倒装芯片焊点的可靠性研究

摘要：人们一般都认为，芯片表面与固化底充胶界面分层是基板倒装芯片(FCOB)封装最常见的失效原因，失效主要是因为底充胶分层扩展导致焊接凸点连接断开。但是一些相关数据显示的情况却并不是这样。本文重点讨论FCOB焊点在经过温度循环实验后的性能退化问题，同时研究焊点裂纹的产生和生长以及焊点微观组织粗化的影响等问题。

在实际应用中，一些FCOB中没有出现分层，但焊接凸点却脱开或裂开；而在另一些FCOB中，底充胶分层出现在一个或多个焊接凸点周围，但又没有马上就发生失效，甚至还观察到焊点断裂而没有立刻造成电气功能丧失的情况。

为了深入了解FCOB中焊点性能退化问题，中科院上海冶金研究所和德国法兰克福的戴姆勒?克莱斯勒研究所共同开展了一个研究项目，重点研究倒装芯片焊点在经过温度循环试验后的性能下降问题。温度循环可加大基板和硅片之间热膨胀系数(CTE)严重失配造成的影响。温度循环产生的应变在裸片边角处最为严重。该项研究还希望能解决一些其它问题，如焊点裂缝是怎样萌生的？这些裂缝如何蔓延？焊点微观结构粗化的作用是什么等等。

试验采用Flip Chip Technology有限公司制造的芯片，芯片尺寸为6.3×5.6mm，周边有96个SnPb共晶焊接凸点，凸点间距为203μm，交错的焊盘连在一起形成一个菊花链结构。芯片焊接采用峰值温度为230℃的红外(IR)回流焊工艺，基板为FR4印制电路板，上面有带Ni/Au镀层的Cu焊盘。液体底充胶在基板加热到60～70℃下沿芯片一边进行填充，然后在150℃下经过20秒固化。另有部分试验芯片没有进行底部填充，用以确定焊点在没有应力保护情况下的平均失效时间。

试验芯片在-55℃和125℃温度间进行温度循环，高低温的驻留时间为30分钟，转换时间在10秒之内。大约每200次循环后就对试验芯片的电气导通性和焊点电阻进行一次测试，并应用Sonoscan D-6000 C-SAM声学显微镜对试验芯片进行声学成像，另外选择部分芯片进行金相剖面分析并用金相显微镜观察焊点。

没有进行底充胶填充的芯片平均经过约100次热循环之后出现电性能失效，而做过底充胶填充的芯片一般在2,000多次温度循环后才会失效，可见底充胶材料可使温度循环应力得到缓解，使倒装芯片封装件的寿命提高20倍以上。

对进行过底充胶填充的倒装芯片做声学成像是为了对裸片表面和焊接凸点之间的焊点进行非破坏性定性评估。焊点中的裂纹与其它不连续型缺陷一样，可以将所有的超声波反射回换能器中，所以有裂缝的焊点发出的回声其超声强度要高于完整焊点的回波，在声像图中表现为具有较高的图像衬度。由于裂缝横穿焊点生长，焊点在声像图中也会越来越亮。运用声学显微成像能够非破坏性地确定哪些焊点开始萌生裂纹，并以此作为选择样品进行破坏性分析的依据。

在试验中选出符合下面三个条件之一的芯片进行金相剖面分析：

(1) 芯片具有电性功能，且C-SAM成像时没有出现裂纹或底充胶分层。

(2) 芯片具有电性功能，但在声像图中显示有底充胶分层。

(3) 芯片有开路或瞬态开路，并在声像图中出现底充胶分层。

结果发现，只有那些在声像图中衬度有增加的焊点在金相剖面分析中发现了裂纹，声像图衬度没有变化的焊点未发现裂纹。

图1所示为热循环之前试验芯片一角的声像图，所有焊接凸点的键合点都很暗，表示衬度低，键合良好。图2是试验芯片在772次热循环之后的声像图，有几个焊接凸点变亮了许多，这些凸点所显示的明亮程度与每个凸点产生的裂纹面积相对应。

重要的是，这些裂纹是在没有分层的情况下形成的，分层可以通过声学显微镜观察到，因为它和裂纹一样呈现不连续性特征，能反射几乎所有的超声波。为了对裂纹形成的情况有更多了解，我们再对一些用声学方法观察到裂纹的试验芯片进行金相剖面分析，然后用金相显微镜拍照检查。

图3是一个裂纹刚刚开始形成的焊点剖面图，可以看到焊料的微观组织发生粗化，这种粗化在照片上部焊点和裸片表面交界处附近更加明显。以前的有限元模拟研究表明，微观组织粗化区域与焊料中产生的应变相对应，粗化和应变在凸点最接近芯片表面的区域最为常见。

由于微观组织的粗化会随着热循环次数的增加而加深，结果将不仅仅使裂纹变得更大，裂纹还会更快地蔓延穿过焊接凸点。图4是一个穿过了整个焊接凸点的裂纹。

综观整个研究，裂纹产生于底充胶与芯片表面分层之前。焊点主要的失效原因是微组织粗化造成开裂，而不是因分层引起的断裂，但似乎有理由认为，完整焊点早期分层的确会引起焊点断裂。分层可能由CTE失配应力引起(此应力在裸片的边角处较大)，或因裸片表面与底充胶之间粘接失效而引起。

从一些焊点已经完全开裂但却没有电性能失效可以看到，分层对电气连通性的影响各不相同。在温度循环期间不间断地进行电阻测量，可以确定出焊点的电性状态。看起来固化后的底充胶其收缩力足以在开裂之后保持一段时间的电气连通，经过多次温度循环之后，或许由于分层的扩大，这个收缩力会消失，造成焊点最终失效。

本文结论

在这组FCOB中，芯片表面与底充胶之间的粘接力相当高，焊点失效的主要模式是由共晶焊料微观组织粗化引起的开裂，而不是由于底充胶与芯片表面脱离而引起的分层。温度循环期间，焊料组织粗化引起的失效大大早于分层引起的失效，焊料与底充胶之间的相互作用是相当复杂的。试验中还对已经发生完全断裂但没有立刻丧失电气功能的那些焊点进行了观察，了解焊点失效的相关原因将有助于提高FCOB的整体可靠性。

[High-Density Interconnect]

作者：张群

上海新代车辆技术有限公司

Email: qun.zhang@daimlerchrysler.com

谢晓明博士

上海新代车辆技术有限公司

Email: xmxie@itsvr.sim.ac.cn

Tom Adams

顾问

Sonoscan Inc.

Email: info@sonoscan.com