任春嶺，高娜燕，丁榮崢

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)引線鍵合技術(shù)已經(jīng)無法滿足電路多功能、小型化、輕量化、高性能、低功耗和低成本等要求，倒裝焊技術(shù)滿足了這些要求，并越來越廣泛地應(yīng)用在IC封裝中。近年來，關(guān)于倒裝焊失效的研究文獻(xiàn)報道較多，特別是有機(jī)基板倒裝焊互連失效的較多。陶瓷基板倒裝焊失效研究鮮有報道，展開陶瓷倒裝焊的失效機(jī)理研究對工程應(yīng)用具有很重要的指導(dǎo)意義。

倒裝焊失效機(jī)理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過程。該過程是應(yīng)力、粘接材料分解等共同作用在部件上引起損傷，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。本質(zhì)上，它是上面介紹的模型中的一個或多個導(dǎo)致的。為了開發(fā)陶瓷倒裝焊封裝產(chǎn)品，必須研究封裝產(chǎn)品潛在的失效機(jī)理。如果能用模型來量化描述相關(guān)失效模式，就可以促進(jìn)產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)、材料、工藝以及可靠性設(shè)計(jì)等的優(yōu)化，從而使倒裝焊產(chǎn)品能滿足產(chǎn)品特定的可靠性要求。因此，研究倒裝焊互連系統(tǒng)在生命周期過程中所受應(yīng)力所激發(fā)的各種失效機(jī)理是很有必要的。本文介紹了各種倒裝焊封裝失效模式，并對陶瓷倒裝焊封裝的失效機(jī)理進(jìn)行了研究分析。

2 倒裝焊封裝失效

倒裝焊封裝可靠性是近年來封裝研究的重點(diǎn)之一，分析其失效原因?qū)τ诮鉀Q可靠性具有很重要的意義。常見的失效模式主要有以下幾種：焊點(diǎn)熱疲勞失效、機(jī)械應(yīng)力致互連撕裂失效、填充膠分層開裂失效、化學(xué)腐蝕失效、電遷移失效等。倒裝焊的失效模式多種多樣，失效形式是一種或幾種共同作用，主要的還是幾種因素共同作用的結(jié)果。電路失效的過程一般是幾種失效模式存在并相互影響。當(dāng)然失效還跟基板材料、基板及芯片尺寸，凸點(diǎn)材料及結(jié)構(gòu)和尺寸、基板焊盤材料及其與基板黏附、底部填充料等有關(guān)。

2.1 焊點(diǎn)疲勞損傷

倒裝焊封裝是將芯片凸點(diǎn)直接與基板焊盤焊接，會受到熱應(yīng)力的影響而導(dǎo)致熱疲勞，甚至產(chǎn)生失效。對于有機(jī)基板，由于硅的膨脹系數(shù)比PCB基板熱膨脹系數(shù)小很多，在每個熱循環(huán)階段，PCB基板將以比硅更高的速率擴(kuò)展并收縮。在熱循環(huán)期間發(fā)生變形時，焊接材料諸如倒裝焊的焊料凸點(diǎn)將經(jīng)歷加工硬化和加工蛻化過程。通過集中應(yīng)力，極低的凸點(diǎn)高度（25μm ～100μm）加重了這一問題，造成早期失效[1]，參見圖1。在倒裝焊芯片和有機(jī)基板之間加入填充物，使互連耐溫度變化的可靠性提高了一個數(shù)量級或更多。主要是經(jīng)過硬化的下填充物把硅芯片和基板固定在一起，填充料在硅芯片表面和基板表面形成一個約束力，限制了互連凸點(diǎn)熱脹冷縮時的相對移動和承受的應(yīng)變應(yīng)力強(qiáng)度，熱脹冷縮時的示意圖如圖2所示。而陶瓷基板與芯片的熱膨脹系數(shù)相差不大，其主要應(yīng)力是凸點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)不同造成的熱應(yīng)力，在芯片和基板之間添加填充料會大大提高倒裝焊封裝電路的使用壽命。

芯片倒裝焊連接可靠性面臨的一個嚴(yán)重問題是芯片和基板之間的熱膨脹系數(shù)不一致，在溫度循環(huán)加載下，焊點(diǎn)承受周期性的剪切應(yīng)力應(yīng)變，引起焊點(diǎn)很大的塑性變形，最終萌生裂紋并導(dǎo)致焊點(diǎn)的疲勞失效。關(guān)于溫度循環(huán)加載下倒裝芯片連接器件焊點(diǎn)的失效機(jī)理，目前文獻(xiàn)討論中還沒有統(tǒng)一的說法，但主要集中到兩種觀點(diǎn)：一是認(rèn)為對于大多數(shù)倒裝芯片連接器件，芯片與芯片底部填料界面分層往往先于焊點(diǎn)疲勞而斷裂，而芯片和底部填料界面的分層是導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的主要原因。然而，又有文獻(xiàn)指出在底部填料的粘合性很強(qiáng)時，在焊點(diǎn)失效前沒有發(fā)現(xiàn)膠的分層現(xiàn)象。焊點(diǎn)失效是由于溫度循環(huán)加載產(chǎn)生的焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)以及焊點(diǎn)蠕變疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。未填充電路在溫度循環(huán)中凸點(diǎn)疲勞裂紋失效如圖3所示，填充后電路在熱循環(huán)中的疲勞裂紋失效如圖4所示。

2.2 底部填充膠分層開裂失效

底部填充膠分層開裂失效主要發(fā)生在塑性基板上，而陶瓷基板很少出現(xiàn)此類情況，主要原因是塑性基板與芯片的膨脹系數(shù)相差比較大，而低溫陶瓷基板與芯片的膨脹系數(shù)相近，在經(jīng)受冷熱變化時，芯片和塑性基板更容易產(chǎn)生熱膨脹失配，導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生很大的周期性塑性應(yīng)力應(yīng)變，裂縫萌生并擴(kuò)展，使焊點(diǎn)發(fā)生疲勞失效。為了減小這種失效，在縫隙之間加入填充膠，可以提高焊點(diǎn)壽命10～100倍，尤其對凸點(diǎn)高度大、芯片及封裝尺寸大的電路尤為明顯[3]。

2.3 電遷移失效

電遷移主要是指互連金屬或焊點(diǎn)在電流（應(yīng)力）作用下，原子或離子隨電子遷移而導(dǎo)致的成分偏析。電遷移是金屬原子在高電流密度作用下產(chǎn)生的一種物質(zhì)沿電子流方向擴(kuò)散的現(xiàn)象。當(dāng)凸點(diǎn)及其界面處的局部電流密度超過電遷移門檻值時，高速運(yùn)動的電子流形成的電子風(fēng)與金屬原子發(fā)生劇烈碰撞，進(jìn)行部分的沖量交換，迫使原子沿著電子流方向運(yùn)動，從而發(fā)生凸點(diǎn)互連的電遷移。凸點(diǎn)互連電遷移的發(fā)生使得印記因原子的遷出而產(chǎn)生微空洞，互連面積減小，電流密度提高，可能導(dǎo)致斷路；陽極則因原子的遷入而形成凸起的“小丘”，導(dǎo)致短路[3]。影響凸點(diǎn)互連電遷移的因素較多，外部因素主要有溫度、電流密度、尺寸等，而材料因素則有擴(kuò)散阻擋層的成分與厚度以及金屬間化合物（IMC）等[4]。如當(dāng)凸點(diǎn)的直徑減小到Φ50 μm時，凸點(diǎn)中的電流密度就會達(dá)到甚至超過104A·cm-2，容易發(fā)生電遷移現(xiàn)象。

倒裝芯片互連焊點(diǎn)的電遷移與引線鍵合互連的電遷移有諸多不同，主要有：

（1）倒裝芯片焊點(diǎn)中的擴(kuò)散主要是晶格擴(kuò)散，而互連引線中的擴(kuò)散主要是晶格擴(kuò)散（如鋁導(dǎo)線）或表面擴(kuò)散（如銅導(dǎo)線）；

（2）雖然倒裝芯片焊點(diǎn)的電流密度（通常小于104A·cm-2）比互連引線中的電流密度低，但由于其熔點(diǎn)相對金屬引線而言低許多，即使在一般工作溫度下，焊料中的原子擴(kuò)散率仍然很高，這同樣也會導(dǎo)致嚴(yán)重的電遷移問題；

（3）倒裝芯片焊點(diǎn)和互連引線的成分不同，焊點(diǎn)一般由兩種或兩種以上元素的合金焊料組成，而互連引線主要只有一種主體元素（鋁或銅），因此互連引線只考慮一種元素對電遷移的影響，而對于倒裝芯片互連焊料的電遷移則要考慮每種主要元素對電遷移的影響；

（4）由于倒裝芯片焊點(diǎn)是從導(dǎo)線到凸點(diǎn)的突變結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流從導(dǎo)線進(jìn)入凸點(diǎn)或從凸點(diǎn)進(jìn)入導(dǎo)線時，電流密度都會發(fā)生很大改變，在導(dǎo)線和凸點(diǎn)的接觸處很容易產(chǎn)生電流擁擠效應(yīng)；

（5）大部分焊料是共晶合金，焊料中的化學(xué)勢梯度和成分無關(guān)，由電遷移引起的成分再分布不會產(chǎn)生與電遷移相反的作用力等[5]。

2.4 腐蝕失效

腐蝕失效主要是受外界物質(zhì)腐蝕造成的，其中未填充的電路，焊點(diǎn)直接與空氣接觸，會與空氣中的水汽以及有害氣體等直接接觸，造成焊點(diǎn)的腐蝕。而填充膠后的電路是水汽通過底層膠滲透到內(nèi)部，然后與焊料反應(yīng)造成腐蝕，以及填充膠中的Cl-等在填充膠吸濕后也會對焊料凸點(diǎn)造成腐蝕，從而造成失效。而氣密性封裝很少出現(xiàn)該情況，如果所使用的底部填充劑是中性的，離子含量低（≤50×10-6）、封裝過程又不引入離子沾污，均不會出現(xiàn)腐蝕失效。

2.5 機(jī)械應(yīng)力失效

在溫度循環(huán)或熱沖擊時，芯片和基板就會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。基板收縮比較嚴(yán)重，將使芯片受到向內(nèi)的拉應(yīng)力，而且由于這種拉應(yīng)力偏離元件中心面，因而造成彎曲應(yīng)力，致使芯片和基板彎曲（見圖5），可能導(dǎo)致芯片上表面的中心或在靠下角處開裂。隨著應(yīng)力的加大，裂紋會沿著裂縫開裂，直到裂紋延伸到芯片內(nèi)部，導(dǎo)致電路失效。

有機(jī)基板的楊氏模量?。ㄔ?0 MPa ～27MPa之間），比較容易產(chǎn)生該類型失效，氧化鋁HTCC陶瓷基板楊氏模量大（≥400MPa），不容易出現(xiàn)基板變形，在芯片厚度足夠時，常出現(xiàn)芯片與基板互連失效，或芯片較薄則形成“爆米花”式開裂失效。在倒裝焊陶瓷封裝設(shè)計(jì)時可避免此類情況，因而在生產(chǎn)中均不會遇到該類型失效。

3 陶瓷基板倒裝焊失效機(jī)理分析

3.1 試驗(yàn)樣品材料及樣品制備

基板材料為氧化鋁陶瓷（CTE～7.0×10-6℃-1），芯片凸點(diǎn)材料為SnAg2.5，陶瓷基板上的焊盤表層為鍍鎳及薄金（通常≤0.1 μm），鍍金的目的是為了防止鎳氧化而嚴(yán)重影響凸點(diǎn)焊接。鍍鎳層在回流后是直接與凸點(diǎn)焊料進(jìn)行組裝連接的，起到阻擋層的作用。芯片倒裝進(jìn)行回流，回流峰值溫度范圍在250℃～260℃，回流后對樣品進(jìn)行清洗、烘干并進(jìn)行底部填充。組裝填充后的樣品如圖6所示。

3.2 溫度循環(huán)試驗(yàn)

利用超聲顯微鏡剔除帶有工藝缺陷（如超過工藝規(guī)范的氣泡等）的，選3只做試驗(yàn)樣品。對3只樣品進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。

溫度循環(huán)試驗(yàn)條件為：-65℃～+150℃，從高溫到低溫或從低溫到高溫的總轉(zhuǎn)換時間不得超過1min，高低溫中的保溫時間不得少于10min，負(fù)載應(yīng)在15min內(nèi)達(dá)到規(guī)定的溫度。試驗(yàn)時對樣品進(jìn)行互連電阻監(jiān)測，直到發(fā)現(xiàn)有樣品互連電阻顯著增大則表現(xiàn)為互連失效。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及失效機(jī)理分析

失效樣品在溫度循環(huán)進(jìn)行到300次時出現(xiàn)。對該樣品進(jìn)行剖面分析，高倍顯微鏡下觀察如圖7所示。

由圖7可知，失效開裂部位主要發(fā)生在UBM和凸點(diǎn)界面之間以及UBM與芯片焊盤界面之間。凸點(diǎn)與UBM界面之間裂紋的出現(xiàn)主要是沿著有金屬間化合物生成的區(qū)域。凸點(diǎn)與芯片間有裂紋出現(xiàn)，而凸點(diǎn)和基板之間結(jié)合良好，底部填充膠與芯片、基板的界面都未發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖8中為凸點(diǎn)截面局部放大圖，凸點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由UBM和凸點(diǎn)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示，電路中的凸點(diǎn)高度在55 μm左右，而凸點(diǎn)在沒有組裝前高度為80 μm，凸點(diǎn)組裝回流后塌陷高度在25 μm左右。在圖8中發(fā)現(xiàn)，凸點(diǎn)焊料中明顯有一條橫向裂紋，該裂紋是導(dǎo)致互連失效的主要原因，可以推測焊料疲勞失效發(fā)生在UBM和凸點(diǎn)界面之間的區(qū)域。該類連接失效是由于在焊料/UBM界面附近不同種類粗化帶引起的裂紋形成和積累?？梢杂^察到，裂紋在焊料連接的邊界形成，集中在連接的界面附近。焊料連接的表面在溫度循環(huán)后仍比較光滑，表示失效破壞主要位于金屬間化合物硬脆相生成附近。

圖10中的a、b、c點(diǎn)分別為UBM層、凸點(diǎn)焊料、凸點(diǎn)焊盤界面和裂紋處的成分分析，其中a的主要成分為Ni和Cu兩種，Cu和Ni是起到阻擋層的作用，防止凸點(diǎn)的SnAg擴(kuò)散到UBM層內(nèi)而生成金屬間化合物。b的主要成分為Sn和Ni。c處為裂紋的發(fā)生處。

由圖10可知，凸點(diǎn)裂紋萌發(fā)處的成分主要是Sn、Ni和Cu，失效主要發(fā)生在焊料中UBM和凸點(diǎn)界面處，并且有一條裂紋帶，它是導(dǎo)致凸點(diǎn)失效的主要原因。裂紋的起始和傳播是貫穿UBM和凸點(diǎn)焊料所生成的金屬間化合物界面。SnAg2.5凸點(diǎn)的失效模式為熱疲勞失效產(chǎn)生裂紋，熱疲勞裂縫起始和貫穿于金屬化合物和金屬化合物/焊料凸點(diǎn)界面。隨溫度循環(huán)應(yīng)力持續(xù)進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)展直至互連失效。

改善清洗工藝、減少助焊劑的殘留以及清除清洗中對芯片凸點(diǎn)的損傷，對后續(xù)的底部填充工藝均有很大的幫助。底部填充主要是填充材料的膨脹系數(shù)需要與芯片和陶瓷基板相匹配，以及填充固化后殘余應(yīng)力要盡可能小，減小焊點(diǎn)Z方向應(yīng)力等。

采用優(yōu)化的倒裝焊陶瓷封裝工藝，組裝3批電路（倒裝焊芯片面積5 mm×5mm，陶瓷外殼尺寸20 mm×20mm，厚度1.2mm），溫度循環(huán)-65℃～+150℃，可以達(dá)到500次循環(huán)不失效。

4 結(jié)論

倒裝焊失效模式主要有焊點(diǎn)疲勞失效、填充膠分層開裂失效、電遷移失效、腐蝕失效和機(jī)械應(yīng)力失效等，與焊料凸點(diǎn)、基板材料、有無填充膠、填充膠材料等相關(guān)，并且與工藝的控制也有關(guān)。陶瓷封裝倒裝焊底部填充前對助焊劑殘留的清洗是影響電路可靠性的關(guān)鍵因素之一，清洗劑的選擇及清洗方式的選擇也是影響質(zhì)量的關(guān)鍵因素；增加底部填充工藝可以提高電路的可靠性，使用不同基板材料，要考慮選用不同的底部填充膠，其中流動性及熱膨脹系數(shù)的匹配是后續(xù)產(chǎn)品可靠性的有利保障條件。經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)，倒裝焊陶瓷基板封裝電路失效機(jī)理主要有UBM層與焊料凸點(diǎn)的界面處出現(xiàn)裂紋失效和UBM層與芯片鋁焊盤之間的開裂失效。

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