楊建生,黃聚宏

(甘肅微電子工程研究院有限公司，甘肅 天水741000)

倒裝芯片技術(shù)為小尺寸和高可靠性電子封裝業(yè)的需求提供了有效的解決方案，然而，硅芯片和塑料基板之間大的熱膨脹系數(shù)（CTE），以及芯片尺寸的增大，在倒裝芯片組裝中產(chǎn)生了芯片裂紋這一主要的失效模式。一種類型的芯片裂紋，是垂直方向的。垂直裂紋產(chǎn)生于芯片背部表面缺陷，因封裝誘導(dǎo)的張應(yīng)力而傳播。垂直方向裂紋沿著垂直向下的路徑下行，接著當(dāng)?shù)竭_(dá)芯片半底部的壓應(yīng)力區(qū)時(shí)，發(fā)生彎曲。通過建模工作和可靠性試驗(yàn)，調(diào)查研究垂直裂紋現(xiàn)象。

另一種常見的裂紋，為橫向裂紋或邊緣裂紋。橫向裂紋是由于晶圓切片形成的芯片邊緣缺陷，起源于芯片邊緣并向內(nèi)傳播。減少背部缺陷，可減少垂直方向裂紋。本文主要是評(píng)定封裝參數(shù)對(duì)芯片橫向裂紋現(xiàn)象的影響，提供更好的理解。

1 問題與方法

典型的倒裝芯片塑料球柵陣列封裝如圖1所示，該封裝是由硅芯片和把邊緣焊點(diǎn)以及聚合物下填充物加入到有機(jī)基板構(gòu)成。當(dāng)把該封裝粘貼到印制電路板上時(shí)，由于增加了硬度，極大地降低了芯片彎曲狀況。因此，芯片裂紋不再是板級(jí)測試狀況的主要失效模式。本文中，僅僅探討元件級(jí)可靠性。該封裝經(jīng)受的溫度循環(huán)為-55 ℃～125 ℃，采用兩種不同的方法，傳統(tǒng)的應(yīng)力分析和基于斷裂力學(xué)的方法研究此封裝。

1.1 傳統(tǒng)應(yīng)力分析

圖1 FCPBGA 封裝結(jié)構(gòu)及焊縫角界定

在傳統(tǒng)應(yīng)力分析中，整個(gè)模型采用8 節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變?cè)?，假定芯片邊緣沒有缺陷。由于對(duì)稱性，僅研究封裝的一半。評(píng)定不同的網(wǎng)格密度，傳統(tǒng)分析的各項(xiàng)細(xì)節(jié)在本文中沒有證明。僅對(duì)我們感興趣的結(jié)果和結(jié)論，采用斷裂力學(xué)分析進(jìn)行比較。為了評(píng)定斷裂風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)定整個(gè)芯片的主應(yīng)力最大值。在兩個(gè)關(guān)鍵部位觀察到高應(yīng)力水平，即芯片背部中心位置和芯片邊緣的下填充物角焊縫端，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)應(yīng)力分析所示兩個(gè)關(guān)鍵部位

由于彎曲和面內(nèi)張力，在芯片背部中心發(fā)生的應(yīng)力為張應(yīng)力。此張應(yīng)力，與背部缺陷結(jié)合，將產(chǎn)生垂直方向裂紋。在下填充物角焊縫端的應(yīng)力，高度局限于應(yīng)力集中。隨著定位周圍的初始缺陷的形成，此應(yīng)力集中會(huì)引起橫向裂紋的產(chǎn)生。

1.2 斷裂力學(xué)法

斷裂力學(xué)法要求已存在的缺陷，也就是說，由于減薄、蝕刻、處理和劃片工藝，在芯片背部和芯片邊緣存在很多裂紋，因此會(huì)發(fā)生此情況。

在平板中對(duì)半橢圓形的裂紋而言，可從分析解決方案求得應(yīng)力強(qiáng)度因素：

式中：a 為裂紋深度，m 取決于沿著橢圓軸線裂紋深度與裂紋尺寸的比率。對(duì)通過相同工藝制造的晶圓片而言，裂紋尺寸和深度變化，伴隨著正態(tài)分布狀況。因此，m 可認(rèn)為取決于平均裂紋深度與平均裂紋尺寸比率的一個(gè)常數(shù)。σt為垂直于裂紋的張應(yīng)力，它等于薄膜應(yīng)力σm與彎曲應(yīng)力σb之和。如果該裂紋深度比不上芯片大小，等式（1）是有效的。在本文情況下，裂紋尺寸比芯片特征長度小1%。對(duì)脆弱的均勻材料諸如硅的斷裂而言，可假定斷裂路徑是具有I 模式主要的裂紋尖端應(yīng)力場。I 模式斷裂的斷裂標(biāo)準(zhǔn)為：

KIC=25.9 N/mm3/2為硅的斷裂韌性?？蓪?shí)施基于斷裂力學(xué)分析得到應(yīng)力強(qiáng)度因數(shù)KI。如果KI超過臨界值KIC，那么硅就會(huì)斷裂。

另一斷裂力學(xué)參數(shù)，應(yīng)變能釋放率G，可從獨(dú)立于有限元網(wǎng)格密度的圍到積分求得。當(dāng)能量釋放率G 達(dá)到臨界值GC時(shí)，裂紋將傳播，也就是說：

硅芯片將產(chǎn)生裂紋。

此臨界能量釋放率GC是一個(gè)材料常數(shù)，因此可僅僅從試驗(yàn)得出。模式I 的主要標(biāo)準(zhǔn)等同于能量釋放率標(biāo)準(zhǔn)，在此狀況下，應(yīng)變能釋放率G 與圍道積分J 相同，沿著圍繞裂紋尖端的等高線計(jì)算，圍道積分J 確定為：

式中Γ 為圍繞裂紋尖端的任何路徑，W 為應(yīng)變能，Ti為牽引向量，ui為位移向量，nx為Γ 上向外單位法向向量的x 分量。

1.3 選擇邊緣裂紋現(xiàn)象評(píng)定方法

傳統(tǒng)應(yīng)力分析不能考慮缺陷，如果能夠從此分析計(jì)算出張應(yīng)力σt，且臨界張應(yīng)力σc是已知的，那么不論如何可實(shí)施此分析，預(yù)測有初始缺陷的材料失效問題。盡管σt和σc得出于相同的裂紋尺寸，等式（2）和等式（3）斷裂標(biāo)準(zhǔn)是等同的。求得σc的一種方法就是測量裂紋尺寸，接著利用等式（3）計(jì)算σc。然而，精確地測量和分類所有尺寸的芯片背部裂紋是困難的，對(duì)芯片邊緣缺陷而言更甚。因此，用別的一些方法不得不找出臨界應(yīng)力。對(duì)垂直方向和橫向的兩種裂紋而言，實(shí)行傳統(tǒng)應(yīng)力分析而不是斷裂力學(xué)分析。

對(duì)芯片垂直方向裂紋而言，主要原因是背部彎曲應(yīng)力。此彎曲應(yīng)力對(duì)網(wǎng)格密度不敏感，傳統(tǒng)分析能提供精確的σt結(jié)果。為了找到等式（3）中臨界應(yīng)力σc，比找出裂紋尺寸更簡單的方法，就是通過相同的工藝對(duì)制造的一批晶圓樣本進(jìn)行4 點(diǎn)彎曲測試。4 點(diǎn)彎曲裝置，確保兩個(gè)內(nèi)部支持之間均勻的彎曲。σc為與失效狀況負(fù)載相一致的張應(yīng)力最大值，當(dāng)工藝過程受到控制，且樣本尺寸合理時(shí)，臨界應(yīng)力應(yīng)遵循正態(tài)分布，可得到平均值。對(duì)已研究的封裝而言，當(dāng)評(píng)定芯片背部垂直方向裂紋現(xiàn)象時(shí)，傳統(tǒng)應(yīng)力分析的結(jié)果與基于斷裂力學(xué)分析的狀況等效。在制造好的芯片上通過相同工藝過程，實(shí)施4 點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。在此情況下，基于橫向應(yīng)力分析，芯片背部彎曲應(yīng)力仍遠(yuǎn)低于芯片斷裂強(qiáng)度。

評(píng)定芯片邊緣橫向裂紋現(xiàn)象，需要考慮下填充物角焊縫尖端與芯片邊緣相交位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象。角焊縫尖端張應(yīng)力σt，采用細(xì)網(wǎng)格時(shí)，戲劇性地增長。由于異種材料強(qiáng)韌性自由邊附近，局部彈性應(yīng)力場的異常特性，不能把各種應(yīng)力作為特征參數(shù)使用。有常規(guī)元的有限元分析，不能采集此異常特征，繼續(xù)采用細(xì)網(wǎng)格。直接從材料特征獲得σc的方法，解決背部裂紋現(xiàn)象，是不適用的。因?yàn)闉榱搜刂怪狈较蜻吘壞M負(fù)載狀況和初始缺陷，不得不設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝載實(shí)際的芯片邊緣，同時(shí)裝載過程須能夠模擬下填充物角焊縫負(fù)載，這隨溫度而改變。因此，傳統(tǒng)應(yīng)力分析不適用于邊緣裂紋現(xiàn)象評(píng)定，應(yīng)采用基于斷裂力學(xué)方法。

1.4 芯片邊緣裂紋問題界定

在斷裂力學(xué)分析中，采用基于標(biāo)準(zhǔn)芯片分離程序檢查的典型缺陷尺寸。最壞狀況情節(jié)，當(dāng)角焊縫尖端與分離缺陷相一致時(shí)發(fā)生。假定邊緣缺陷是位于芯片厚度一半處的橫向裂紋，如圖3（a）所示。

圖3 具有初始邊緣缺陷的封裝

有薄基板封裝的有限元模型，如圖3（b）所示。采用四分點(diǎn)元來說明裂紋尖端應(yīng)力突出。封裝經(jīng)受標(biāo)準(zhǔn)溫度循環(huán)條件，認(rèn)為下填充物為均質(zhì)材料，也就是說，填充物的沉淀在研究中不考慮。對(duì)圖2中所示的角焊縫高度，假定角焊縫尖端符合邊緣缺陷。

2 結(jié)果與討論

各種封裝因素，可影響芯片邊緣水平裂紋現(xiàn)象。評(píng)定這些因數(shù)的部分參數(shù)，確定其在芯片邊緣裂紋現(xiàn)象中的作用。

2.1 下填充物特性的影響

正確的下填充物選擇能夠打破倒裝芯片封裝，主要的下填充物特性、模數(shù)和CTE，用于評(píng)定下填充物的影響。在圖3中策劃的能量釋放率，作為3 個(gè)不同下填充物模CTE 的函數(shù)。圖4中研究的材料特性的范圍，含蓋倒裝芯片應(yīng)用中目前適合的所有下填充物材料。能量釋放率，下填充物模數(shù)和CTE 無量綱形式如下所示：

其中：L 為芯片特征長度，Es為硅模數(shù)，EA和aA為典型下填充物A 的模數(shù)和CTE。研究的所有下填充物材料，具有高于封裝經(jīng)受溫度循環(huán)范圍的玻璃轉(zhuǎn)化溫度?？煽闯觯芰酷尫怕孰S著下填充物模數(shù)和CTE 增大而增大。當(dāng)采用高模數(shù)下填充物材料時(shí)，水平裂紋始于芯片邊緣裂紋。要么降低下填充物模數(shù)，要么降低CTE，將減輕在下填充物角焊縫尖端應(yīng)力聚集，降低芯片邊緣裂紋現(xiàn)象。

圖4 下填充物特性對(duì)芯片邊緣上裂紋的影響

2.2 下填充物焊縫角的影響

由于下填充物，下填充物焊縫角是決定局部應(yīng)力聚集的重要參數(shù)。焊縫角的確定如圖1所示。依據(jù)下填充物材料的表面張力、黏度和化學(xué)過程，以及提供的下填充物的量，浸濕芯片邊緣下填充物材料的焊縫角，因各種下填充物材料而顯著不同。通過下填充物焊縫角的改變，來評(píng)定焊縫角對(duì)芯片邊緣裂紋的影響。結(jié)果如圖5所示，對(duì)下填充物A 而言，焊縫角是具有最普通焊縫角的無量綱化參數(shù)。焊縫角范圍，包含最可能的下填充物焊縫角。當(dāng)焊縫角減小時(shí)，能量釋放率顯著地減小。然而，在圖5中對(duì)焊縫角的研究是假定的。實(shí)際上一旦選定一種下填充物材料，那么要改變其潤濕角是困難的。對(duì)實(shí)際應(yīng)用而言，焊縫角將應(yīng)與相關(guān)材料特性一起研究。

2.3 初始芯片邊緣缺陷的影響

初始缺陷尺寸，高度依賴于所采用的芯片分離工藝過程，當(dāng)初始芯片邊緣缺陷尺寸增大時(shí)，能量釋放率顯著增大，如圖6所示。采用無量綱因子a/L 表明初始裂紋長度與芯片特征長度L 的比率，這意味著對(duì)初始芯片邊緣缺陷尺寸的控制，有助于降低芯片邊緣裂紋現(xiàn)象。然而，一旦給定相同的初始裂紋尺寸，圖3和圖4示出了下填充物材料特性和幾何結(jié)構(gòu)，極大地影響能量釋放率。因此，下填充物材料的最佳選擇，對(duì)相當(dāng)程度地提高初始缺陷的容差是可能的。

圖5 下填充物焊縫角對(duì)芯片邊緣裂紋的影響（E *=0.69，a*=0.87）

圖6 初始裂紋長度對(duì)芯片邊緣裂紋的影響（E *=0.69，a*=0.87）

2.4 基板厚度的影響

基于以上參數(shù)研究，在角焊縫端應(yīng)力聚集，對(duì)局部參數(shù)非常敏感，諸如下填充物材料特性、下填充物焊縫角和初始缺陷長度。然而，這些局部參數(shù)對(duì)芯片背部彎曲應(yīng)力的影響，是完全可以忽略的。芯片背部彎曲應(yīng)力主要是由整體彎曲決定的，諸如基板厚度的整體彎曲參數(shù)對(duì)芯片彎曲應(yīng)力具有直接影響。在下填充物角焊縫尖端處，弄清整體因素是否將高度影響局部的應(yīng)力場。如圖7所示，能量釋放率是無量綱化基板厚度的函數(shù)，L 是芯片的特征長度。

圖7 基板厚度（tsub）對(duì)芯片邊緣裂紋的影響

可看出增大的遠(yuǎn)場載荷中增加的封裝彎曲結(jié)果，最后也增大了邊緣裂紋現(xiàn)象的可能性。對(duì)薄基板而言，基板不夠堅(jiān)硬使芯片彎曲，而對(duì)厚基板而言，基板太堅(jiān)硬，芯片不能彎曲。所以，通過選擇合適的基板厚度，可降低芯片邊緣裂紋現(xiàn)象。

2.5 芯片-下填充物剝離的影響

在失效封裝中，存在很多種類的失效現(xiàn)象。例如，除了芯片裂紋現(xiàn)象之外，還有下填充物的剝離現(xiàn)象。為了評(píng)定不同失效模式的相互作用，研究了芯片-下填充物剝離對(duì)芯片邊緣裂紋現(xiàn)象的影響。如圖8所示，當(dāng)在芯片和下填充物之間沒有剝離現(xiàn)象時(shí)，無量綱化應(yīng)變能釋放率為3.3。當(dāng)剝離深度為芯片特征長度的1.2%時(shí)，無量綱化應(yīng)變能釋放率下降到3.0。當(dāng)剝離深度為芯片特征長度的3.6%時(shí)，無量綱化應(yīng)變能釋放率更進(jìn)一步下降到2.3。對(duì)芯片和下填充物之間小的剝離而言，顯著地下降30%。因此，芯片-下填充物剝離減輕了能量，降低了芯片邊緣裂紋。這符合在可靠性試驗(yàn)中的觀察，對(duì)與芯片有良好粘附性的下填充物材料而言，水平裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性更高；然而，發(fā)現(xiàn)最小芯片邊緣裂紋現(xiàn)象，是有大量芯片到下填充物剝離現(xiàn)象的封裝。由于這將影響電性能，那么芯片到下填充物剝離現(xiàn)象本身也是一種失效，因此這不能被認(rèn)為芯片邊緣裂紋現(xiàn)象解決方案之一。

2.6 下填充物厚度的影響

圖8 芯片- 下填充物剝離對(duì)芯片邊緣裂紋的影響

當(dāng)下填充物厚度改變時(shí)，如果保持下填充物焊縫角不變，在能量釋放率方面的改變是可以忽略的。這表明，芯片邊緣裂紋現(xiàn)象對(duì)下填充物焊縫角尖端局部參數(shù)非常敏感。

3 結(jié) 論

始于芯片邊緣的芯片水平斷裂，是部分倒裝芯片PBGA 封裝中主要的失效模式。通過大量的有限元分析，探討芯片邊緣裂紋現(xiàn)象并找出其解決方案，可采用傳統(tǒng)的應(yīng)力分析研究芯片背部垂直裂紋現(xiàn)象。然而，傳統(tǒng)有限元不能捕捉下填充物焊縫角尖端處的應(yīng)力突出現(xiàn)象，并且不能易于設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法論來測定芯片邊緣斷裂的臨界張應(yīng)力。因此，不能采用傳統(tǒng)的分析來研究芯片邊緣裂紋現(xiàn)象。

采用斷裂力學(xué)法，來評(píng)定各種封裝參數(shù)對(duì)芯片邊緣初始斷裂的影響。對(duì)于芯片分離工藝過程，假定在芯片邊緣，存在部分初始缺陷和裂紋，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變能釋放率是芯片邊緣裂紋現(xiàn)象的一種良好特征。與芯片背部裂紋現(xiàn)象不同，芯片邊緣裂紋的主要參數(shù)與局部的影響有關(guān)。最重要的因素是下填充物材料特性，諸如模數(shù)、CTE 和潤濕角。仔細(xì)選擇基板厚度，也有助于降低芯片彎曲，也降低了芯片邊緣裂紋現(xiàn)象。芯片和下填充物之間的剝離現(xiàn)象能減輕芯片邊緣裂紋現(xiàn)象，但剝離現(xiàn)象對(duì)封裝電性能有潛在危險(xiǎn)，因此不能認(rèn)為是補(bǔ)救。提高芯片劃片工藝質(zhì)量，控制初始缺陷尺寸，將肯定是有幫助的。最佳的下填充物選擇，能夠極大地增加缺陷尺寸的容差，避免采用昂貴的工藝過程和檢查。

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