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測試與測量  

覆晶晶片焊點的可靠性研究

上網時間: 2001年08月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:flip chip  solder joint  reliability  coarse  覆晶晶片 

人們一般都認為,晶片表面與固化底充膠界面分層是基板覆晶晶片(FCOB)封裝最常見的失效原因,失效主要是因為底充膠分層擴展導致焊接凸點連接斷開。但是一些相關數據顯示的情況卻並不是這樣。本文重點討論FCOB焊點在藉由溫度循環實驗後的性能退化問題,同時研究焊點裂紋的產生和生長以及焊點微觀組織粗化的影響等問題。

張群


中科院上海冶金研究所


Email: qun.zhang@daimlerchrysler.com

謝曉明博士


中科院上海冶金研究所


Email: xmxie@itsvr.sim.ac.cn

Tom Adams


顧問


Sonoscan Inc.


Email: info@sonoscan.com

在實際應用中,一些FCOB中沒有出現分層,但焊接凸點卻脫開或裂開;而在另一些FCOB中,底充膠分層出現在一個或多個焊接凸點周圍,但又沒有馬上就產生失效,甚至還觀察到焊點斷裂而沒有立刻造成電氣功能喪失的情況。

為了深入了解FCOB中焊點性能退化問題,中科院上海冶金研究所和德國法蘭克福的戴姆勒•克萊斯勒研究所共同開展了一個研究項目,重點研究覆晶晶片焊點在藉由溫度循環試驗後的性能下降問題。溫度循環可加大基板和矽晶片之間熱膨脹系數(CTE)嚴重失配造成的影響。溫度循環產生的應變在晶片邊角處最為嚴重。該項研究還希望能解決一些其它問題,如焊點裂縫是怎樣萌生的?這些裂縫如何蔓延?焊點微觀結構粗化的作用是什麼等等。

試驗採用Flip Chip Technology有限公司製造的晶片,晶片尺寸為6.3×5.6mm,周邊有96個SnPb共晶焊接凸點,凸點間距為203μm,交錯的焊盤連在一起形成一個菊花鏈結構。晶片焊接採用峰值溫度為230℃的紅外(IR)回流焊製程,基板為FR4印刷電路板,上面有帶Ni/Au鍍層的Cu焊盤。液體底充膠在基板加熱到60∼70℃下沿晶片一邊進行填充,然後在150℃下藉由20秒固化。另有部份試驗晶片沒有進行底部填充,用以確定焊點在沒有應力保護情況下的平均失效時間。

試驗晶片在-55℃和125℃溫度間進行溫度循環,高低溫的駐留時間為30分鐘,轉換時間在10秒之內。大約每200次循環後就對試驗晶片的電氣導通性和焊點電阻進行一次測試,並應用Sonoscan D-6000 C-SAM聲學顯微鏡對試驗晶片進行聲學成像,另外選擇部份晶片進行金相剖面分析並用金相顯微鏡觀察焊點。

沒有進行底充膠填充的晶片平均藉由約100次熱循環之後出現電性能失效,而做過底充膠填充的晶片一般在2,000多次溫度循環後才會失效,可見底充膠材料可使溫度循環應力得到緩解,使覆晶晶片封裝件的壽命提高20倍以上。

對進行過底充膠填充的覆晶晶片做聲學成像是為了對晶片表面和焊接凸點之間的焊點進行非破壞性定性評估。焊點中的裂紋與其它不連續型缺陷一樣,可以將所有的超聲波反射回換能器中,所以有裂縫的焊點發出的回聲其超聲強度要高於完整焊點的回波,在聲像圖中表現為具有較高的圖像襯度。由於裂縫橫穿焊點生長,焊點在聲像圖中也會越來越亮。運用聲學顯微成像能夠非破壞性地確定哪些焊點開始萌生裂紋,並以此作為選擇樣品進行破壞性分析的依據。

在試驗中選出符合下面三個條件之一的晶片進行金相剖面分析:

(1) 晶片具有電性功能,且C-SAM成像時沒有出現裂紋或底充膠分層。


(2) 晶片具有電性功能,但在聲像圖中顯示有底充膠分層。


(3) 晶片有開路或瞬態開路,並在聲像圖中出現底充膠分層。

結果發現,只有那些在聲像圖中襯度有增加的焊點在金相剖面分析中發現了裂紋,聲像圖襯度沒有變化的焊點未發現裂紋。

圖1所示為熱循環之前試驗晶片一角的聲像圖,所有焊接凸點的鍵合點都很暗,表示襯度低,鍵合良好。圖2是試驗晶片在772次熱循環之後的聲像圖,有幾個焊接凸點變亮了許多,這些凸點所顯示的明亮程度與每個凸點產生的裂紋面積相對應。

重要的是,這些裂紋是在沒有分層的情況下形成的,分層可以通過聲學顯微鏡觀察到,因為它和裂紋一樣呈現不連續性特徵,能反射幾乎所有的超聲波。為了對裂紋形成的情況有更多了解,我們再對一些用聲學方法觀察到裂紋的試驗晶片進行金相剖面分析,然後用金相顯微鏡拍照檢查。

圖3是一個裂紋剛剛開始形成的焊點剖面圖,可以看到焊料的微觀組織產生粗化,這種粗化在照片上部焊點和晶片表面交界處附近更加明顯。以前的有限元模擬研究表明,微觀組織粗化區域與焊料中產生的應變相對應,粗化和應變在凸點最接近晶片表面的區域最為常見。

由於微觀組織的粗化會隨著熱循環次數的增加而加深,結果將不僅僅使裂紋變得更大,裂紋還會更快地蔓延穿過焊接凸點。

綜觀整個研究,裂紋產生於底充膠與晶片表面分層之前。焊點主要的失效原因是微組織粗化造成開裂,而不是因分層引起的斷裂,但似乎有理由認為,完整焊點早期分層的確會引起焊點斷裂。分層可能由CTE失配應力引起(此應力在晶片的邊角處較大),或因晶片表面與底充膠之間黏接失效而引起。

從一些焊點已經完全開裂但卻沒有電性能失效可以看到,分層對電氣連通性的影響各不相同。在溫度循環期間不間斷地進行電阻測量,可以確定出焊點的電性狀態。看起來固化後的底充膠其收縮力足以在開裂之後保持一段時間的電氣連通,藉由多次溫度循環之後,或許由於分層的擴大,這個收縮力會消失,造成焊點最終失效。

本文結論

在這組FCOB中,晶片表面與底充膠之間的黏接力相當高,焊點失效的主要模式是由共晶焊料微觀組織粗化引起的開裂,而不是由於底充膠與晶片表面脫離而引起的分層。溫度循環期間,焊料組織粗化引起的失效大大早於分層引起的失效,焊料與底充膠之間的相互作用是相當複雜的。試驗中還對已經產生完全斷裂但沒有立刻喪失電氣功能的那些焊點進行了觀察,了解焊點失效的相關原因將有助於提高FCOB的整體可靠性。

[High-Density Interconnect]




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