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(jī)、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(fèi)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(diǎn)易受熱應(yīng)力蠕變造成焊點(diǎn)開裂現(xiàn)象，存在較嚴(yán)重的封裝可靠性風(fēng)險(xiǎn)。且倒裝焊的產(chǎn)品包含多個(gè)凸點(diǎn)，其中一個(gè)凸點(diǎn)失效就會導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品失效，因此凸點(diǎn)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(diǎn)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(shí)物建模，從封裝制程的角度對易造成凸點(diǎn)失效的工序進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分布的模擬，分析焊點(diǎn)開裂失效的原因并提出改善方案。

2 試驗(yàn)方法

倒裝焊的塑封體結(jié)構(gòu)主要包括裸芯、凸點(diǎn)、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(shí)際的封裝制程中最易形成焊點(diǎn)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(diǎn)內(nèi)應(yīng)力的加劇和蠕變，從而形成凸點(diǎn)失效。本文采用ANSYS 軟件建模，獲取塑封體和凸點(diǎn)在回流焊時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變及分布情況，分析實(shí)物的封裝結(jié)構(gòu)在回流焊過程中凸點(diǎn)失效的機(jī)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(diǎn)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?yàn)榧t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(diǎn)傾斜較大且所受應(yīng)力最大，相較于中心區(qū)域的凸點(diǎn)更易產(chǎn)生裂紋，從而形成失效，故邊緣區(qū)域?yàn)樽钜资^(qū)域。同時(shí)，在回流焊升溫階段，因?yàn)榛宓摹靶δ槨甭N曲，凸點(diǎn)向內(nèi)傾斜，且邊緣的凸點(diǎn)傾斜較大，故凸點(diǎn)的最大受力點(diǎn)在芯片左下角，最大應(yīng)力為171.59 MPa，即左下角的凸點(diǎn)最易失效。

圖2 在回流焊升溫階段基板z 軸的形變及凸點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)力分布如圖3 所示，塑封體的中心區(qū)域?yàn)辄S色，邊緣的中間區(qū)域以綠色和湖藍(lán)色為主，四角區(qū)域?yàn)樯钏{(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(diǎn)相較于中心區(qū)域的凸點(diǎn)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?yàn)榛宓摹翱弈槨甭N曲，凸點(diǎn)向外傾斜，且邊緣的凸點(diǎn)傾斜較大，故凸點(diǎn)的最大受力點(diǎn)在芯片右下角，最大應(yīng)力為247.53 MPa，即右下角的凸點(diǎn)最易失效。

圖3 在回流焊降溫階段基板z 軸的形變及凸點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)力分布可以看出，降溫階段基板的形變和凸點(diǎn)所受應(yīng)力均大于升溫階段，且升溫階段凸點(diǎn)的形態(tài)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，降溫階段凸點(diǎn)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(diǎn)更易失效。

為進(jìn)一步分析回流焊過程中的焊點(diǎn)開裂失效模式，選擇圖3（b）右下角所受應(yīng)力最大的凸點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分布分析，該關(guān)鍵凸點(diǎn)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(diǎn)的基板端，且應(yīng)力最大處位于凸點(diǎn)最外側(cè)，并沿著界面由外向內(nèi)遞減。凸點(diǎn)的裂紋始于芯片側(cè)的凸點(diǎn)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(yàn)證了在回流焊時(shí)焊點(diǎn)開裂的失效模式。

圖4 關(guān)鍵凸點(diǎn)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(diǎn)開裂失效的主要因素是在封裝制程中進(jìn)行回流焊時(shí)的高低溫變化，其導(dǎo)致基板形變引起凸點(diǎn)所受應(yīng)力增大，且失效位置多集中于芯片邊緣，凸點(diǎn)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(shí)凸點(diǎn)的形變量，可有效降低焊點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中可通過在回流焊時(shí)加載具的作業(yè)方式，降低焊點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)。

載具實(shí)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(shí)的基板形變量，達(dá)到降低焊點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)的目的。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，加裝載具后，焊點(diǎn)開裂失效由0.5%降為0.01%。

圖5 載具實(shí)物

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

圖6 焊點(diǎn)焊接不良

當(dāng)基板向下翹曲時(shí)，因機(jī)臺z 軸方向行程固定，故在裝片時(shí)易發(fā)生凸點(diǎn)與基板未接觸的現(xiàn)象，在回流焊后凸點(diǎn)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(shí)，該風(fēng)險(xiǎn)亦存在，且形成機(jī)理相同。

5 結(jié)論

通過ANSYS 模擬封裝制程中在回流焊時(shí)封裝體z 軸形變及凸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)為最易失效區(qū)域，且凸點(diǎn)裂紋始于芯片側(cè)凸點(diǎn)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(shí)焊點(diǎn)開裂失效的風(fēng)險(xiǎn)，并能有效控制裝片時(shí)因基板翹曲產(chǎn)生的焊點(diǎn)焊接不良等風(fēng)險(xiǎn)。