热循环疲劳方面， 对于焊点的机械失 效投入的关注较少。 为了解决p c b 弯曲导致的失效问题， 需要对弯曲失效和与之 复旦大学硕士学位论文 第一章引言 相关的焊点断裂模式进行更广泛的 研究。 许多 研究者己 经开始了在p c b 弯曲 条件 下 焊 点 可 靠 性 的 研 究 7 , 2 9 , 3 3 。 但 迄 今 还 没 有 被 工 业 界 接 受 的 标 准 测 试 方 法 来 评 估 弯曲可靠性。 在 己 经 报 道 的 三 点 弯 曲 和 四 点 扭 曲 焊 点 可 靠 性 的 研 究 中 7, 33 , 34 ， 只 是 针 对 单 纯的机械过程的可靠性，而较少涉及焊点所经历的热过程对弯曲 可靠性的影响。 其实，回流和焊点高温老化过程是影响焊点机械可靠性的非常关键因素。 本论文第五章中， 使用静态三点弯曲测试的方法对试验设计的六焊点测试板 ( 带有电监测的菊花链结构) 和装配c s p 器件测试板的焊点弯曲可靠性进行了研 究。 给出了弯曲跨距、焊盘尺寸 ( 焊点几何形状) 等参数、以及焊点所经历的回 流、 老化等热过程对p c b 焊点弯曲可靠性的影响。 对三点弯曲测试后的失效焊点 断裂面和剖面进行了失效分析，讨论了弯曲 应力下焊点的失效位置和断裂机理。 采用有限元分析方法， 讨论了载荷控制和位移控制的弯曲 测试过程对焊点弯曲可 靠性评估的影响。 复旦大学硕士学位论文 第二章实验原理和实验方法 第二章 实验原理和实验方法 2 . 1实验原理 2 . 1 . 1封装热失配和热疲劳 温度升高时， 固体材料的体积膨胀， 这种现象称为热膨胀。 不同的材料热膨 胀的比率并不一样。 对大多数的工程材料来说， 在合理的温度范围内， 热膨胀比 率是一常数， 称为热膨胀系数 ( c t e ) 。电子封装由不同材料构成， 表2 . 1 中给出 了电子封装中常用材料的热膨胀系数 ( c t e ) 。 在电子封装工艺中， 不同c t e 的材 料会装配在一起。 在工艺和使用过程中， 会经历不同的温度循环。 这些温度的变 化会导致热膨胀， 由 于不同热膨胀系数的材料被封装体束缚住， 并不能自由膨胀， 这样的热失配在封装中会引入较大的应力。 封装中常见的热失配包括芯片粘接或 底 填 料 层 的 分 层 ， 装 配 焊 点 的 裂 纹 开 裂 和 扩 展 4 , fi t 表2 . 1电子封装常用材料的热膨胀系数 ( 1 0 / 0 c , 0 0 c - 2 0 0 0 c) 金属陶瓷、半导体材料 金 1 4 2s i o 2 玻璃 5 -1 0 镍 1 3 0 - - 1 5 0单晶硅 2 8 金锡共晶 1 6 0 氧化铝 6 7 铜及其合金 1 6 0 - 1 8 0有机物 ( 低于玻璃化温度) 银 1 9 0ke v l a r- 2 0 铅锡共晶 21 0环氧树脂玻璃f r - 4( 水平) ( 垂直) 1 1 0 - 1 5 0 6 0 0 8 0 0 5 - 9 5 锡铅 2 8 0聚酞亚胺4 0 0 - 5 0 0 铅 2 9 0环氧树脂6 0 0 8 0 0 在封装的使用中， 实际应力大小要比材料所能承受的力小很多。 但是在循环 负载条件下， 由热应力引起的失效还是会发生。 这种由低于材料所能承受应力的 循环应力而导致的失效称为疲劳失效。 对于封装器件一般要经历两种典型的热过 程: 一种是在生产过程中， 如回流、 塑封料固化等， 它们的温度较高， 但次数较 少: 另一种是工作过程， 它是多次的， 但温度变化的范围小。 假定封装结构可承 受生产过程及老化试验中的应力。 若任何部件在其寿命周期内不能反复承受系统 的热失配而自 身损坏并过早的丧失了元器件的功能，这种失效模式称为热疲劳。 2 . 1 . 2温度循环实验产生的焊点疲劳 在温度循环过程中， 承受热疲劳的焊点的某个区域内只需几个循环就能达到 如图2 . 1 所示的这种稳定的应力一 应变滞后环。弹性应变分量通常很小，可以忽 略不计。 在温度循环 ( a -b ) 过程中 塑性应变累 加， 但由 于焊料随温度的升高而 复旦大学硕士学位论文 第二章实验原理和实验方法 软化， 达到一定温度时， 应力停止增加， 而且随 着应变增加应力实际上在减小。 在这个区域将会同时出现与时间无关的塑性流和与时间有关的应力松弛。 当高温 保持时 ( b -c ) ,剩余的大部分弹性应力松弛。如果这种封装结构非常坚固，则 反映出的应力一 应变曲线是垂直下降的。当冷却时 c -d ) ， 焊料固化， 随之又出 现应变，由 此产生负向 加强的特征， 而低温保持 ( d -a ) 产生轻度松弛。 存在一 种公认的焊接热疲劳特性，那就是在高温保持时产生应力松弛和/ 或蠕变，这将 使循环寿命缩短。 现在常用的焊接疲劳理论可分为三类: 一种理论是把非弹性应 变幅值的某些方面看作是主要决定因素 ( 改 进型c o f f i n - m a n s o n 方程) ;另一种 理论是利用总的非弹性应变能 ( 滞后环内所包围的面积) :第三种理论是模拟互 连 中 的 裂 纹 增 长 困 。 高温 图2 . 1承受热疲劳的焊点某区域的稳态应力一 应变滞后环 2 . 2实验样品简介 2 . 2 . 1焊球热疲劳测试样品 焊球热疲劳试验使用的o f - b g a ( v e r y - t h i n f i n e - p i t c h 是一种芯片尺寸封装 ( c s p ) 器件。适用于移动电子类产品 间距 ( 0 . 7 5 m m ) ，封装的整体厚度仅为 lm ，焊球的直径为 b a l l g r i d a r r a y ) 它具有很小的焊盘 0 . 3 5 m m ，焊球材料为 6 3 s n 3 7 p b 共晶焊料， o f - b g a 基板上的焊盘金属层由 下至上依次为铜金属层， 镍 阻挡层和金保护层。 e u t e c t i c s o l d e r 0 . 7 5 mm di e o - h 图2 . 2 o f - b g a 音 j 面图 复旦大学硕士学位论文 第二章实验原理和实验方法 2 . 2 . 2弯曲可靠性测试样品 实验对两种不同的测试板进行了 焊点机械弯曲可靠性的研究， 一种为试验设 计六焊点钡 试板，一种为装配c s p 器件的测试板。 为了更好的研究焊点的弯曲可靠性， 实验设计了包含六个焊点的简化试验单 元。 简化单元上的焊盘设计了菊花链结构， 来实现组装到测试板后对焊点的电连 接监测o c s p 器件和六焊点简化试验单元的结构和尺寸见附录工 。 弯曲 测试印刷电 路板 ( p c b ) 采用 1 0 0 m m * 4 0 m m ,厚 1 . o m m的f r - 4 环氧树脂 纤维单层板。 装配c s p 器件的测试板 ( 具体结构和尺寸见附录 1 1 ) ， 分别采用了0 . 3 二和 0 . 3 5 二两种不同的焊盘直径。 c s p 器件装配于p c b 板的中央。 在器件组装到p c b 板上之后，将 p c b板从中间切开，切口不伤及b g a器件。这样被切开的两部分 p c b 板仍由 器件和p c b 之间的 焊点连接着。以 便进行随后的 三点弯曲 实 验。 另一种是试验设计的六焊点简化单元测试板 ( 带有菊花链结构) 。测试板上 焊盘的连接和分布见附录i i , 焊盘的直径为0 . 7 6 m m o菊花链结构将六个焊点连 接成一个通路，通过测量通路的电阻变化来监测焊点的失效情况。 实验中， 器件装配到p c b 测试板的表面贴装步骤为: 夹取器件、 将器件焊球 浸泡到助焊剂中、 根据p c b 上电 镀的对位铜引线框， 在体视显微镜( 带照明光源) 下手动对中器件在p c b 板上的装配位置， 然后放入回流炉中进行回流焊， 完成器 件在p c b 板上的装配。 回流完毕后， 用乙醇溶液和去离子水进行清洗， 去除残留 在焊点的松香助焊剂。通过连接焊点的菊花链测量焊点的电阻 ( 电流连续性) ， 判断焊点的焊接情况。 对于六焊点简化试验单元， 带有菊花链结构的基板首先被装配上焊球 ( 见图 2 . 3 ) ， 然 后 将 装 配 好 焊 球 的 六 焊 点 简 化 试 验 单 元 采 用 表 面 贴 装 回 流 焊 接 的 方 法 3 2 装配到六焊点测试板上 ( 见图 2 . 4 ) 。组装好的测试板被放在干燥箱中储存，准 备进行随后三点弯曲测试。 清洗焊盘、涂覆助焊剂 植焊球 回流焊接 图2 . 3六焊点简化试验单元植球流程图 复旦大学硕十学位论文 第二章实验原理和实验方法 涂覆助焊剂 清洗焊盘、涂覆助焊剂 器件装配对位 蟾赘卿瞥嘿岁 纂 罐 翱 瓢 黝 瓣 嫦 麟澎蘸榔卿橇瓣黔瓣 回流装配 图2 . 4器件装配简易流程图 对于c s p 器件， 由于其基板上已经装配焊球， 因此直接采用表面贴装回流焊 接的方法将c s p 器件组装到c s p 测试板上。 组装好的测试板被放在干燥箱中储存， 准备进行随后三点弯曲测试。 2 . 3实验方法 2 . 3 . 1环境试验 环境试验主要是分析和考核试样承受各种气候环境影响的能力， 分析其在该 气候环境影响下失效的原因，找出改进的措施，提高可靠性。 2 . 3 . 1 . 1温度循环试验 温度循环试验是考查试样由环境温度较高的正温度变化到环境温度较低的 负温度， 以及再由负温度回复到正温度的承受能力。目 前我国 集成电 路的温度循 环 试 验 的 试 验 条 件 一 般 采 用 一 5 5 0c - 1 2 5 的 温 度 变 化 范 围 2 , a l 本次研究中的温度循环测试温度曲 线如图2 . 5 所示。 高低温范围从一 5 5 c到 1 2 5 0 c ， 高低温停留时间分别为1 0 分钟，升 ( 降) 温时间为2 分钟。 每周热循环 的时间为2 4 分钟，共进行了大约1 4 0 0 周的循环。 c r e e p e l a s t o - p l a s t i c c r e e p 5000500 酬巴n扫巴ade伴 t i m e ( m i n ) 图2 . 5 温度循环测试温度曲线 复旦大学硕士学位论文 第二章实验原理和实验方法 2 3 . 1 . 2高温贮存试验 高温贮存试验能够加速焊点中各种元素的扩散， 从而加速金属间化合物形成 和生长过程。 高温贮存的温度越高， 对失效的加速作用越大， 筛选的效果也越好。 但 最 高 的 贮 存 温 度 不 能 超 过 试 样 所 能 承 受 温 度 的 极 限 ， 否 则 将 是 破 坏 性 的z . “ 。 在本论文中，为了研究与热扩散相关的金属间化和物 ( i m c )的形成和生长 机理， 使用了1 2 5 的高温贮存实验条件， 储存时间分别为9 , 2 1 , 4 5 小时， 和 4 , 9 , 1 6 天。高温贮