CSP装配的可靠性研究

1、CSP 装装配的可可靠性本文对三种种芯片规规模包装装及其装装配的可可靠性进进行比较较。板面焊接点点可靠性性信息的的获得对对于芯片片规模包包装(CCSP, chhip-scaale bacckagge)的的广泛实实施是关关键的。本本文比较较三个不不同的CCSP概概念及其其装配的的可靠性性。另外外，将使使用一个个修饰的的Cofffinn-Maansoon关系系，对一一个专门门的温度度循环范范围，设设计出有有关几种种低输入入/输出出(I/O)包包装的焊焊接点可可靠性的的循环数数据文献献。由喷喷气推进进实验室室(JPPL, Jett Prropuulsiion Labboraatorry, Passa

2、deena, CAA)组织织了一个个微型BBGA协协会，来来探讨有有关包装装类型、II/O数数、PWWB材料料与类型型和制造造变量对对品质和和电路板板可靠性性的相互互作用的的技术问问题。这这里呈现现给大家家的是来来自这个个课题的的最新结结果。小型化的趋趋势通孔(thrrouggh-hholee)和表表面贴装装(suurfaace-mouunt)集成电电路(IIC)包包装的预预计用量量根据市市场的来来源有很很大的不不同。来来自BPPA, UK的的一项计计划如图图一所示示。几个个趋势是是明显的的。双排引引脚包装装(DIIP, duaal iin-llinee paackaage)预计用用量上减减少

3、最多多，从119966年的1160亿亿在十年年内减少少到大约约50亿亿，或者者每年减减少100亿。相相反，表表面贴装装包装的的用量，包包括PQQFP (pllasttic quaad fflatt paack)，预计计在下一一个十年年内会增增加。预预计在五五年内增增加7001880亿，并并且在另另外的五五年内几几乎是稳稳定水平平，只增增加200亿。在在十年内内，COOB(cchipp onn booardd)预计计从500亿增加加到1330亿，图图一中未未显示出出。CSPP和倒装装芯片(fliip-cchipp)包装装的用量量上的增增加是相相同的。预预计在220066年达到到60亿亿。相反反，

4、在相相同十年年里BGGA的增增加预计计是最小小的，达达到只有有15亿亿的总用用量。对对BGAA的预计计表明也也许这些些包装只只是一个个踏步石石，工业业将更广广泛地接接受倒装装芯片(fliip cchipp)和芯芯片规模模包装(CSPP)，因因为它们们更好地地满足小小型化应应用的要要求。为什么采用用芯片规规模包装装(CSSP)？CCSP的的出现提提供裸芯芯片(bbaree diie)与与倒装芯芯片(fflipp chhip)的性能能与小型型的优势势，具有有标准芯芯片包装装的优点点。CSSP设计计成比芯芯片模(diee)面积积或周长长大 11.21.55 倍的的包装。图图二说明明CSPP的两个个概

5、念，包包括具有有1)柔柔性或刚刚性内插插器和22)圆片片级(wwafeer-lleveel)成成型与装装配再分分布的两两种包装装。包装达到如如下的目目的： 为回流焊接接装配工工艺提供供与印刷刷线路板板(PWWB)焊焊盘冶金金兼容的的锡球和和引脚。 重新把芯片片模(ddie)紧密的的间距分分配成在在PWBB制造规规范之内内的间距距水平。 由于小尺寸寸，不允允许重大大的重新新分配；现在的的低成本本PWBB制造限限制了该该技术的的全面采采用，特特别是高高输入输输出(II/O)数。 防止芯片模模的物理理和阿尔尔发射线线(allphaa raadiaatioon)损损坏，提提供散热热的载体体。 使芯片模

6、功功能测试试容易。 微型BGAA的自我我对中(Sellf-AAliggnmeent)如如图三所所示，用用输入输输出(II/O)的可扩扩展性和和制造的的坚固性性，CSSP可分分类成栅栅格阵列列和引脚脚型(无无引脚型型)。列列出了每每个类型型的主要要优点/缺点。密密间距(finne ppitcch)栅栅格阵列列可接纳纳更高的的引脚数数，与BBGA类类似，它它们具有有自我对对中特性性。对BBGA，包包装贴装装要求的的放松已已经广泛泛地认为为与传统统的表面面贴装包包装比较较减少了了焊接点点的缺陷陷。影响自自我对中中的主要要因素是是熔化的的焊锡表表面张力力，它提提供在包包装上到到焊盘的的拉力。反反作用力

7、力是包装装的重量量。对PPBGAA，从共共晶锡球球产生的的拉力大大于来自自陶瓷BBGA(CBGGA)的的部分熔熔化焊接接点或者者传统包包装的锡锡膏熔化化的力。因因此，PPBGAA具有更更好的自自我对中中。BGGA锡球球分布的的对称性性进一步步允许对对BGAA的X和和Y和旋旋转位移移。对于栅栅格式CCSP，熔熔化的表表面张力力比BGGA小得得多，因因为它们们具有较较低的锡锡球量。这这个较小小的表面面张力，配配合CSSP较密密的间距距，可能能阻碍自自我对中中表现，特特别对于于重的包包装。CCSP可可能要求求比500-miil间距距的BGGA更紧紧的贴装装精度。 栅格CSPP显示有有自我对对中，但但

8、是在最最好的偏偏移限制制上存在在不和谐谐： 对于46个个I/OO的栅格格CSPP，只有有25%的偏移移是可接接受的。可可接受的的偏移对对于PBBGA是是62%，对于于CBGGA是550%。Norreikka, Surrfacce MMounnt IInteernaatioonall(SMMI), 19997 另一个研究究者报告告一个880%的的偏移。(Pattriddge, SMMI 119977) 据说在166,1000个焊焊接点中中只有两两个锡桥桥，是由由于外来来材料，没没有来自自贴装不不准确的的缺陷。该该试验是是一个定定性研究究，其中中3000个466 I/O的CCSP是是手放的的，回流

9、流；然后后刻画焊焊点缺陷陷(Baauerr, eet aal, SMII 19997)。 在装配有444 II/O的的CSPP包装的的2000个装配配中，只只检查到到两个焊焊接点短短路(HHuntter, att all, CCHIPPCONN 19998)。 当JPL领领导的微微型BGGA协会会装配330个试试验载体体(每个个载体都都有四个个46 I/OO的CSSP)时时，没有有观察到到缺陷。 当八个具有有1600 I/O的CCSP有有0.22mm的的偏移时时，没有有观察到到缺陷。这这个是针针对0.450.223 mmm直径径的焊盘盘布局(IMAAPS, 19997, p.2566)。 微电

10、子装配配的可靠靠性在包装装附着中中一个主主要的损损坏根源源是改变变系统温温度。当当系统没没有使用用时就关关闭电源源造成更更多的循循环。以以前，电电子硬件件通常长长期地保保持有点点，其结结果是相相对少的的温度循循环，引引起对由由温度循循环影响响的焊接接点的关关注。对对焊接点点的损坏坏最通常常是由下下面因素素引起的的：包装与板之之间总的的温度膨膨胀系数数(CTTE, coeeffiicieent of theermaal eexpaansiion)不匹配配，引起起应力。包包装和板板也可能能在厚度度上和表表面积上上有温度度梯度。 在元件与PPWB焊焊锡附着着之间的的局部的的CTEE不匹配配。 减少元

11、元件与PPWB的的CTEE不匹配配可减少少循环损损坏，但但是理想想的条件件决定于于元件、PPWB和和焊锡的的温度条条件。具具有比元元件的CCTE稍稍微较高高的、CCTE经经过修整整的PWWB材料料可能是是理想的的，因为为，通常常，总的的CTEE不匹配配占上风风，有热热源芯片片模的元元件比PPWB较较热。还有有其它方方法用来来减少对对焊接点点的损坏坏。底部部充胶(undderffilll)的应应用是一一个常见见的技术术，广泛泛用于板板上芯片片的直接接附着或或者当包包装的引引脚不牢牢固时。其其它不太太传统的的方法目目的是要要在包装装内吸收收芯片模模(diie)与与板之间间的CTTE不匹匹配，或或者

12、外部部地通过过应力吸吸收机构构，减少少焊锡连连接上的的应力。这这些方法法可能引引起它们们本身独独特的损损坏，因因为最脆脆弱的连连接现在在从焊锡锡转移到到附着系系统的其其它区域域。CSP装配配的可靠靠性表一分分类了三三个级别别包装的的装配可可靠性。它它包括对对柔性或或刚性内内插件(intterpposeer)的的包装和和圆片级级包装(waffer-levvel)的可靠靠性试验验数据。其其失效机机制的循循环条件件方面总总结如下下。表一、CSP装配可靠性的数据包装类型简图(不按比例) 循环条件总循环数失效/样品I/O数参考(说明)-196160C-65150C-65150C-55125C-55125

13、C5.8周期/小时 130116375010001000无充胶*500600 0/30/460/784/78*0/781/83/8 1881884640 DiStefano, T., Fjelstad, J. (1996, April). Chip-scale packaging meets future design needs. Solid State Technology.Greathouse, S. (Feb. 1997). Chip-scale package solutions-The pros and cons. Proceedings of Second Internation

14、al Conference on Chip-Scale Packaging. CHIPCON 97.*4/78 right after 1,000 cycles in leadLall, P. (May 1998). Assembly level reliability characterization of chip-scale packages. 48th Electronic Component & Technology Conference.*Internal TAB failure.0100C(温度冲击) 2000充胶900*无充胶PWB1.6mm NA220Ianzone, R.

15、(Feb. 1997). Ceramic CSP: A low cost, adptive interconnect, high density technology. Proceedings of Second International Conference on Chip-Scale Packaging, CHIPCON.*Private Communication 温度膨膨胀系数数经过吸吸收的(CTEE-abbsorrbedd)CSSP表一显显示了对对于一个个CTEE不匹配配经过释释放的包包装的温温度循环环试验结结果。该该包装使使用象IIC内部部连接一一样的TTAB(tappe-aau

16、toomatted-bonnd)，一一个有弹弹性的内内连器和和共晶锡锡球。这这个与TTAB内内连接的的弹性关关联的有有弹性的的内连器器减少芯芯片CCTE 233 pppm (parrts perr miilliion)/CC与PPWBFR-4的CCTE 4115 pppm/C之间的的温度膨膨胀差别别。这种种包装已已经显示示其可靠靠性和稳稳固性，无无需底部部充胶。在在表一中中的温度度循环/冲击是是针对FFR-44上的链链型包装装，是从从液态氮氮温度(-1996CC)到热热油(1160C)温温度范围围内进行行的。由于于焊接点点的低应应力状态态，没有有观察到到焊接点点的疲劳劳失效机机制，失失效转移移

17、到具有有高不匹匹配应力力水平的的TABB内连接接的脚跟跟部分。当当使用柔柔软的金金引脚时时，发现现有重要要的改善善。在-65C1150C范围围内循环环高达22,0000次，金金质的没没有显示示失效。与与在极度度低温与与高温下下装配暴暴露有关关的温度度循环屏屏蔽试验验结果是是不现实实的，因因此，它它们的失失效机制制可能对对现场失失效(ffielld ffailluree)不具具代表性性。由于极极度高温温暴露，一一个这种种失效是是接近玻玻璃态转转化温度度(Tgg)，或或者聚合合材料开开始变软软的温度度时， FR-4 的的扩孔和和变形。如如果温度度变得接接近或超超过Tgg，那么么PWBB材料显显示严

18、重重的损坏坏。在-65C到1150C温度度循环范范围内，FFR-44 电镀镀通孔(thrrouggh-hholee)发现现有大量量的内孔孔爆裂失失效。表一一也包括括来自两两个用户户的最新新结果。失失效的循循环数比比这个包包装的供供应商提提供的少少得多。来来自英特特尔(IInteel)119977年底发发表的数数据也显显示这个个包装失失效的循循环数比比来自摩摩托罗拉拉19998年五五月发表表的较高高。前一一个研究究者被认认为是有有一个受受控的元元件包装装供应商商，而后后者的包包装来自自不同的的品排。极度的的CTEE不匹配配对对一个圆圆片重新新分配(waffer-reddisttribbuteed

19、)包包装的装装配的温温度循环环试验结结果在表表一中显显示。在在这个包包装中，一一个薄片片金属/聚合物物重新分分配锡球球在芯片片上的位位置，以以保证这这些与表表面贴装装脚印兼兼容。这这个包装装类型的的高度因因为从裸裸芯片的的金属聚聚合层厚厚度而增增加。这这个增加加的层通通常将不不吸收芯芯片与板板之间的的CTEE不匹配配，因此此，这个个包装的的装配可可靠性预预计与受受控塌落落芯片连连接(CC4, conntroolleed ccolllapsse cchipp coonneectiion)装配很很相似。没有底部充胶材料，装配好的包装在受到0100C之间的温度循环时达不到40个循环就失效。对于这些包

20、装类型，底部充胶通常要求达到装配可靠性的可接受水平。经过底部充胶的装配循环达到2,000次都不会失效。刚性内内连器的的陶瓷包包装非圆片片级的陶陶瓷包装装在没有有底部充充胶时仍仍显示合合理的装装配可靠靠性。表表一包括括在FRR-4上上的一个个陶瓷包包装的温温度循环环结果。陶陶瓷CSSP使用用多层陶陶瓷(MMLC, muultiilayyer cerramiic)一一样的设设计规则则，温度度压缩和和金接线线球的一一级内连连接选择择，焊接接倒装芯芯片和引引线接合合。强度度、刚性性、共面面性和包包装的容容室是很很好的。在在一个00.6mmm、低低Tg温温度的FFR-44上的包包装装配配在-440CC1

21、225CC之间大大约6000个温温度循环环失效。较较厚的FFR-44预计在在暴露到到1255C时时显示较较好的刚刚性，对对本研究究使用了了接近低低Tg的的FR-4聚合合体的温温度。表面贴贴装，预预计CSSP可靠靠性在JPPL已经经研究了了传统表表面贴装装包装的的可靠性性。288与200脚的引引脚芯片片载体(LCCC, lleadded chiip ccarrrierr)和668脚翅翅型(ggulll wiing)装配的的循环失失效试验验数据点点及其WWeibbulll分布在在图四中中显示。为为了比较较，也包包括了低低引脚数数的CSSP的预预计失效效循环次次数。图四四包括来来种图表表：LCCC与

22、翅翅型的分分布图和和CSPP的单数数据点。对对于分布布图，选选择从YY轴的累累积百分分比(例例如，550%)，然后后从X轴轴找到失失效的循循环数(例如，对对20脚脚的LCCC大约约7000次循环环)。对对于CSSP，YY轴没有有值，条条的高度度代表失失效的循循环数，其其值由XX轴定义义。例如如，Hiitacchi(Tessserra)440 DDRAMM装配数数据在-551000C循循环可达达将近220000次。可可是，由由其它公公布的新新数据显显示对于于来自不不同供应应商的包包装的循循环次数数低得多多，在该该条的顶顶部上的的箭头所所显示。对于LCC，从-55C100C的温度循环有246分钟的

23、持续时间。失效分布百分比是使用一个中间值绘图位置来近似表示，Fi = (i-0.3)/(n+0.4)。双参数Weibull累积失效分布用来配合该数据。对于CSP，结果是那些从文献收集和从修整的Coffin-Manson关系预计的。多数CSP包装的板的可靠性是可比较的或者比其相应的LCC更好。可是，这些包装不象引脚包装(包括翅型和J型引脚)那么稳固。J型引脚的数据在图四中没有显示，因为达到3000次循环都没有焊接点失效发生。系统地评估估可靠性性板板的可靠靠性信息息对高可可靠性应应用的CCSP实实施是必必要的。为为了帮助助在这些些领域建建造基础础设施，JJPL已已经成立立一个协协会，目目的是探探讨

24、有关关包装类类型、II/O数数、PWWB材料料、表面面光洁度度和制造造参数对对装配包包装品质质与可靠靠性的相相互作用用的许多多技术问问题。该课课题的目目标是展展示CSSP内连连接的控控制、品品质和可可靠性，支支持一个个产品保保证与检检查方法法开发的的，特别别是装配配级的，工工业基础础设施的的发展。目目标包括括：最佳包装类类型构造造的特征征化 包装类型、II/O与与环境依依靠的可可靠性特特征化 返工技术 试验设设计方法法(DOOE, dessignn off exxperrimeent)用来改改进效率率。切换换的变量量包括：包装的的I/OO与构造造、PWWB材料料、制造造工艺过过程和环环境条件件

25、。检查查技术用用来决定定环境暴暴露期间间损坏的的进展。失失效循环环数据使使用Weeibuull失失效分布布和预计计寿命的的Cofffinn-Maansoon关系系来分析析。CSP实施施的挑战战有有关CSSP技术术实施的的各个方方面所标标记的挑挑战可作作如下总总结：成熟性性和有效效性使用与与附着可可靠性评评估的CCSP的的有效性性是最具具挑战性性的问题题。对大大范围的的CSPP有许多多的论文文存在，但但是多数数包装是是在其发发展的早早期阶段段，缺少少包装可可靠性数数据。多多数包装装只有原原型的形形式，但但是不包包装统一一的包装装特征或或可有生生产版本本的形式式存在。包包装发货货比预计计时间拖拖延

26、是正正常的事事。缺少设设计指引引标准现在在，没有有CSPP各元素素的指引引和标准准。对于于我们的的设计，当当可得到到时，就就使用包包装供应应商开发发的指引引。否则则，只考考虑现有有的知识识和工程程判断。所所选择的的包装具具有不同同的间距距、锡球球量、锡锡球成分分和链式式布局。在在多数情情况中，这这些布局局是无规规律的，设设计需要要许多时时间和努努力，这这对具有有较高II/O和和许多链链式曲径径的包装装尤其麻麻烦。PWBB材料标准准的PWWB设计计可用于于低I/O的CCSP。试试验载体体包括了了几个这这类包装装，目的的是当使使用传统统的PWWB设计计时确认认装配的的可靠性性。较高高I/OO的有源

27、源芯片包包装要求求使用集集结式(微型通通路孔mmicrroviia)电电路板技技术。可可是，为为了测试试的目的的，在标标准板上上设计高高I/OO链式包包装的可可能的。试试验载体体的另一一个形式式包括具具有微型型通路孔孔技术的的PWBB。应用选择择了许多多I/OO从低到到高的包包装描述述特征。在在今后一一到三年年内，主主要的包包装将是是那些少少于500 I/O的，虽虽然特殊殊的应用用要求可可利用II/O高高得多的的包装。预预计另一一个设计计与装配配的挑战战是在一一块板上上混合有有传统表表面贴装装包装、直直接芯片片附着、BBGA和和CSPP。试验载体设设计该协会会同意集集中在CCSP技技术的以以下

28、几个个方面：包装选择择了从引引脚与无无引脚的的到微型型BGAA的许多多包装来来作评估估。I/O数的的范围从从12到到5400，以满满足短期期与长期期的应用用。PWBB材料与与制造有树树脂覆铜铜形式的的FR-4和BBT(bbismmaleeimiide traazinne)两两种材料料用来评评估。使使用了标标准板和和微型通通路孔板板两种技技术。在在链式设设计中，标标准PWWB技术术不能用用于大多多数的包包装。表面最最后涂层层至至少有三三种将考考虑用作作评估：有机焊焊锡保护护剂(OOSP, orrgannic sollderr prroteectaant)、热空空气焊锡锡均衡法法(HAASL, h

29、oot aair sollderr leevellingg)和金金/镍涂涂层。三三种锡膏膏将要评评估：免免洗(nno-ccleaan) 、水溶溶性(wwateer ssoluublee)和温温柔激化化的树脂脂(RMMA, rossin milldlyy acctivvateed)。底部充充胶(uundeerfiill)有有底部充充胶要求求的包装装将在有有和没有有充胶的的情况下下评估，以以更好地地理解不不使用充充胶的可可靠性结结果。试验载载体特征征试试验载体体是4.5xx4.55，并并且分成成四个独独立的区区。每个个区有四四个菊花花链，可可以在不不影响其其它区的的菊花链链的情况况下切割割作失效效分析。环境测测试为了将将我们的的数据与与那