朱國靈，季振凱，紀(jì)萍，徐小明

（無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著科技的發(fā)展，手機、平板電腦等電子設(shè)備朝著輕量化、扁薄化的趨勢發(fā)展，塑封倒裝焊成為了最高效的封裝技術(shù)之一，并廣泛應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域。然而塑封基板自身的易形變性以及封裝體間各種材料熱膨脹系數(shù)的不匹配，導(dǎo)致塑封體凸點易受熱應(yīng)力蠕變造成焊點開裂現(xiàn)象，存在較嚴(yán)重的封裝可靠性風(fēng)險。且倒裝焊的產(chǎn)品包含多個凸點，其中一個凸點失效就會導(dǎo)致整個產(chǎn)品失效，因此凸點的可靠性成為決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。確定在封裝制程中最易形成凸點失效的工序及失效模式對提高封裝的可靠性具有非常重要的意義。本文通過ANSYS 軟件進(jìn)行1∶1 實物建模，從封裝制程的角度對易造成凸點失效的工序進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分布的模擬，分析焊點開裂失效的原因并提出改善方案。

2 試驗方法

倒裝焊的塑封體結(jié)構(gòu)主要包括裸芯、凸點、基板、塑封料，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 倒裝焊塑封體結(jié)構(gòu)參數(shù)

在實際的封裝制程中最易形成焊點開裂的工序是裝片后的回流焊工序，其高低溫的變化較易導(dǎo)致凸點內(nèi)應(yīng)力的加劇和蠕變，從而形成凸點失效。本文采用ANSYS 軟件建模，獲取塑封體和凸點在回流焊時的應(yīng)力應(yīng)變及分布情況，分析實物的封裝結(jié)構(gòu)在回流焊過程中凸點失效的機理，塑封前的ANSYS 模型如圖1 所示。

圖1 塑封前的ANSYS 模型

3 仿真結(jié)果與討論

在裝片后的回流焊升溫階段，基板z 軸的形變和凸點應(yīng)力分布如圖2 所示，塑封體的中心區(qū)域整體呈綠色，局部呈黃色，其形變量趨近于0。邊緣的中間區(qū)域以黃色和橘色為主，四角及部分邊緣區(qū)域為紅色，由中心向四周的形變量逐漸增大，最大形變量達(dá)到2.70 μm。這表明在回流焊升溫階段，基板受熱膨脹，從中心向四周的形變量逐漸增大，整體表現(xiàn)為“笑臉”翹曲（邊緣向上翹曲）。其形變越大，產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變也隨之增大，即邊緣的凸點傾斜較大且所受應(yīng)力最大，相較于中心區(qū)域的凸點更易產(chǎn)生裂紋，從而形成失效，故邊緣區(qū)域為最易失效區(qū)域。同時，在回流焊升溫階段，因為基板的“笑臉”翹曲，凸點向內(nèi)傾斜，且邊緣的凸點傾斜較大，故凸點的最大受力點在芯片左下角，最大應(yīng)力為171.59 MPa，即左下角的凸點最易失效。

圖2 在回流焊升溫階段基板z 軸的形變及凸點應(yīng)力分布

在裝片后的回流焊降溫階段, 基板z 軸的形變和凸點應(yīng)力分布如圖3 所示，塑封體的中心區(qū)域為黃色，邊緣的中間區(qū)域以綠色和湖藍(lán)色為主，四角區(qū)域為深藍(lán)色，整體表現(xiàn)為“哭臉”翹曲（邊緣向下翹曲），形變趨勢與升溫階段相似，均為邊緣的形變大于中心區(qū)域的形變。這表明在回流焊的降溫階段，基板降溫收縮，從中心向四周的形變量逐漸增大，最大形變量為4.94 μm，產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變也隨之增大，即邊緣的凸點相較于中心區(qū)域的凸點更易產(chǎn)生裂紋而形成失效。由應(yīng)力分布圖可以看出，在回流焊降溫階段，因為基板的“哭臉”翹曲，凸點向外傾斜，且邊緣的凸點傾斜較大，故凸點的最大受力點在芯片右下角，最大應(yīng)力為247.53 MPa，即右下角的凸點最易失效。

圖3 在回流焊降溫階段基板z 軸的形變及凸點應(yīng)力分布

對比在回流焊過程中升溫階段和降溫階段基板z軸的形變和凸點應(yīng)力分布可以看出，降溫階段基板的形變和凸點所受應(yīng)力均大于升溫階段，且升溫階段凸點的形態(tài)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，降溫階段凸點的形態(tài)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，因液態(tài)耐受應(yīng)力優(yōu)于固態(tài)，故在降溫階段凸點更易失效。

為進(jìn)一步分析回流焊過程中的焊點開裂失效模式，選擇圖3（b）右下角所受應(yīng)力最大的凸點進(jìn)行應(yīng)力分布分析，該關(guān)鍵凸點的應(yīng)力分布及剖面SEM圖如圖4 所示，應(yīng)力集中區(qū)位于凸點的基板端，且應(yīng)力最大處位于凸點最外側(cè)，并沿著界面由外向內(nèi)遞減。凸點的裂紋始于芯片側(cè)的凸點與SnAg 接觸的外圍，并沿著裂紋由外向內(nèi)不斷延伸，與仿真結(jié)果吻合，進(jìn)一步驗證了在回流焊時焊點開裂的失效模式。

圖4 關(guān)鍵凸點應(yīng)力分布及剖面SEM 圖

4 改善方案

由第3 節(jié)分析可知，形成焊點開裂失效的主要因素是在封裝制程中進(jìn)行回流焊時的高低溫變化，其導(dǎo)致基板形變引起凸點所受應(yīng)力增大，且失效位置多集中于芯片邊緣，凸點裂紋呈由外向內(nèi)不斷延伸的趨勢，所以通過減少回流焊時凸點的形變量，可有效降低焊點開裂風(fēng)險，在實際生產(chǎn)中可通過在回流焊時加載具的作業(yè)方式，降低焊點開裂風(fēng)險。

載具實物如圖5 所示，載具是一種條形整平套件，整體為鋼制框架結(jié)構(gòu)，由上模和下模2 部分組成，將基板置于上模和下模間的凹槽內(nèi)并固定，該裝置可有效降低裝片后回流焊時的基板形變量，達(dá)到降低焊點開裂風(fēng)險的目的。經(jīng)試驗驗證，加裝載具后，焊點開裂失效由0.5%降為0.01%。

圖5 載具實物

載具不僅可以有效降低因回流焊時基板形變導(dǎo)致的焊點開裂失效風(fēng)險，還能有效減少裝片時因基板翹曲產(chǎn)生的焊點焊接不良等異常，其原理如圖6 所示。

圖6 焊點焊接不良

當(dāng)基板向下翹曲時，因機臺z 軸方向行程固定，故在裝片時易發(fā)生凸點與基板未接觸的現(xiàn)象，在回流焊后凸點與基板間形成開路，最終導(dǎo)致產(chǎn)品失效。當(dāng)基板向上翹曲時，該風(fēng)險亦存在，且形成機理相同。

5 結(jié)論

通過ANSYS 模擬封裝制程中在回流焊時封裝體z 軸形變及凸點所受應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明：（1）塑封體四周形變較大，芯片邊角凸點承受的應(yīng)力及應(yīng)變最大，確定塑封倒裝焊產(chǎn)品邊角的凸點為最易失效區(qū)域，且凸點裂紋始于芯片側(cè)凸點與SnAg 的接觸外圍，并呈由外向內(nèi)不斷延伸的趨勢；（2）加載具作業(yè)可降低回流焊時焊點開裂失效的風(fēng)險，并能有效控制裝片時因基板翹曲產(chǎn)生的焊點焊接不良等風(fēng)險。