一、介紹

    同其他封裝形式相比，倒裝焊技術(shù)在電子制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛，這是因?yàn)樗诔叽纭⑿阅?、機(jī)動(dòng)性、可靠性和成本等方面的優(yōu)勢(shì)，這是一種更加先進(jìn)的封裝技術(shù)。在倒裝焊技術(shù)中，帶焊點(diǎn)的芯片可以直接焊接到低值有機(jī)基板上，如FR-4印刷線路板，然后采用填充物進(jìn)行密封，與塑封器件類似，填充料密封可以顯著地減少芯片和基板熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配而產(chǎn)生剪切應(yīng)力，從而大大提高焊點(diǎn)的疲勞壽命。盡管如此，在密封填充物、芯片和基板間的界面仍然是主要影響可靠性的問題所在，如芯片裂紋、填充物裂紋和分層等等。裂紋在金屬間化合物(IMC)中很容易延伸并擴(kuò)張，金屬間化合物通常是在焊點(diǎn)與底層金屬化層(UBM)之間，所以，裂紋和分層影響到焊點(diǎn)疲勞壽命的提高。圖I所示是倒裝焊技術(shù)領(lǐng)域中幾種常見的潛在失效模式。

    二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    對(duì)倒裝焊技術(shù)而言，如何評(píng)價(jià)密封填充物與芯片或基板間的焊點(diǎn)可靠性、分層等，一直是無法回避的問題。傳統(tǒng)地，針對(duì)塑封器件采用熱循環(huán)試驗(yàn)作為單步試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)熱膨脹系數(shù)(CTE)失配產(chǎn)生的熱一機(jī)械應(yīng)力問題，通常該項(xiàng)試驗(yàn)要作1000 次循環(huán)以上，極為耗時(shí)。另外，為篩選和評(píng)估制造工藝與材料系列的相容性，經(jīng)常采用8S℃/85%RH 雙85試驗(yàn)，或類似的侵蝕退化試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。在塑封器件早期，1000 小時(shí)雙85試驗(yàn)并不難通過，大多數(shù)商業(yè)市場(chǎng)也可以接受1000 小時(shí)。但是，現(xiàn)在對(duì)塑封器件的常規(guī)要求是超過10000小時(shí)無失效，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)上市時(shí)間，需要設(shè)計(jì)更加嚴(yán)酷的環(huán)境試驗(yàn)，以縮短試驗(yàn)和評(píng)估時(shí)間，降低產(chǎn)品成本。其中，典型的試驗(yàn)是利用HAST試驗(yàn)箱做高加速應(yīng)力試驗(yàn)(HAST):試驗(yàn)溫度121C, 100%RH, 2個(gè)大氣壓，根據(jù)需要可加或不加偏壓，試驗(yàn)時(shí)間為2- 168小時(shí)，HAST可以看成是雙85試驗(yàn)的升級(jí)。HAST在壓力容器中，通過維持濕度和溫度控制，為加速試驗(yàn)引入了新的激活能。

    在本文中，HAST作為一個(gè)加速環(huán)境試驗(yàn)，用于快速評(píng)估倒裝焊接在FR-4 基板上面陣分布焊點(diǎn)的可靠性。該試驗(yàn)主要是通過加速侵蝕過程，從而大大縮短了可靠性評(píng)估時(shí)間。本次試驗(yàn)樣品在經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的HAST試驗(yàn)后(見表1), 進(jìn)行了相關(guān)的可靠性分析和失效分析。試驗(yàn)結(jié)果說明HAST能夠作為一個(gè)有效的可靠性試驗(yàn)評(píng)價(jià)工具用于倒裝焊技術(shù)領(lǐng)域。

    三、試驗(yàn)流程及結(jié)果

    設(shè)計(jì)成雛菊鏈狀試驗(yàn)電路的芯片(5。0x5。0mm)組裝到FR4基板上，該芯片采用電鍍基焊點(diǎn){。藝沉積共晶焊點(diǎn)(63Sn/37Pb),在芯片表面濺射阻擋層Ti-W(1000A)和Cu(4000A), 焊點(diǎn)的平均高度為100μm， 焊點(diǎn)間距為450um，焊點(diǎn)面陣分布數(shù)量為I0x10(如圖 2所示)。密封填充物繞芯片邊沿90℃ 注入，然后固化。

    所有試驗(yàn)樣品都要進(jìn)行電性能測(cè)試和掃描聲學(xué)顯微鏡(SAM)檢查，以進(jìn)行HAST試驗(yàn)前后的比較。試驗(yàn)樣品的制造過程和檢測(cè)流程見表2所示。

    沒有預(yù)處理的樣品在分別完成24小時(shí)、48小時(shí)的HAST試驗(yàn)后，很快就出現(xiàn)了明顯得空洞，如圖3所示。這些空洞反映了密封填充物的分層，當(dāng)空洞的尺寸變得越來越大，就會(huì)嚴(yán)重影響焊點(diǎn)的可靠性，如焊點(diǎn)發(fā)生退化，其導(dǎo)通電阻增加。如圖4所示，在分別經(jīng)過24小時(shí)、48小時(shí)的HAST試驗(yàn)后，焊點(diǎn)導(dǎo)通電阻的變化率都有增加。

    四、結(jié)論

    對(duì)倒裝焊技術(shù)而言，密封填充物和芯片或基板間的分層和焊點(diǎn)可靠性一直是一個(gè)特別重要的課題。對(duì)塑封型器件的可靠性評(píng)價(jià)，多年來-直將雙85試驗(yàn)作為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)試驗(yàn)工具。本文提出采用加速環(huán)境試驗(yàn)如HAST,對(duì)倒裝焊接在FR4基板上面陣分布的焊點(diǎn)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果表明可以代替雙85試驗(yàn)，將是用于倒裝焊技術(shù)領(lǐng)域的-一個(gè)有效的可靠性試驗(yàn)工具。

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