倒装焊结构的大规模集成电路焊点失效机理研究

在倒装焊结构的球栅阵列（BGA）封装大规模集成电路（LSIC）的服役过程中,由于BGA焊球、基板材料和PCB材料的热膨胀系数不同,焊点失效成为倒装焊结构LSIC的主要失效模式。焊点失效与焊料性质、焊接时间和温度、制造中的缺陷等密切相关。结合焊点失效的常见形貌及实例,研究倒装焊结构的LSIC的焊点失效模式及失效机理。针对可能引发失效的因素,提出从工艺到应用的一系列预防措施,对提升该类型电路的可靠性具有指导意义。     

倒装焊焊点形态及其可靠性研究

本文采用Surface Evolver软件对倒装焊复合焊点的几何形态进行了模拟。通过非线性有限元方法研究有铅和无铅两种焊点在热循环作用下的应力应变关系，基于疲劳寿命C—M预测公式对焊点的热疲劳寿命进行预测与比较。     

模板参数对倒装焊焊点形态的影响

模板开口的尺寸和厚度决定应用于PCB板上焊膏的量，从而决定了回流焊后生成的焊点形态。本文根据IPC-7525模板设计理论，拟定多组开口方案，设计了16组模板结构参数，并通过软件Surface Evolver输入数据文件，得到16组倒装焊焊点形态，用有限元软件进行焊点寿命分析，得到了模板结构参数与热疲劳寿命的关系，探讨不同的开口尺寸和厚度对焊点形态的影响。     

模板对倒装焊焊点形态的影响及其可靠性研究

本文通过用于焊点形态预测软件SURFACE EVOLVER的输入数据文件,得到倒装焊焊点形态.参考模板开口指导说明(IPC-7525),拟定模板开口方案,得到相应的焊点形态.通过建立有限元模型,运用ANSYS软件对含铅焊点在热循环加载条件下的应力应变和疲劳寿命进行分析.根据预测得到的热疲劳寿命,找出了适合本文模型的模板结构参数,同时分析了其它设计与工艺参数和焊点可靠性之间的关系.     

倒装焊中复合SnPb焊点形态模拟

本文给出了倒装焊(flip-chip)焊点形态的能量控制方程,采用Surface Evolver软件模拟了倒装焊复合SnPb焊点(高Pb焊料凸点,共晶SnPb焊料焊点)的三维形态.利用焊点形态模拟的数据,分析了芯片和基板之间SnPb焊点的高度与焊点设计和焊接工艺参数的关系.研究表明:共晶SnPb焊料量存在临界值,当共晶SnPb焊料量小于临界值时,焊点的高度等于芯片上高Pb焊料凸点的半径值;当共晶SnPb焊料量大于临界值时,焊点的高度随共晶SnPb焊料量的增加而增加.另外,采用无量纲的形式给出了焊点高度与共晶焊料量、焊盘尺寸、芯片凸点的尺寸,芯片重量之间的关系模型,研究结果对倒装焊焊点形态的控制、工艺参数的优化和提高焊点可靠性具有指导意义.     

陶瓷封装倒装焊器件Sn-Pb微焊点的电迁移行为

高密度陶瓷封装倒装焊器件的焊点尺寸已降低至100μm以下,焊点电流密度达到10~4 A/cm~2以上,由此引发的电迁移失效成为不可忽视的问题。以陶瓷封装菊花链倒装焊器件为研究对象,开展了Sn10Pb90、Sn63Pb37焊点热电环境可靠性评估试验,通过电连接检测及扫描电子显微镜(SEM)等方法对焊点互连情况进行分析。结果表明,Sn63Pb37焊点阴极侧金属间化合物(IMC)增长明显,表现出明显的极化现象,IMC厚度的平方与通电时间呈线性关系。通电时间达到576 h后Sn63Pb37焊点阴极侧产生微裂纹,而Sn10Pb90焊点在通电576 h后仍未出现异常,表现出优异的电迁移可靠性。研究结果对于直径100μm微焊点的陶瓷封装倒装焊器件的应用具有重要的意义。     

倒装焊芯片的焊球制作技术

介绍了芯片倒装焊的重要意义、发展趋势、基本的焊球类型、制作方法及焊球质量的检测技术。     

用于倒装芯片的晶片凸点制作工艺研究

倒装芯片在电子封装互连中占有越来越多的份额,是一种必然的发展趋势,所以对倒装芯片技术的研究变得非常重要。倒装芯片凸点的形成是其工艺过程的关键。现有的凸点制作方法主要有蒸镀焊料凸点、电镀凸点、微球装配方法、焊料转送、在没有UBM的铅焊盘上做金球凸点、使用金做晶片上的凸点、使用镍一金做晶片的凸点等。每种方法都各有其优缺点,适用于不同的工艺要求。介绍了芯片倒装焊基本的焊球类型、制作方法及各自的特点,总结了凸点制作应注意的问题。     

倒装焊封装中无铅焊点在封装工艺中的热机械力学分析

采用粘塑性Garofalo—Arrhenius模型描述无铅焊料的蠕变行为，确定了96．5Sn3.5Ag焊点材料的模型参数。采用与固化过程相关的粘弹性力学模型描述倒装焊底充胶的力学行为。利用有限元法模拟了无铅板上倒装焊在封装工艺及热循环条件下的应力应变行为。结果表明由于无铅技术在封装中的引入，封装工艺对倒装焊器件的影响更为重要。     

倒装焊SnPb焊点热循环失效和底充胶的影响

采用实验方法 ,确定了倒装焊 Sn Pb焊点的热循环寿命 .采用粘塑性和粘弹性材料模式描述了 Sn Pb焊料和底充胶的力学行为 ,用有限元方法模拟了 Sn Pb焊点在热循环条件下的应力应变过程 .基于计算的塑性应变范围和实验的热循环寿命 ,确定了倒装焊 Sn Pb焊点热循环失效 Coffin- Manson经验方程的材料参数 .研究表明 ,有底充胶倒装焊 Sn Pb焊点的塑性应变范围比无底充胶时明显减小 ,热循环寿命可提高约 2 0倍 ,充胶后的焊点高度对可靠性的影响变得不明显     

气密性陶瓷封装PIND失效分析及解决方案

气密性陶瓷封装腔体内的自由粒子会严重影响到器件的可靠性。减少封装腔体内自由粒子数量,提高PIND合格率是气密性封装的主要技术之一。文章就陶瓷外壳封装集成电路PIND失效进行了分析,指出其主要原因,如外壳内部有瓷颗粒、芯片边缘未脱落的硅碴(屑)、芯片边沿的粘接材料卷起、脱落的粘接材料碎片、键合丝(或尾丝)、悬伸的合金焊料、封帽飞溅的合金焊料、平行缝焊打火飞溅的焊屑等,并提出了在封装工艺过程中如何对可能产生自由粒子的因素采取有效预防措施。最终使电路的粒子碰撞噪声检测合格品率达到98%以上,达到实际应用要求。     

Stability of Flip-Chip Interconnects Assembled with Al/Ni(V)/Cu-UBM and Eutectic Pb-Sn Solder During Exposure to High-Temperature Storage

The thermal stability of flip-chip solder joints made with trilayer Al/Ni(V)/Cu underbump metalization (UBM) and eutectic Pb-Sn solder connected to substrates with either electroless Ni(P)-immersion gold (ENIG) or Pb-Sn solder on Cu pad (Cu-SOP) surface finish was determined. The ENIG devices degraded more than 50 times faster than the Cu-SOP devices. Microstructural characterization of these joints using scanning and transmission electron microscopy and ion beam microscopy showed that electrical degradation of the ENIG devices was a direct result of the conversion of the as-deposited Ni(V) barrier UBM layer into a porous fine-grained V₃Sn-intermetallic compound (IMC). This conversion was driven by the Au layer in the ENIG surface finish. No such conversion was observed for the devices assembled on Cu-SOP surface finish substrates. A resistance degradation model is proposed. The model captures changes from a combination of phenomena including increased (1) intrinsic resistivity, (2) porosity, and (3) electron scattering at grain boundaries and surfaces. Finally, the results from this study were compared with results found in a number of published electromigration studies. This comparison indicates that degradation during current stressing in the Pb-Sn bump/ENIG system is in part due to current-crowding-induced Joule heating and the thermal gradients that result from localized Joule heating.     

高密度陶瓷倒装焊封装可靠性试验开路后的失效定位

陶瓷材料具有优良的综合特性,被广泛应用于高可靠微电子封装.陶瓷倒装焊封装的特殊结构使得对其进行失效分析相较其他传统封装形式更为困难.针对一款在可靠性试验中发生开路的高密度陶瓷倒装焊封装器件,制定了一套从非破坏性到破坏性的试验方案对其进行分析.通过时域反射计(TDR)测试排除了基板内部失效的可能性,通过X射线(X-ray)检测、超声扫描显微镜(SAM)和光学显微分析初步断定失效位置,并最终通过扫描电子显微镜和X射线能谱仪实现了对该器件的准确的失效定位,确定失效位置为基板端镀Ni层.该失效分析方法对其他陶瓷倒装焊封装的失效检测及分析有一定的借鉴意义.     

片式多层陶瓷电容失效模式研究

介绍了片式陶瓷电容的基本结构和材料特性及其常见的短路、开路和参数漂移失效模式;分析了失效的主要原因.结合工程实践,从器件选型、用前筛选、版图及结构设计和装配工艺选择等方面,给出了提高多层陶瓷电容使用可靠性的建议.     

倒装芯片封装中非牛顿流体下填充的数值仿真

倒装芯片封装中的下填充工艺可以有效地提高封装连接的可靠性,因而得到了广泛应用。含有硅填料的环氧树脂是常用的下填充胶料,在下填充流动过程中表现出明显的非牛顿流体特性。利用Fluent软件对具有非牛顿流体特性胶料的下填充过程进行了三维数值模拟。采用流体体积比函数(VOF)对流动前沿界面进行追踪,再用连续表面张力(CSF)模型来计算下填充流动的毛细驱动力,并用幂函数本构方程来体现下填充胶料的非牛顿流体特性。通过数值模拟,获得了下填充流动前沿位置随时间变化的数据,这些数据与实验结果有较好的吻合度。该数值方法可较好地预测具有非牛顿流体性质胶料的下填充过程。     

功率FET封装中瓷裂问题的探讨

通过对陶瓷-金属封接结构的合理调整,解决了功率FET封装中瓷裂的问题,使封接强度和可靠性有明显提高,并成功地应用于实际。     

瞬变电压抑制器失效模式和失效机理研究

由于目前对TVS自身可靠性的研究较少,提出了对TVS产品的可靠性研究.这项研究得到国内TVS生产厂家的支持,对该厂6个型号TVS筛选进行了跟踪.根据筛选失效数据,对温度循环、箝位冲击、高温反偏和功率老炼等TVS失效比例较大的筛选项目的失效品,经过电参数测试、解剖、显微观察,确定失效模式、分析失效机理.结果表明,TVS主要失效模式有短路、开路、反向漏电流大和异常击穿,且高击穿电压TVS更易发生失效.     

基于表面能理论的倒装芯片封装下填充流动研究

为了预测倒装芯片封装中的下填充过程,通常要首先通过繁复的方法来求解平均毛细压.为了避免此问题,从能量的角度分析了倒装芯片封装工艺中的下填充流动过程.认为下填充是较低表面能的界面代替较高表面能的界面的过程,所释放的表面能用于形成流体流动的动能和克服阻力的能量损耗,期间能量守恒.在此分析的基础上建立了下填充流动的新模型.建立了可视化的下填充流动实验装置,并用下填充实验验证了所建立新模型的准确性.该模型避免了计算平均毛细压的复杂过程,并可方便地扩展到焊球排布形式不同的倒装芯片.     

TO型陶瓷外壳封接失效模式有限元分析

针对TO型针封结构陶瓷外壳在封接过程中的开裂、变形等失效现象,采用ABAQUS有限元模拟软件,系统分析了包铜复合引线、氧化铝陶瓷环、柯伐过渡片及钢框架的应力分布规律。结果表明残余应力在陶瓷环上存在集中情况,且陶瓷内环受拉应力,极易导致瓷件微裂纹和开裂。进而解释了针封结构外壳在钎焊封接时易出现严重的因瓷件微裂纹或开裂引起的可靠性失效现象,并对类似针封结构外壳封接的可靠性评估和优化设计有一定的指导意义。     

封装装配技术所用材料的无铅化

本文简要叙述了无铅化立法确定的最后期限、凸点成形工艺、晶圆片凸点成形电镀技术、凸点下金属化及可靠性问题和无铅化材料的发展方向。从而说明，通过漏印板印刷和电镀的晶圆片凸点形成技术事例，证明可靠的无铅化技术是适合的。