（材料物理与化学专业论文）无铅bga封装的可靠性力学试验及分析.pdf

i l l l i i- 指导小组成员 王家楫教授 杨兴高工 俞宏坤副教授 - 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 前言1 1 1 电子封装技术及其发展趋势2 1 2 电子封装的无铅化进程6 i i 电子封装的微互连技术9 2 1 裸芯片互连技术( 零级封装) 9 2 2 一级封装技术1 l 2 3 二级封装技术1 1 2 4 三级封装技术1 1 i i i b g a 封装形式的特点1 2 3 1b g a 的基本概念及特点1 2 3 2b g a 的类型1 2 3 3b g a 焊点的检测技术1 6 3 4b g a 的发展趋势1 6 i v b g a 封装可靠性的力学试验。1 8 4 1b g a 封装的可靠性力学试验方案1 8 4 2b g a 封装的可靠性力学试验原理2 0 4 3 试验仪器2 2 4 4 样品的力学试验2 5 4 5 试验结果与讨论3 0 4 6 力学试验的计算机辅助模拟3 6 v b g a 焊点的失效分析3 8 5 1 常用的失效分析技术3 8 5 2b g a 焊点的失效模式及机理4 l 5 3 提高b g a 焊点可靠性的措施5 4 v i 总结5 6 v i i 附录5 7 参考文献6 8 致谢。7 l 无铅b g a 封装的可靠性力学实验及分析 摘要 随着环境污染影响人类健康的问题逐渐成为全球关注的焦点，电子封装业面 临着向“绿色”转变的挑战，采用无铅焊料来替代传统的6 3 s n 3 7 p b 共晶焊料是电 子封装业中焊接材料和工艺发展的大势所趋。 本文着重研究外界机械冲击或热应力对无铅b g a 封装焊点可靠性的影响， 介绍了b g a 封装的可靠性力学试验( 跌落试验) 及其分析方法，并结合相关的 b g a 焊点高温存贮试验及电老化试验，通过对失效焊点微观结构的观察和化学 成分分析，深入研究b g a 焊点的失效模式和失效机理，从而找出引起这些失效 的根本原因和影响焊点可靠性的主要因素，同时借助a n s y s 模拟工具的分析结 果，为开发性能更好、高可靠性的无铅材料、改进无铅工艺提供依据。 关键词 无铅焊料，b g a 封装，力学可靠性，i m c 一 m e c h a n i c a lt e s ta n d a n a l y s i so nr e l i a b i l i t yo fl e a d f r e e b g a p a c k a g i n g a b s t r a c t a se n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dh e a l t hp r o b l e mb e c a m em o r ea n dm o r es e r i o u s l y c o n c e m e d ，t h ee l e c t r o n i cp a c k a g i n gi n d u s t r yi sf a c i n gt h ec h a l l e n g eo fc h a n g e o v e rt o “g r e e n ”，u s i n gt h el e a d f r e es o l d e rm a t e r i a li st h et r e n do ft h ee l e c t r o n i cp a c k a g i n g t e c h n o l o g yi n s t e a do f t h et r a d i t i o n a l6 3 s n 3 7 p bm a t e r i a l t 1 1 i sp a p e rw i l li n t r o d u c et h em e t h o d o l o g i e sf o rf r e ed r o pt e s t ，o n eo ft h e m e c h a n i c a lr e l i a b i l i t yt e s t sf o rl e a d f r e eb g a p a c k a g i n g ，c o n s i d e r i n gt h ei m p o r t a n t e f f e c to fm e c h a n i c a ls t r e s so nt h er e l i a b i l i t yi s s u e so fb g as o l d e rj o i n t f u r t h e r m o r e ，c o m b i n e dw i t ht h ea d d i t i o n a lt h e r m a l e l e c t r i c a if a t i g u et e s t ，t h ef a i l u r e m o d e sa n df a i l u r em e c h a n i s m so fb g as o l d e rj o i n tw i l lb ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n d t h er e l e v a n tr o o tc a u s e sw i l lb ed i s c u s s e dd e e p l y a n dw i t ht h eu s eo fa n s y s s i m u l a t i o n ，w ec a l lp r o v i d eaf e e d b a c kl i n kt ot h el e a d - f r e em a t e r i a ls e l e c t i o n sa n d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r si m p r o v i n g k e y w o r d s l e a d f r e es o l d e r , b g a ，m e c h a n i c a lr e l i a b i l i t y , i m c i 前言 近年来，电子设备及系统正向轻、薄、短、小，多功能，低功耗，高可靠性， 低成本等方向迅速发展。为满足这些要求，一方面半导体集成电路技术本身正向 超微细化方向进展，特征尺寸从亚微米、0 2 5 p m 进入亚o 1 岬领域，由此引起 的低功耗、高速、高集成化以3 年4 倍的速度按摩尔定律急速推进( 表1 1 ) 。 表1 1 半导体i c 性能的发展趋势 2 0 0 32 0 0 62 0 0 92 0 1 2 d r a m 节距( r u n )l o o7 05 03 5 m p u ，a s i c 节距( n m )1 2 08 56 04 0 m p u 栅长( n m )6 54 02 82 0 d r a m ( 位芯片)4 g1 6 g6 4 g2 5 6 g 集成度 m p u ( 晶体管芯片)7 6 m2 0 0 m5 2 0 m1 4 g 金属布线层数9l l1 21 2 c u 互连的阻挡层厚度( 姗)1 2866 介质层有效介电常数( k ) 3 3 3 63 i 一3 62 7 3 02 7 0 0 硅圆片直径( n m ) 3 0 03 0 04 5 04 5 0 芯片i o 数3 0 0 04 0 0 05 4 0 07 3 0 0 封装i o 数2 2 0 03 0 04 l o o5 5 0 0 高性能1 3 01 6 01 7 01 7 5 功率( w ) 便携式 2 02 42 83 2 最低供电电压( v ) 1 2 1 5o 9 1 2o 6 一旬9o 5 旬6 封装成本( 美分月l 脚) 1 0 5 2 0 3o 9 1 7 50 7 5 1 50 6 5 1 3 另一方面，为适应已经出现的超高速、高放热、多端子、窄节距等超大规模 集成电路的要求，在确保芯片高性能的同时，实现高密度、高可靠性封装，电子 封装正向多样化方向飞速发展，先后出现了b o a ( b a l lg r i d a r r a y ，球栅阵列封 装) 、f l g a ( f i n el a n dg r i da r r a y ，细节距焊盘栅阵) 、s o n ( s m a l lo u t l i n e n o n l e a d e dp a c k a g e ，无引脚小外形封装) 、q f n ( q u a df l a tn o n - l e a dp a c k a g e ， 四侧无引脚扁平封装) 等超小型c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ，芯片尺寸大小封装) 封装、芯片叠层式3 d 封装、全硅圆片型封装( w a f e rl e v e lp a c k a g e ，w l p ) 等 先进的封装形式。 与此同时，实装方法及实装形态也变得复杂多样化，从传统的d i p 插入式实 装向s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ，表面贴装技术) 、h i c ( h y b r i di n t e g r a t e d c i r c u i t s ，混合集成电路) 、c o x ( c h i po nx s u b s t r a t e s ，x 基板上芯片) 、m c m ( m u l t ic h i pm o d u l e s ，多芯片组件) 、w s i ( w a f e rs c a l ei n t e g r a t i o n ，硅圆片级集 成) 、s o c ( s y s t e m o n c h i p ，芯片上系统) s i p ( s y s t e m i n p a c k a g e ，封装内系 统) 等方向发展。而为了实现上述多种实装，传统的焊料钎焊已不能满足要求， 热压焊、超声压焊、常温压焊、各向异性导电胶浆料和倒装芯片互连技术相继 产生，同时顺应环保要求的新一代绿色封装材料也正处于在开发、实用化阶段中， 无铅化封装是电子封装业发展的趋势。因此，这些先进封装形式、封装材料的可 靠性问题也成为人们日益关注的焦点。 b g a 封装是目前电子封装业的主流技术，由于其具有细节距尺寸、良好的 电学和机械特性及更高的可靠性等优势，而被广泛用于存储卡、便携式电子产品、 移动电话等诸多领域。然而，由于b g a 器件使用环境的复杂性，外界各种形式 的机械负载和热冲击都会造成b g a 焊点的力学断裂或疲劳失效，从而导致器件 的可靠性降低。因此，对b g a 焊球可靠性问题的研究已是电子封装工程研究的 核心问题之一。本文将致力于研究外界机械应力对b g a 焊点可靠性的影响，通 过可靠性力学试验( 跌落试验) 模拟b g a 器件在使用过程中受到的机械冲击， 研究焊点的疲劳特性，讨论无铅有铅焊料及相应工艺条件对焊点可靠性的影响， 并通过失效分析深入研究焊点的失效模式和失效机理，找出影响焊点可靠性的主 要因素，从而对提高无铅b g a 封装的可靠性提出应对措施。 1 1 电子封装技术及其发展趋势 1 1 1 电子封装的基本概念 狭义的封装( p a c k a g e ，p k g ) 可定义为：利用膜技术及微细连接技术，将半 导体元器件及其它构成要素，在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子， 并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。广义的电子封 装则是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为适用于设 备或系统的形式，并使之为人类社会服务的科技，即“将构成电子回路的半导体 元件、电子器件组合成电子设备的综合技术”。 电子封装具有机械支撑、电气连接、物理保护、外场屏蔽、应力缓和、散热 防潮、尺寸过渡、规格化和标准化等多种功能。 电子封装属于复杂的系统工程，从工艺上讲，电子封装包括薄厚膜技术、基 板技术、微细连接技术、封接及封装技术等四大基础技术；从材料上讲，电子封 装要涉及到各种类型的材料，如焊剂焊料、焊丝框架、金属玻璃超细粉、陶瓷 粉料、表面活性剂、有机粘结剂、热硬化树脂、聚合物填充材料、聚酰亚胺薄膜、 感光性树脂等：从设计、评价、解析技术讲，涉及到膜特性、电气特性、结构特 2 i 性及可靠性等方面的分析、评价与检测。 从硅圆片制作出各类芯片开始，到大规模电子设备的组装，一般按实现功能 的不同将电子封装划分为l s i 芯片、封装、模块和系统装置四个阶段( 如图1 1 ) ： 芯片的零级封装芯片表面的再布线、形成焊料凸点或金凸点和凸点下金属化 层( u n d e rb u m pm e t a l l i z a t i o n ，u b m ) ；一级封装实现芯片基板的微互连， 将裸芯片封装成单芯片或多芯片组件；二级封装将一级封装和其他元器件一 同实装到p w b ( p r i n t e dw i r i n gb o a r d ，印刷电路板) 或其他基板上；三级封装一 一将二级封装组装到母板( m o t h e rb o a r d ) 上。 图1 1 电子封装的各个阶段( 级) 1 1 2 电子封装的分类 封装的种类繁多、结构多样，其分类的方法也很多： ( 1 ) 、按芯片在基板上的装载方式( 一级封装) 分类 按芯片电极面相对基板的方向( 朝上还是朝下) 来分，有正装片和倒装片( f l i p c h i p ) ：按芯片级互连方式来分，有w b ( w i r i n gb o n d i n g ，引线连接法) 、t a b ( t a p ea u t o m a t e db o n d i n g ，带载自动键合法) 、f c ( f l i pc h i p ，倒装芯片法) 和 微机械键合法之分。 ( 2 ) 、按封装基板类型分类 基板的作用是搭载、固定电子元器件，利用其表面或内部形成的电路图形进 行电路的连接，同时兼有绝缘、导热、隔离及保护元器件的作用。从材料上，可 分为有机基板和无机基板两大类：从结构上，又分单层( 包括柔性带基) 、双层、 多层和复合基板等。 ( 3 ) 、按封接或封装方式分类 封接和封装的目的是将半导体元件与外部温度、湿度、气氛等环境隔绝，起 到保护和电气绝缘的作用，同时还可实现向外散热及应力缓和，分为气密性封接 和非气密性树脂封装。 ( 4 ) 、按p k g 的外形、尺寸、结构和实装方式( - - 级封装) 分类 按外形，即根据p k g 接线端子的排布方式对其进行分类，依照p k g 的发展 顺序，先后出现了d i p 、p g a 、q f p 、b g a 、c s p 等几大类。 ( 5 ) 、按封装材料、封装器件和封装结构分类 电子封装又可分为金属封装、金属陶瓷封装、陶瓷封装和塑料封装四类。 1 1 3 电子封装技术的发展历程及趋势 电子设备迅速的轻、薄、短、小化及集成电路芯片性能的飞速提高是促进电 子封装也急速发展的两个车轮。从1 9 0 0 年真空三极管的发明到如今的特大规模 集成电路( u l s i ) ，电子封装技术已先后经历了电子管安装时期( 1 9 0 0 - 1 9 5 0 年) 、 晶体管封装时期( 1 9 5 0 1 9 6 0 年) 、元器件插装( t h r o u g hh o l et e c h n o l o g y ，t h t ) 时期( 1 9 6 0 1 9 7 5 年) 、表面贴装( s m t ) 时期( 1 9 7 5 年) 和高密度封装时期( 2 0 世纪9 0 年代) ，并出现了两次重大的变革叫o 世纪7 0 年代前半期，电子封装 从插入式安装到表面贴装的转变：2 0 世纪9 0 年代中期，电子封装从四边引脚的 q f p 到平面阵列表面贴装( b g a ) 的转变。 进入2 l 世纪，电子封装技术正酝 酿着第三次重大变革( 如图1 2 ) ，向超 小型、超多端子、多芯片的高密度封装 时期迈进，并出现了更多先进的封装形 式，如高性能的c s p 封装、以芯片叠 层式为代表的3 d 封装、硅圆片级封装 4 一一一 图1 3 电子封装总的发展趋势 瞄瓷封麓 魏辩封装 封蓑携格l i 期t l , 氍债格 奄境豺韩 鸭耵 布绶槽辑：锯( 幽 璐【的蠢逮化 蔫甓篼瓣豺辑；置! 譬凳矗l i 钿日嚣瓣篼稚豺辑- l 。l ：。t l l t m i 磨锌 啦l a o 图1 4 陶瓷封装向塑料封装的发展趋势 从封装结构形式的发展来看，随着电子元件集成度的不断提高以及封装高密 度、多引脚、超小型化的进展，b g a 已代替部分q f p ，并向c s p 等更先进的封 装结构形式发展： b g a 向e b g a ( e n h a n c e db g a ，增强型b g a ) 、f c b g a ( 倒装芯片b g a ) 、 积层式多层基板b g a 方向发展，实现多引脚( 1 0 0 0 ) ，高密度封装。 b g a 向m c m 、叠层式存储器模块发展，实现封装层次的3 d 封装。 b g a 向更窄节距引脚的c s p 发展，实现更高封装密度、更多引脚数和 更高性能的小型化封装。 b g a 向f c c s p 、2 芯片叠层、3 芯片叠层方向发展，实现芯片层次的 3 d 封装。 b g a 向硅圆片级c s p 、存储器模块发展，通过硅圆片的封装技术，提高 封装密度、降低成本。 5 一一 各类先进封装形式的先后问世，对封装工艺和封装材料提出越来越高的要求， 同时涉及到薄厚膜技术、多层基板技术、微互连技术、封接与封装技术等各领域。 目前，人们正在大力研究开发的新工艺、新材料主要包括倒装芯片技术，可控塌 陷芯片互连技术( c o n t r o l l e dc o l l a p s ec o m p o n e n tc o n n e c t i o n ，c 4 ) ，芯片直接搭 载技术( d i r e c tc h i pa t t a c h i n g ，d c a ) ，钉头凸点键合技术( s t u db u m pb o n d i n g ， s b b ) ，下填充技术( u n d e r - f i l l ) 与材料，耐高温有机基板材料，b g a 及c s p 的 表面贴装技术、检查与返修，各向异性导电膜浆料( a n i s o t r o p i cc o n d u c t i v e f i l m p a s t e ，a c f a c p ) ，无铅焊料，积层式( b u i l d u p ) 多层基板制作，激光法 制作埋孔，导体埋孔工艺等。 1 2 电子封装的无铅化进程 由于铅具有良好的柔软性、延展性、低熔点和耐腐蚀性，长期以来一直被广 泛应用于电子封装业的微互连工艺。研究表明，p b 在铅锡焊料中发挥着重要的 作用：减小焊料表面张力，提高浸润性；阻止b s n 向仪s n 的相变( 发生在1 3 以下，并会引起2 6 的体积膨胀) ：促进焊料与被焊件之间快速形成键合。然而， 铅本身是有毒金属，大量的使用不仅会造成严重的环境污染，同时也极大地危害 到人体健康。随着人类环保意识的不断增强，人们在追求电子产品高性能的同时， 更注重它的无毒、绿色、环保等特点，限制或禁止使用铅的呼声日渐高涨，许多 国家已先后制定了对铅的限制法规，电子封装业的“无铅化”已成为今后发展的 必然趋势，因此寻找、开发绿色无铅封装材料以及实施无铅工艺制程已成为当今 电子工业所面临的重要课题之一。 焊料的无铅化是无铅封装的关键，开发新型无铅焊料，要求其在熔点、强度、 耐热疲劳及蠕变特性等性能方面与传统的s n p b 共晶焊料具有可比性，目前对无 铅焊料的研究主要集中于几类以s n 为基体金属的合金体系( 见表1 2 ) ：s n a g c u 系、s n z n 系、s n b i 系。 表1 2无铅焊锡材料特性表 熔点( ) 性能 合金系统具体的组成体统与6 3 s n 3 7 p b 焊料相比 ( 6 3 s n 3 7 p b ：1 8 3 ( 2 ) 强度浸润性疲劳特性 s n - 3 5 a g 2 2 1 添加c u s n - 3 5 a g - 0 7 5 c u 2 1 6 2 2 0 s n - a g 系 s n 3 0 a g - 0 5 c u 2 1 7好良好 s n 1a g - 2 b i2 0 0 2 1 4 添加b i s n - 3 4 a g - 4 8 b i 1 8 0 2 0 0 6 s n - 9 z n1 9 9 s n - z n 系好差好 s n - 8 z n - 5 l n - 0 1a g1 8 5 1 9 9 s n 5 8 b i 1 3 8 s n b i 系 良良 差 s n - 7 5 b i 一2 a g 0 5 c u 1 8 7 1 9 9 s n a g 系焊料( 合金共晶成分s r d 5 a g ，熔点2 2 1 ) ：在蠕变特性、强度、 耐热疲劳等力学性能方面要优于传统的s n p b 共晶焊料，但浸润性稍差，这与 a g 的表面张力较高有关( a g 、s n 、p b 的表面张力分别为0 9 3 、0 5 5 、0 4 3 n m ) 。 s n a g 系焊料的缺点在于其熔点较高，且在c u 焊盘上的浸润性较差，使用该焊 料需要更高的回流焊温度( 2 6 0 ) ，这对待焊器件及p c b 来说是个严峻的考验， 对该焊料的研究不仅需要开发低熔点、浸润性好的合金系统，还应考虑提高电子 器件及p c b 的耐热性。目前研究表明，s n a g 系无铅焊料中添加少量b i 、c u 、 i n 可降低合金熔点，其中s n a g c u 系焊料最接近实用化，具有良好的强度、抗疲 劳特性和塑性等优点。 s n z n 系焊料( 合金共晶成分s n 9 z n ，熔点1 9 8 ) ：具有与s n p b 共晶焊料 最接近的熔点，力学性能良好且成本较低，有望达到实用化。但z n 是强反应性 金属，易氧化致使焊料浸润性变差，且焊料的保存性较差，长期放置会引起结合 强度变低。为克服易氧化问题，s n z n 系焊料须在氮气等非活性气氛中进行回流 焊，确保良好的浸润性。另外，可添加能破坏氧化膜的合金元素，通过合金化抑 制z n 的氧化。目前，添加3 b i 的s n z n 系合金已达到实用化。 s n b i 系焊料( 合金共晶成分s 1 1 2 8 b i ，熔点1 3 9 ) ：具有低熔点，可降低对 电子器件及p c b 耐热性的过高要求，且不存在经时变化及浸润性变差等问题， 拉伸强度等抗疲劳性能也较好。但该焊料一旦发生塑性变形，由于延伸率低而表 现为脆性：而且存在因偏析引起的熔融现象，导致耐热性变差；此外，b i 系焊 料晶粒的粗大化发生在8 0 - 1 2 5 ，会造成焊料强度下降。因此，使用该焊料需 提高b i 本身的延性，同时严格控制回流焊的冷却速度，使b i 晶粒微细化。研究 发现，在s n b i 合金焊料中添加适量的s n a g 合金，可减少焊点中空洞的出现， 改善焊料的焊接性能。一般而言，合金中b i 元素质量分数的增加，焊料的熔点 降低，但耐热疲劳性和延展性也下降，j n - r 性也变差。 总体上无铅焊料应满足：熔点适中、浸润性优良、力学性能合格、抗疲劳性 能优良、电阻率低等性能要求，才能大规模使用，而目前开发出的无铅焊料往往 顾此失彼，要全部满足这五个基本要求还有一定难度，这是无铅合金焊料研究的 难点。 要彻底实现无铅封装，还需解决其他辅助材料的相关问题，如待焊的电子器 件材质不能含铅，即其p n s n 电镀层也要改成无铅镀层( s n a g 、s n c u 、s n b i 等) ： 7 需要研制特别的助焊剂，以提高无铅焊料的浸润性：开发新型绿色环氧塑封材料， 能经受无铅焊料回流焊所要求的较高温度。可见，要使无铅封装从研发走向工业 生产、从小批量生产转向大批量生产，在电子工业领域彻底取代铅锡焊接，需要 考虑各方面的相容性问题，包括材料相容性( 焊料及其它辅助材料) 、工艺相容 性( r e n o w 、检测、返修工艺) 、设计相容性、可靠性相容性( 热疲劳、机械应 力) 、设备相容性及成本问题。综合考虑各因素，处理好各方面的相容性，才能 实现电子封装向无铅化的顺利转变。 8 i i 微电子封装的微互连技术 在电子封装工程的四大基础技术，即薄厚膜技术、微互连技术、基板技术、 封接与封装技术中，微互连技术起着承上启下的作用。无论是芯片装连在载体上， 还是封装实体在基板上，都要用到微互连技术。6 3 p b 3 7 s n 共晶焊料的钎焊是早 期广泛应用的微互连技术，但随着互连部位的不断微细化，钎焊变得困难，为满 足微电子封装技术的发展要求，先后出现了w b 、t a b 、c 4 、f c 等先进的微互 连技术( 表2 1 ) 。 表2 1微电子封装及微互连技术的发展情况 年份1 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 0 5 低成本、高 芯片互连 、粕、粕w bf c i o 的f c 封装形式 d i p q f p b g ac s p 裸芯片 组装方式 p i h s m tb g a s m tb g a s m t c 4 、d c a 无源元件分立分立分立分立组合集成 基板 有机 有机有机d c a 板s l i m 封装层次3333 l1 元件类型5 1 05 1 05 l o5 l o1 s i 效率( 芯片基板) 271 02 5 7 5 2 1 裸芯片互连技术( 零级封装) 裸芯片互连技术用于实现芯片与多层基板的微互连，将i c 芯片支撑固定，并 与多层基板进行电气、机械连接。常见的芯片互连技术有引线连接技术( w b ) 、 带载自动键合技术( t a b ) 、倒装芯片技术( f c ) 。 ( 1 ) w b 技术 w b ，即将芯片电极面朝上安装固定在多层布线板上，再用a u 、a i 等微细金 属丝( 0 2 0 - - 5 0 1 a m ) 连接i c 芯片的输入输出电极( i n n e rl e a db o n d i n gp a d ：内引 线端子i l b ) 和p c b 上的导体布线电极( o u t e rl e a db o n d i n gp a d ：外引线端子 o l b ) ，实现电气连接。 w b 是一种传统的、适用性广泛且工艺最成熟的芯片互连技术，可分为热压 焊、超声焊和热压超声焊( 亦称金丝球焊) 三种方式。其焊接灵活方便，焊点强 度高，通常能满足7 0 1 m a 以上芯片焊区尺寸和节距的焊接需要，但引线长，测试 性盖 ( 2 ) t a b 技术 9 一一一一。 t a b ，挠性覆c u 箔有机薄带( 聚酰亚胺p i ) 经蚀刻形成带有i l b 和o l b 的引线图形，且两边设有送带孔，可实现自动送进、定位。经热压或钎焊使芯片 凸点与i l b 相连，冲压、成形切断后，再经热压或钎焊使o l b 与布线板上对应 的焊盘相连接。t a b 技术主要包括载带形成工程、芯片凸点形成工程、内引线 键合工程和外引线键合工程。 t a b 适合自动流水线操作、效率高，易实现大批量生产，且引线电阻、电容 和电感比w b 小得多，具有优良的高速、高频电性能和更高的封装密度。 ( 3 ) f c 技术 在芯片表面按栅阵形状布置i o 端子，芯片直接以倒扣方式安装到布线板上， 实现i o 端子与布线板对应电极焊盘的电气连接。常用的f c 微互连方法有c 4 法、a c p 和a c f 、s b b 和机械接触互连法。 c 4 法是将芯片电极上制作的p b s n 焊料凸点再回流f c 连接到基板焊盘上。 a c p a c f 法将含有不连续导电粒子球的各向异性导电胶涂敷到基板上，再 由加热、加压使f c 芯片凸点通过导电粒子压在基板焊盘上。 s b b 法是将a u 丝打球在芯片电极面上形成的钉头凸点，外敷导电胶或焊料， 再f c 连接到涂有导电胶或焊料的基板焊盘上。 机械接触互连法是在基板焊盘上涂敷可光固化的环氧树脂，将f c 芯片放置 到基板上，加压并u v 光固化，产生收缩应力使芯片凸点与基板焊盘达到可靠的 机械接触互连。 f c 技术不再需要从芯片向四周边引出i o 端子，互连的长度大大缩短，减小 了r c 延迟，有效地提高了电性能；芯片i o 端子按面阵布局，适用于高i o 数 芯片的互连，并具有更高的可靠性；此外，利用s m t 可同时完成贴装和互连，大 为简化了安装互连工艺。 w b 、t a b 、f c 三种芯片互连技术都有其各自的优缺点( 表2 2 ) ，目前w b 技术仍是最常用的互连方法，但在高i o 数芯片的互连中，t a b 和f c 技术正逐 步取代w b 互连，特别是c 4 技术将成为各高密度封装互连的主流技术。 表2 2 芯片互连技术的比较 互连技术w bt a b f c 可焊区域 芯片周围芯片周围整个芯片 需制作a u 或c 4 硅片 i c 芯片附加工艺不需要需制作( 2 4 硅片i o 凸点 i o 凸点 互连材料 a u 或a l 幺幺 a u 或焊料凸点焊料凸点 芯片载带t a b ， 焊接工艺热压、超声、热声 焊料凸点再回流焊 i l b o l b 群焊 1 0 最小焊区节距( 1 zm )1 3 08 01 0 最多引脚数( i o m m 2 )3 0 05 0 01 6 0 0 引线电阻( mq )1 0 02 0妈 引线电容( p f ) 2 51 0 4 0 0 ) 封装，提高了封装密度。 焊球的回流焊过程中，由于熔融焊料的表面张力作用，具有自对准效应， 因此可实现多端子一次回流焊的表面实装，且安装、焊接的失效率低。 b g a 焊球引脚很短，使信号路径减短，从而降低了引脚间电感和电容， 改善了电性能。 b g a 焊点的节距一般为1 2 7 r a m 和0 8 m m ，且实装操作简单，可使用现 有的s m t 工艺设备。 b g a 封装的可靠性高，可返修性高，且成本低。 3 2b g a 的类型 按封装基板材料来分，b g a 主要有四种基本类型：p b g a 、c b g a 、c c g a 和t b g a 。同时，为了满足多引脚、高散热能力、高频、低损耗、小型、薄形等 特殊要求，每种b g a 有派生出许多新的形式。 3 2 1p b g a ( p l a s t i cb g a ) 塑封b g a p b g a 是最普通的b g a 封装类型( 如图3 1 ) ，其载体( c a r r i e r ) 或封装基板 ( s u b s t r a t e ) 是普通的印刷板基材，如f r - 4 、b t 树脂等，芯片通过金属丝压焊 方式连接到基板的上表面，然后用塑料模注成形，在基板的下表面连接着焊球阵 钾辩饿蟓 图3 1p b g a 的典型结构 1 2 列( 如共晶p b s n 焊球) 。通常的焊球直径在o 7 5 0 8 9 r a m 范围内，焊球中心距 有o 8 m m 、1 o m m 、1 5 m m 等几种，最小可达0 5 m m 。 p b g a 可以用现有的s m t 、设备进行实装。首先通过丝网印刷法把焊膏印刷 到相应的p c b 焊盘上，然后把p b g a 的焊球对应置于p c b 上并进行回流焊。回 流过程中，由于器件重力和焊料的表面张力作用，焊球塌陷使器件底部与p c b 的间隙减小，焊点固化后呈椭球形。 p b g a 封装可利用现有的封装技术和原材料，生产费用相对较低，且器件电 气性能良好，不易受到机械损伤，可适用于大批量的电子封装。此外，p b g a 基 板和实装中p c b 的热膨胀系数( c t e ) 近乎相同，在回流焊过程中及完成后， 几乎不产生热应力，对焊点的可靠性影响也较小。 目前，p b g a 技术的主要挑战在于减少对湿气的敏感性和防止“p o p c o r n ”( 爆 米花) 现象的产生，以及解决因日趋增大的芯片尺寸引起的可靠性问题。 多引脚半导体芯片性能、元件功耗及工作频率的迅速提高，对b g a 封装提 出了更高要求。在普通p b g a 的基础上，又出现了几种新型p b g a 封装形式： ( 1 ) e b g a 嘴 即增强型b g a ( 如图3 2 ) ，芯片采用电极面朝下的方式，有利于减小封装 高度：封装结构中带有上空腔( 便于在芯片姐面附加金属散热板，以提高散热性 能) 和下空腔( 便于布置金丝引线) ：采用多层基板和三维立体布线，可缩短布 线长度，并且在多层基板中设有接地层，通过阻抗匹配以降低电感。该p b g a 具有多端子( 7 0 0 ) 、低热阻( 约1 0 例) 及优良的电学特性( 2 0 0 m h z ) 等 特点。 ( 2 ) s - m c p ( s t a c k e dm u l t ic h i pp a c k a g e ) 即多芯片叠层式b g a 封装( 如图3 3 ) 。为适应存储器等大容量化的发展要 求，在同一封装内叠房2 个获2 个以上的芯片，可达到实装面积雇搏系统性能 提高的目的。 i 叔 、 扩 、 翁蟹缨 r i n d 盈 编畸堪 k 鹾 簟董熏嘲彩 攥缝麓l 翱零片。2 n 麓 聚绒袋蒂 黏结捌辫猗嚣赣 图3 2e b g a 的断面结构( 芯片电极面朝下型)图3 3s - m c p 的断面结构 i ( 3 ) f c b g a 倒装芯片b g a 如图3 4 所示，芯片与基板间的微互连端子按平面阵列布置， 节距一般为3 0 0 p m 左右，采用f c 技术( 如c 4 、a c f 、s b b 、机械压接等微互 连技术) 实现芯片基板的互连。 与其他封装形式相比，f c b g a 采用f c 方式大大缩短了布线长度，有利于 高频信号的传输，且采用窄节距基板，增加了再布线的自由度；芯片散热效果好， 可从芯片背面的盖板或通过正面的封装基板由实装母板传出；结构紧凑、厚度小， 易实现小型化，且便于实现m c m 和封装体的3 d 封装。 ( 4 ) f b g a ( f i n ep i t c hb g a ) 即窄节距b g a 封装，特指i o 端子节距小于0 8 m m 的超小型封装( 如图3 5 ) 。 f b g a 可利用原有生产线和设备进行生产，成本低；i o 端子的布置可采用扇入 式( f a n i n ) 或扇出式( f a n o u t ) ，方便灵活；同时，采用聚酰亚胺载带作为芯片 载体，可实现窄节距。 节瓣竞黼z 嚣凸趱 l 飘；蕃糟垮露槛拳盏囊 i t t t t m ；上= 生一忍疆_ = 譬妊二晶赫；强忍盔 目， 1 1 r 彩留1 哪v 百虿虿百耵矿 锚伽i k 事履麓 俐埘 竣控辩籀 图3 4f c p b g a 的断面结构图3 5f b g a 的断面结构 3 2 2c b g a ( c e r a m i cb g a ) 陶瓷b g a c b g a 的芯片连接在多层陶瓷载体的上表面，通过金属丝压焊或f c 方式实 现芯片载体的连接。芯片连接固定后，采用环氧树脂等塑封材料进行封装，以 提高可靠性并提供机械防护。陶瓷载体下表面连接高熔点焊球阵列( 如9 0 p b 1 0 s n 焊球) ，直径通常为0 8 9 m m 左右，常见节距有1 0 m m 、1 2 7 m m 。 c b g a 器件也可用现有的设备和工艺进行实装，但其焊球与p b g a 的焊球组 分不同，熔化温度较高，使得整个实装过程与p b g a 有所不同。 c b g a 具有良好的气密 性、电气性能和热特性：由 于c b g a 的芯片与陶瓷载体 的连接可采用f c 方式，具有 更高的互连密度，且不易受 机械损伤，共面性好，焊点 形成容易，适用于i o 数大 于2 5 0 的电子封装。 a c c y i aa 婚 图3 6c b g a 和c c g a 的结构比较 1 4 c b g a 的应用并不广泛，主要是由于c b g a 实装中存在p c b 和多层陶瓷载 体间c t e 不匹配的问题，从而在热循环过程中易产生较大内应力，造成c b g a 焊点失效。 3 2 3c c g a ( c e r a m i cc o l u m ng r i da r r a y ) 陶瓷柱栅平面阵列 c c g a 是c b g a 在陶瓷载体面积大于3 2 m m x 3 2 m m 是的另一种形式( t u 图 3 6 ) 。与c b g a 不同的是，c c g a 在陶瓷载体下表面连接的不是焊球而是焊料柱， 直径约0 5 m m ，高度约2 2 1 r a m ，柱阵列节距典型的为1 2 7 m m 。c c g a 有两种 形式：焊料柱与陶瓷载体采用焊料连接或采用浇注式固定结构。 c c g a 的焊料柱可承受因p c b 与陶瓷载体的c t e 不匹配而产生的应力，但 在实装过程中较易受到机械损伤，封装体略高。 3 2 4t b g a ( t a p eb g a ) 带载b g a t b g a 是b g a 的一种相对较新的封装类型，芯片载体是聚酰亚胺带，并覆 以单层铜箔( 图3 7 ) 或上、下双层铜箔( 图3 8 ) 。带状载体上的过孔起着连同 两个表面、实现信号传输的作用，其顶面连接的加固层用于给封装体提供刚性并 保证封装体的共面性，而芯片背面连接的散热板可提高散热性。t b g a 采用t a b 技术来实现芯片载体的互连，典型的焊球阵列节距有1 0 m m 、1 2 7 m m 、1 5 m m 几种，焊球直径约0 6 5 m m 。 t b g a 的载体为薄带，且 采用倒装片形式进行芯片一 载体的连接，封装易于薄型 化、轻量化；t a b 的内引线 键合技术可实现焊盘节距的 微细化( 4 0 - - 6 0 r t r n ) ，且带载 可进行微细布线，适合于多 端子化( 1 0 0 0 ) ；芯片载体、 加固层与p c b 间的c t e 基本 匹配，对焊点可靠性影响不 大。然而，t b g a 对湿气、 热敏感，对工作条件要求高， 且成本比p b g a 较高，目前 主要用于高性能、高i o 数 的电子产品的封装。 图3 7t b g a 的典型结构及特征 由f 辩漓经蝰噬戡聃搬擎避优貔 玎餐现默抗西鼍 甄蹇申啦谚 馋譬l 蠡臼于疆遣德畸燃辩麓 t a b 譬 盘ef 蛞聋 i 【茂t i 瓤托静 群档随 搏疆蕊麓 ! - - 缁瑷 f - 奢瞧爰游 l 糖缝艟 图3 8 双金属层载带t b g a 的典型结构 蹶蘩翟燃鳅燃州i 基鞫删勰皇绗 3 3b g a 焊点的检测技术 对b g a 器件来讲，由于焊球在芯片的下面，完成s m t 实装后就很难对焊点 进行检测。通常，可先对焊接后的b g a 器件进行目视检查，观察b g a 最外面 一圈焊点的焊接情况，再将芯片对着光看，如果每一排每- n 都能透过光，那么 可以断定没有连焊。然而，要对b o a 里面的焊点进行观察，就需要使用x 射线 焊点检测技术，透过器件的封装材料、芯片和基板材料，直接提供所有焊点的扫 描图形。 传统的二维x 射线检测技术可观察焊点的桥连、未对准、开焊、焊球丢失等 缺陷，对焊点结构的可靠性进行检测。但该技术只能将p c b 两面所有的焊点同 时显影在同一图片上，若在同一位置p c b 两面都有组件，这些焊锡形成的图像 就会重叠起来而无法辨认，甚至有可能会遮盖某些缺陷，无法精确地确定各焊点 的情况。 另一种x 射线断层检测技术利用x 射线断层成像原理( 如图3 9 ) ，对焊点 互连结构进行分层，产生断层照相的效 果，可对p c b 两面所有组件的所有焊点 进行精确的对比分析。该技术不仅可