电子封装的跌落可靠性

电子封装的跌落可靠性drop-test可靠性试验加载方式循环载荷❏热机械❏循环弯曲、震动动态机械载荷❏跌落、弯曲、剪切、拉伸、冲击电化学❏温度、湿度、电压手持电子产品的可靠性要求动态机械可靠性❏动态机械载荷便携

跌落危险新功能（游戏、短信）

键盘、按键的疲劳和弯曲重量减轻

紧凑包封

机械保护叠层封装

封装体质量

，总体尺寸小型化

互连尺度

危险性（失效几率）❏动态机械载荷下的可靠性非常重要跌落、拉伸、剪切、弯曲、冲击和振动焊点：❏

脆性断裂－－对应力集中更为敏感❏

影响因素：金属间化合物（IMC）、润湿性、…PCB:绝缘层/铜线裂开封装:焊球、焊点大小研究意义工作环境越来越恶劣承受载荷越来越苛刻，几百个重力加速度的冲击载荷很常见。智能手机，数码相机，平板电脑轻、巧、薄、便携性。使用环境比一般固定产品更复杂恶劣跌落、撞击意外事件。--要求良好的抗冲击性跌落试验分类产品级跌落：

复杂不可控，不可重复性，因为跌落与很多因素相关，如产品设计，跌落方位，产品尺寸材料等。板级跌落：可控性好，实验简单可靠性测试标准美国电子工业协会(Electronic

Industries

Alliance)EIA的JESD标准：测试用电路板的尺寸、元器件的布局、加载速度、跌落条件及测试步骤做出了详细的规定JESD22-B110AJESD22-B111分别指导电子部件冲击测试与手持类电子产品板级跌落测试板级跌落试验设备(Drop

Tester)板级跌落试验条件8级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；JESD22-B110跌落产生冲击载荷：以惯性力形式直接作用于焊点另一方面能量转化为印刷电路板动能，使印刷电路板往复弯曲振动， 而印刷电路板刚度与元器件刚度不同，弯曲振动过程焊料微互连承受 一定应力应变作用。互连失效机理：沿着焊料焊盘界面层的脆性断裂，这过程与焊料硬化有关。

跌落过程焊料应变率高，会使焊料发生硬化，以至于裂纹发生在脆性的金属间化合物界面层芯片级封装的表面处理剂与焊球对基于JEDEC标准的跌落可靠性的影响回流焊过程：生成IMC薄层厚，脆；薄了，结合不好在使用及跌落试验中，薄层会逐渐变厚---------取决于：表面处理剂，基板，焊料表面处理剂：electroplated

Nickel/Gold

(Ni/Au)电镀镍/金

Electroless

nickel

electroless

palladium

immersion

gold(ENEPIG)化学镀Ni+浸Au化学镀Pd（钯）实验用：焊料：三种SAC--The

tin–silver–copper锡银铜合金

SAC125Sb,SAC125NiSb,SAC105Pt封装：thin-profile

fine-pitch

ball

grid

array(TFBGA)细间距球栅阵列JESD22-B104-BFig.3.Schematic

of

a

drop

tower

Fig.4.Acceleration

versus

time.施加到线板的激励脉冲是加速度峰值1500g，延续时间0.5ms的半正弦脉冲。莲须300次坠落试验或者到所有封装皆失效为止第一个失效与63.5%的失效率时跌落次数ENEPIG的失效时坠落数更大第一个失效时差别不大，63.2%时差别大En+SAC125NiSb最佳，Ni/Au+SAC105Pt最差脆性界面上测试板端：A2,A3

说明板面比封装面的连接差失效焊点数目与IMC面厚度呈反向关系，En显著低于Ni/Au，En+SAC125NiSb最佳，厚度适中：太厚易脆化，太薄界面连接弱3D有限元建模分析3D

C2W跌落可靠性—--确定最优内部结构与材料

3D

wafer

level

packaging(3D-WLSiP)WL：晶圆级封装多个晶圆垂直堆叠粘合SiP系统级封装System

In

a

Package分为：C2C，W2W，C2W。利用硅通孔技术：TSV（Through

Silicon

Vias）ABAQUS软件--有限元模拟比较了两种设计下的行为：F2F（face

to

face），B2F（back

to

face） 在不同TSV通孔位置与成型树脂的机械性能。可靠性评判标准：关键的焊凸点上的最大剪切塑性应变。注意：Die1与die2SAC105:49个（7×7）49个SAC105焊点，焊点间距：400um，焊点大小：250um，长100um，厚4um的多晶硅

通道作为垂直连接，F2F中铜骨架连接片1与片2。有限元建模几何对称，仅考虑1/4.局部图进行网格化处理。用作可靠性分析的焊点凸处应变对金属间化合物，焊料Al及填充树脂的网格密度非常敏感。Fig.

5.

SAC105

elasto-plastic

behavior跌落冲击加载：加速脉冲AA

0=1500G，tw=1msFig.

4.

Drop

impact

shock

input

acceleration.全局建模结果作为局部分析的边界条件几种假设：仅分析了PCB板中心处C2W部件

再分配层也考虑了，假设它会对板级的机械可靠性有一点影响不考虑焊点回流残余应力

加载时间分两步：一是drop过程，二是精确的瞬态动态分析

20ms的阻尼过程，准静态分析，以消除

PCB板上的崩散效应接触的地方都有着关联约束

材料性质为弹性，SAC105焊料合金的三线性弹塑性行为以内插值法在图中显示，铜为双线性，多晶硅认为是弹性正交的。弹性模量给定值实验与数值模拟法求解PCB板中心处最大位移与纵向应变Fig.

6.

Top

view

of

the

test

boardPCB最大弯曲处在C6与C7之间，染色

渗透测试显示，焊点失效关键位置在C7中心处Fig.

7.

Critical

zones

localization;

(a)failure

location

by

dye

penetrationtest,

and

(b)

critical

area

localization(numerical

modeling).Fig.8.PCB

bending

during

droptest.硅片Die刚性纳米压痕，通过微为悬臂梁弯曲观测-----弹性模量测试对于USG，Si，Cu：应变对弹性模量变化不敏感对IMC，Al：有极小幅变化，忽略不计，即百分之二十误差不影响焊点应变对SAC合金：从1.43%-1.48%变化因此需要高精度的弹性模量测量系统下面为对比实验，杨氏模量误差不影响结果对比两种硅通孔对比图bumps

under

TSVno

bump

under

TSVCritical

bump

maximum

plastic

strain(a)

F2F,

bumps

under

TSVs,

(b)

F2F

,

no

bumps

under

TSVs,(c)

B2F,

bumps

under

TSVs,

(d)

B2F,

no

bumps

under

TSVscritical

region：接近金属间化合物层--坚硬脆性。裂纹产生于此并传播到焊球内引起微互连失效。剪切弹性应变对比：TSV下非焊球时应变小于是焊球即No

bump更优异对F2F：有没有差别很小对B2F：差别很大，即TSV下有无焊球对B2B结构的焊球弹性应力影响比较大。最好的情况：B2F结构，TSV下非焊球，有着最好的抗跌落性。Fig.

12.

The

effect

of

internal

architectureon

the

critical

bump’s

maximum

plasticstrain.(a)

the

3D

compo