热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性——裂纹生长机理

GXF360 2017-08-22

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热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性——裂纹生长机理

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性
——裂纹生长机理

田　野

(河南工业大学机电工程学院，郑州　4500011)

摘　要：研究热冲击条件下细间距倒装微焊点的裂纹萌生及扩展，通过观察裂纹生长路径，并结合累积塑性应变能密度及应变在焊点上的分布，分析裂纹的生长机理. 结果表明,裂纹形成在微焊点外侧，位于镍焊盘界面IMC与焊料基体之间的界面上；随着循环次数的增加，裂纹进入镍焊盘附近的焊料基体中，沿着焊盘平行的方向扩展，累积塑性应变能密度及应变在微焊点上的分布与裂纹扩展方向一致. 对裂纹生长机理探讨可知,IMC与微焊点之间的界面处于双重应力集中状态，因此裂纹易在微焊点及IMC之间的界面上萌生；随着循环次数的增加，焊料基体的塑性变形增加，高塑性的焊料区域为裂纹扩展提供了条件.

关键词：倒装芯片；微焊点；热冲击；可靠性；裂纹

中图分类号：TG454

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)09-0043-03

0　序　　言

倒装芯片组装是把集成电路(integrated circuit, IC)裸芯片直接键合到母板上，被视为终极的一级单芯片封装[1]. 该技术加快了信号的传输速率，增加了输入和输出端数目，提高了电子产品的功能，在缩小封装尺寸的同时，也降低了封装成本[2]. 然而在倒装芯片组装体中，由于芯片和基板的热膨胀系数不同，在热循环工作环境中易由于它们之间的热失配导致焊点产生裂纹而失效. 因此通过对裂纹生长的分析，研究焊点在热循环环境中的可靠性具有非常重要的意义.

裂纹的生长模式主要与微焊点的结构和微观组织结构有关，例如焊点的间距、互连高度及微焊点金属间化合物(intermetellic compound， IMC)的厚度和种类等. 根据磨损机制，焊点的失效模式主要分两类：一类为疲劳韧性失效；另一类为提前脆性失效. 疲劳韧性失效主要由焊料内部循环的非弹性应变引起，它与封装的种类，施加的载荷条件以及合金的成分有关[3,4]，例如在热循环过程条件下由于界面IMC的脆性，造成焊点和IMC之间的界面上产生应力集中，导致疲劳裂纹在该界面上形成. 对于提前脆性失效，裂纹在IMC中形成及扩展，这主要与IMC的脆性属性有关，界面IMC厚度以及种类也有着一定的影响.

文中采用细间距倒装组装芯片样品，通过热冲击可靠性试验及有限元模拟法，研究倒装组装微焊点的裂纹萌生和扩展，探讨裂纹生长模式及裂纹萌生和扩展机理.

1　试验方法

采用微焊点周边排列型的硅芯片和对应的BT基板，芯片的尺寸为10 mm×10 mm，共包含376个凸点，凸点间距100 μm，高度约为45 μm，焊盘的直径约为45 μm，焊盘金属化层为Ni(P)/Au. BT基板的尺寸为15 mm×15 mm, 焊盘组成为Cu/OSP. 凸点焊料成分为Sn-3.0Ag-0.5Cu (质量分数，%) (SAC305). 在熔化温度以上保持60 s，最高温度约为240 ℃的回流条件下，芯片和基板完成互连组装. 采用Hysol 4531填充胶在160 ℃固化6 min完成封装填充. 对组装后的芯片依次通过X-ray、超声以及电阻检测，确定出组装优良的芯片. 选出一批组装优良的芯片进行热冲击试验，每200个循环取出所有样品进行电阻测量，跟踪样品的失效情况，每400个循环取出两个样品，用于裂纹观察. 热冲击试验条件为高温125 ℃，低温-55 ℃，高低温驻留时间15 min，高低温转换温度小于5 s.

采用ANSYS有限元软件，根据全局模型与子模型相结合的方针，建立倒装组装芯片的有限元模型，对热冲击条件下微焊点的应力及应变进行模拟，获得累积塑性应变能密度及应变在微焊点上的分布，详细的建模及计算过程见文献[5]，在此不再累述.

2　计算结果及讨论

2.1　裂纹萌生及扩展

图1为热冲击条件下裂纹在微焊点中生长的BSE图. 由图1a可见，两种IMC在焊料与基板侧铜焊盘界面上及焊料与芯片侧镍焊盘界面上形成，分别是与焊料基体相邻的(Cu,Ni)6Sn5和与镍焊盘相临的Ni3P. 两种界面IMC在铜焊盘界面上形成，分别是与焊料集体相临的(Cu,Ni)6Sn5和与铜焊盘界面相近的Cu3Sn. 裂纹在焊料和(Cu,Ni)6Sn5之间的界面上萌生，位于芯片侧焊点的最外侧. 文献[6]描绘出在热循环环境中裂纹在微焊点中的生长模式，见图2. 由图2可见，模式1为裂纹在微焊料和界面IMC之间的界面上形成，称为分层裂纹，属于疲劳韧性失效；模式2为裂纹在界面IMC层内部形成，属于提前脆性失效；模式3为裂纹在微焊点基体中形成，属于疲劳韧性失效. 根据上述失效模式可以判断为疲劳失效. 由于裂纹长度较短，不能确定出整个微焊点的失效模式，因此更多的循环数目需要被加载.

图1b为4 800次循环后微焊点裂纹的扩展，由图1b可见，裂纹由焊料和IMC之间的界面处扩展到焊料基体中，并沿着镍焊盘附近焊料基体扩展，扩展方向平行于镍焊盘，并存在向镍焊盘内侧边角位置扩展，穿过整个焊点的趋势. 基于裂纹在微焊点中萌生和扩展的路径，可以判断裂纹萌生属于界面分层裂纹，随后的扩展属于疲劳裂纹，这两种裂纹均属于疲劳韧性失效，因此可以确定100 μm间距微焊点的失效模式为疲劳韧性失效. 在图1b中，需要指出的是裂纹的扩展方向在部分位置偏离了平行于镍焊盘方向，但主裂纹仍然与镍焊盘平行. 此外，微焊点中存在另一条裂纹，它仅扩展了一定长度，终止在焊料内部，此裂纹为二次裂纹，并不是导致微焊点失效的主要裂纹.

2.2　IMC对裂纹生长的影响

根据裂纹在微焊点中的生长情况，可以评估界面IMC对微焊点的可靠性影响. 裂纹在芯片侧焊点最外侧IMC和焊料基体之间的界面上形成，因此芯片侧的界面IMC对裂纹的萌生起到了重要作用. 裂纹在基板侧厚层界面IMC上没有形成，但IMC消耗了大量的基体锡焊料，减少了焊料基体的体积，降低了软锡焊料吸能和形变的能力，因此对微焊点的疲劳失效存在潜在影响. 此外由于Ni原子对Cu3Sn的控制，Kirkendall孔洞数量和尺寸的增加受到抑制，因此Kirkendall孔洞没有聚集在一起，与Cu3Sn一起诱发形成裂纹的现象. 在4 800次循环后焊料基体中的IMC已经粗化成块状，但没有破坏焊料基体的连续性，因此在其界面上没有形成裂纹. 根据以上分析，因此可以得出结论对于倒装组装微焊点，基板侧铜焊盘界面上的主要IMC对焊点的疲劳裂纹具有潜在影响，焊料基体中的IMC对裂纹没有直接影响，而芯片侧IMC直接影响着裂纹的萌生.

图1　在热冲击条件下裂纹在边角位置的微焊点中萌生和扩展

Fig.1　Crack initiation and propagation of corner solder joint under thermal shock

图2　微焊点的失效模式

Fig.2　Model of micron-solder-joint failure

2.3　损伤尺度对裂纹生长的影响

损伤尺度的大小表示为裂纹出现的可能行大小，即在微焊点上损伤尺度越大的位置越可能形成裂纹[7,8]，文中采用损伤尺度解释裂纹的萌生及扩展. 从模拟结果中提取了微焊点累积塑性应变能密度和应变在焊点上的分布云图，如图3所示. 累积塑性应变能密度和应变最大值集中在芯片侧焊点和镍焊盘之间的界面上，最高位置在焊点的最外侧，沿着焊料界面向内侧递减，最后在焊点内侧界面回到较大值. 基于以上分析，可以表明裂纹在高的累积塑性应变能密度和应变作用下，首先形成在微小焊点外侧，随着累积塑性应变能密度和应变向焊料内侧延伸，裂纹向焊料内侧方向扩展，最终在内侧边角位置穿出微焊点.

图3　第8个循环125 ℃边角焊点的累积塑性应变能密度及应变分布云图

Fig.3　Distribution map of accumulated plastic work on conrner joint on 125 ℃ of the 8th cycle

2.4　裂纹萌生及扩展机理分析

根据试验及模拟结果，对裂纹在微焊点中的萌生及扩展进行分析. 从宏观角度分析可以得出由于基板与芯片之间的热失配使得焊点承受着剪切应力，并且在焊点与芯片之间的界面上存在着应力集中. 从微观角度分析可以得出芯片镍焊盘界面的主要IMC((Cu,Ni)6Sn5和SnAgCu)与焊料基体的弹性模量和热膨胀系数等材料属性上存在着较大差异，因此焊料基体和IMC在热冲击过程必然产生热失配. 基于宏观和微观两方面分析，可知IMC和焊点之间界面处于双重应力集中状态，当应力集中达到一定程度时，裂纹将在IMC和焊料之间的界面上形成裂纹. 李云卿等人[9]报道了封装体中的焊点在形成裂纹后，经m次热循环后焊料基体组织中位错密度增加明显，形成了大量规则排列的棱柱形位错环，这一报道说明在裂纹萌生之后，焊料基体存在着更大的塑性变形，高塑性的焊料区域为裂纹的扩展提供了可能，由此可以解释裂纹进入镍焊盘附近的焊料中，向内侧扩展，最终贯穿了整个微焊点.

3　结　　论

(1) 在热冲击条件下，裂纹在芯片侧焊盘附近萌生，位于焊点外侧焊盘与焊料基体间界面处，随着循环次数增加，裂纹扩散进入焊盘附近焊料基体中，扩散方向与镍焊盘平行. 累积塑性应变能密度及应变在微焊点上的分布与裂纹扩展方向一致.

(2) 基板侧铜焊盘界面上的主要IMC对微焊点的疲劳失效具有潜在影响，焊料基体中的IMC对裂纹没有直接影响，而芯片侧IMC直接影响着裂纹的萌生.

(3) 焊点与焊盘之间界面处于双重应力集中状态，当应力集中达到一定程度时，会在IMC和焊料之间的界面上形成裂纹萌生. 随着循环次数增加，焊料基体经历着越来越大的塑性变形，高塑性的焊料区域为裂纹扩展提供了条件.

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