圓晶級(jí)CSP組裝及其可靠性-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯圓晶級(jí)CSP組裝及其可靠性-設(shè)計(jì)應(yīng)用WaferlevelCSPMichaelMeilunas,ParvezPatel(1.UniversalInstrumentsCorp.,Binghamton,NY;2.Motorola,Inc.,Libertyville,IL;)簡(jiǎn)介

CSP(芯片級(jí)封裝)技術(shù)推動(dòng)著封裝和印刷電路板向更小型化方向發(fā)展。圓晶級(jí)CSP是指將帶有再分布薄膜層的硅片與標(biāo)準(zhǔn)表面裝貼線相連。這種封裝小而輕，適用于I/O腳數(shù)量在4到200之間的精細(xì)線條貼裝。

圓晶級(jí)CSP的精細(xì)線條特性常常要求將PCB的布線與連線技術(shù)結(jié)合將器件功能開(kāi)發(fā)到。雖然大家傾向于選擇“狗骨”連線結(jié)構(gòu)，布線密度還是要求導(dǎo)通孔技術(shù)能適應(yīng)圓晶級(jí)的封裝。

圓晶級(jí)器件的長(zhǎng)期可靠性是我們必須考慮的一個(gè)因素。直接接觸芯片或者倒裝片組裝是現(xiàn)在廣泛使用著的一項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)。圓晶級(jí)器件多多少少也可以看作為大的倒裝片。不過(guò)，倒裝片要依賴填充膠來(lái)改進(jìn)封裝的機(jī)械和熱疲勞阻抗。如果用圓晶級(jí)CSP替代傳統(tǒng)的CSP作連線，就不能用填充膠材料了。

本文主要討論在傳統(tǒng)的PCB底墊和導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)上分別裝配具有46個(gè)I/O口，75mm線寬的圓晶級(jí)器件的方法。然后我們會(huì)就不同組裝形式的可靠性從全熱循環(huán)方面以威布爾故障數(shù)據(jù)分析為準(zhǔn)作評(píng)估和比較。

圓晶級(jí)CSP的可靠性

與傳統(tǒng)的CSP相比，圓晶級(jí)CSP產(chǎn)生較少的封裝破裂（爆米花）、芯片襯底分層和其他的濕致缺陷。不過(guò)圓晶級(jí)CSP的機(jī)械和熱性能仍由硅片決定。但這仍意味著與傳統(tǒng)CSP相比，圓晶級(jí)CSP一般具有低得多的熱膨脹系數(shù)（CTE）并且更硬，更能抵抗熱和機(jī)械原因?qū)е碌膲毫Α?/p>

封裝描述

用于組裝和進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的器件不需要填充料。封裝底墊用CSP尺寸的焊球連到0.75mm線寬的范圍內(nèi)。此器件將用于制造諸如flash、DRAM、EEPROM和SRAM的存儲(chǔ)器。

此器件是一個(gè)真正的圓晶級(jí)封裝，它用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝設(shè)備制造了再分布薄膜層，還運(yùn)用了圓晶級(jí)焊點(diǎn)連接工藝。這個(gè)封裝包含了一個(gè)雙層電介質(zhì)系統(tǒng)和苯并環(huán)丁烯聚合物（BCB）的聚合體以及一個(gè)Al/NiV/Cu的可軟焊再分布薄膜層。

這個(gè)器件包含48個(gè)焊塊，數(shù)量向中心慢慢減少地排列在6×8的面積內(nèi)。封裝呈矩形，物理尺寸為0.317×0.246〃，厚度為0.438〃（從芯片頂部到焊塊尾部）。硅片的全部厚度是0.027〃，上面的附屬層厚約0.0003〃。焊塊組裝前直徑為0.0215〃，高度為0.0165〃。

封裝的CTE約為4.5ppm/℃，質(zhì)地堅(jiān)硬，不因加熱或冷卻而彎曲。

測(cè)試版描述

在實(shí)驗(yàn)中用的測(cè)試版厚0.041〃，采用四層（兩個(gè)表面和兩個(gè)內(nèi)層）雙側(cè)FR4基板。板子刷上了有機(jī)可焊性保護(hù)層以保護(hù)銅底墊。

板子的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度為175℃，CTE約為16ppm/℃。

實(shí)驗(yàn)中先后采用了六種測(cè)試圖形。其中三種包含了標(biāo)準(zhǔn)的非阻焊層限定（NSMD）底墊，直徑分別為0.011，0.013和0.015〃。另外三種圖形也包含了直徑為別為0.011，0.013和0.015〃的NSMD，但是每個(gè)底墊另外包含了一個(gè)直徑0.005〃的連線，形成的導(dǎo)通孔用于連接表面信號(hào)層和內(nèi)部信號(hào)層，未被填充。圖1顯示了導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)的圖形，我們可以看到導(dǎo)線圖像的重合失調(diào)現(xiàn)象。

測(cè)試計(jì)劃試驗(yàn)的主要目的是：

·研究圓晶級(jí)CSP貼裝中的各種問(wèn)題；

·比較焊膏貼裝法和熔接貼裝法和其焊節(jié)的可靠性；

·確定在各種導(dǎo)通孔圖形上進(jìn)行貼裝的可行性，將其焊節(jié)分別與傳統(tǒng)的NSMD底墊連結(jié)方式作比較；

·對(duì)PCB底墊尺寸分別對(duì)傳統(tǒng)和導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)焊接形式可靠性的影響作評(píng)估。

組裝方案

圓晶級(jí)器件分別用兩套方案進(jìn)行貼裝。方案1采用傳統(tǒng)的CSP貼裝工藝，而方案2采用標(biāo)準(zhǔn)倒裝晶片流程。兩種工藝中都用強(qiáng)制對(duì)流烘箱對(duì)器件進(jìn)行回流焊。

貼裝之前，圓晶級(jí)器件以125℃的溫度烘烤12小時(shí)——這是為了去除封裝上多余的水汽，防止前述封裝破裂和分層現(xiàn)象出現(xiàn)。測(cè)試板被存儲(chǔ)在密封的包裝中，不進(jìn)行烘烤。

方案1采用免清洗的含90%金屬的IVSn/37Pb焊膏進(jìn)行貼裝。首先，我們用0.005〃厚的不銹鋼片做模板，用硬度95%的聚氨酯橡膠滾輪以與測(cè)試版成60°的角度把焊膏刷到PCB底墊上。15mm/s的印刷速度和0.49公斤/英寸的壓力可以得到完美的涂布結(jié)果。然后，圓晶級(jí)器件被粘貼在PCB上，送入強(qiáng)制對(duì)流烘箱進(jìn)行回流焊。方案2用薄膜涂料器將焊劑涂在圓晶級(jí)器件上。在貼裝前，器件浸在0.0045〃厚的免清洗粘質(zhì)焊料中。器件一旦貼裝后，馬上被送入強(qiáng)制對(duì)流烘箱，這一過(guò)程不需要用填料。

回流過(guò)程采用標(biāo)準(zhǔn)的“ramp-soak-ramp”法。首先將測(cè)試版和圓晶級(jí)器件以1.5℃/s的速率從室溫開(kāi)始加熱到165℃。保持這一溫度約140秒，使溶劑充分揮發(fā)。接著，以4.0℃/s的速率將板子和器件再加熱到220℃的峰值。，以2.0℃/s的平均速率冷卻到85℃，在這一過(guò)程中，先用47秒將溫度降到焊料的液相線（183℃），再用6分54秒完成隨后的冷卻。在整個(gè)過(guò)程中，烘箱中通入減量氧氣，同時(shí)通入氮?dú)馐寡鯕鉂舛鹊陀?0ppm。

組裝觀測(cè)

我們運(yùn)用了電子、肉眼和X射線等觀測(cè)技術(shù)來(lái)評(píng)定圓晶級(jí)貼裝工藝。

萬(wàn)用表探針測(cè)試顯示所有的組裝件的電學(xué)性能都很好。分析還顯示不同的參數(shù)組合（PCB底墊的不同尺寸，采用焊膏法或熔接法）對(duì)菊花鏈?zhǔn)浇M裝件的平均阻抗會(huì)有微小影響。

組裝件的X射線圖片顯示板上沒(méi)有出現(xiàn)焊點(diǎn)橋接、焊節(jié)起球或其他缺陷。但是，無(wú)論是焊膏組裝還是熔接組裝方式，導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)PCB上的焊點(diǎn)內(nèi)均有氣泡出現(xiàn)。圖片顯示，這些氣泡的尺寸（約為焊節(jié)橫截面積的5%）和出現(xiàn)頻率（每個(gè)焊節(jié)一個(gè)）基本一致。因此，這樣的氣泡可以為球柵陣列的IPC-7095標(biāo)準(zhǔn)所接受。一般PCB底墊上的焊節(jié)氣泡都小到可以忽略不計(jì)。

通過(guò)觀測(cè)典型組裝件的橫截面我們可以研究焊節(jié)質(zhì)量、高度，用X射線可以觀測(cè)氣泡情況。橫截面顯示焊料隆點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)PCB底墊的分布大小正好，可形成崩潰和冶金結(jié)合性能都很棒的焊點(diǎn)。形成導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)的焊節(jié)，其橫截面顯示X射線所觀察到的無(wú)數(shù)氣泡是回流過(guò)程中被截留在導(dǎo)通孔中的氣體形成的，因?yàn)樵诙鄶?shù)情況下，雖然焊料被涂布在導(dǎo)通孔的底部和邊墻上，還是有一些氣泡會(huì)留在孔中。在器件直接置于通孔之上的接觸墊周?chē)?，氣泡出現(xiàn)的概率較小，這樣通孔就可以完全被焊料填滿。通常，氣泡的尺寸與通孔的尺寸大小相當(dāng)。圖2顯示了焊點(diǎn)的橫截面圖。

焊節(jié)高度用激光輪廓測(cè)定儀結(jié)合橫截面分析來(lái)測(cè)量。高度對(duì)于封裝重量、I/O管腳數(shù)、焊球大小、PCB底墊尺寸、焊膏量以及其他參數(shù)都有影響。測(cè)量結(jié)果強(qiáng)烈的顯示出熔接法貼裝器件的焊節(jié)高度與PCB底墊的尺寸成反比。當(dāng)?shù)讐|尺寸減小的時(shí)候，可用于焊接的實(shí)際底墊面積也會(huì)減小。為了減小因焊球在板面上鋪開(kāi)而使焊料污染PCB底墊的情況，焊節(jié)高度就要增加。而焊膏法貼裝沒(méi)有這種情況出現(xiàn)。事實(shí)上，在底墊尺寸分別為0.011、0.013和0.015〃的PCB上以焊膏法貼裝器件并沒(méi)有觀察到焊點(diǎn)高度有什么顯著不同。這是因?yàn)樵囼?yàn)中所用的模板在PCB上引入了大縫隙從而增大了底墊面積，于是需要運(yùn)用更多的焊膏來(lái)填補(bǔ)增加的可焊面積。不過(guò)總的來(lái)說(shuō)，焊膏法比相應(yīng)的熔接法產(chǎn)生的焊球更高。我們?cè)诒?中對(duì)焊節(jié)高度情況作了總結(jié)。

可靠性分析

電子組件或獨(dú)立器件的可靠性是指“在一個(gè)期望時(shí)間段內(nèi)器件在可接受的失效概率下正常工作的能力”?？諏?duì)空加速測(cè)試是檢測(cè)電子器件可靠性的常用方法之一。它的目的是加速二級(jí)焊料的機(jī)械疲勞失效時(shí)間，其機(jī)能通常是場(chǎng)失效。

試驗(yàn)中采用的測(cè)試方法是20分鐘的0/100℃空對(duì)空熱循環(huán)法。每個(gè)循環(huán)中會(huì)分別在一個(gè)溫度極限停留5分鐘，然后以20℃/分的轉(zhuǎn)換速率變化到另一溫度極限。

測(cè)試樣品放置在原位，以一個(gè)256信道的事件探測(cè)系統(tǒng)（EDS）監(jiān)測(cè)著。EDS可編程用來(lái)記錄“事件”的發(fā)生，即循環(huán)地在短間隔200ns的時(shí)間范圍內(nèi)檢查電阻是否超過(guò)了300歐姆。在一個(gè)循環(huán)中，一個(gè)“事件”被探測(cè)到后，如用IPC-SM-785又驗(yàn)證到了9個(gè)相同“事件”，我們就可以確定器件發(fā)生了失效。

為減少組裝件進(jìn)一步損壞，我們?cè)跓嵫h(huán)過(guò)程中通常會(huì)去除這些失效點(diǎn)。用電子探針測(cè)試出現(xiàn)問(wèn)題的板子，將可疑的失效點(diǎn)隔離起來(lái)，然后在失效點(diǎn)將組裝件從衡截面切開(kāi)，用顯微鏡檢測(cè)。

每個(gè)樣品的可靠性都以完成熱循環(huán)測(cè)試的情況來(lái)表征。封裝可靠性，即壽命，通常以樣品上63.2%的焊點(diǎn)發(fā)生失效時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)描述。這些數(shù)據(jù)包括2維參數(shù)的威布爾故障數(shù)據(jù)分析，它為我們提供了壽命（N63.2）和其他信息——適合度（fit）、斜率(slope)和失效初始態(tài)(N01)。適合度描述了數(shù)據(jù)對(duì)直線的偏離。單個(gè)機(jī)械疲勞失效的適合度通常為0.900或更大一點(diǎn)。斜率，即β值，描述了樣品的連續(xù)失效率。斜率越大，疲勞失效率越大，斜率小于1定義為非失效情況。初始態(tài)描述了在一個(gè)循環(huán)時(shí)間內(nèi)1%的樣品失效的情況。軟件包用測(cè)量可靠性的傳統(tǒng)“排序回歸法”形成威布爾圖。我們通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行可靠性分析：

·常規(guī)底墊和導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)的比較；

·焊膏組裝和焊劑組裝的比較；

·PCB底墊的不同尺寸。

結(jié)果和失效分析熱循環(huán)試驗(yàn)中用了72個(gè)封裝器件。次失效發(fā)生在第309個(gè)循環(huán)。圓晶級(jí)封裝用焊膏裝配在0.013"的普通底墊上，失效位置已用電學(xué)方法確定，但是截面分析卻沒(méi)能找出早期失效的原因。焊點(diǎn)的二級(jí)失效繼續(xù)發(fā)生，但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)有疲勞跡象。第二次失效發(fā)生在第1756個(gè)熱循環(huán)，可確定由二級(jí)焊料疲勞造成。（圖3）

早期失效對(duì)于圓晶級(jí)封裝的可靠性分析有顯著影響。在威布爾故障數(shù)據(jù)分析中組裝件的N01預(yù)期值為1098（第1098個(gè)熱循環(huán)）。而實(shí)際上N01通常為1500。不過(guò)，早期失效對(duì)于N63.2的值沒(méi)有多少影響（3035vs3008）。威布爾可靠性分析數(shù)據(jù)列于表2。這里請(qǐng)注意，早期失效數(shù)據(jù)不包括分析結(jié)果，因?yàn)楝F(xiàn)在失效機(jī)理還沒(méi)有很好地確定。

分析表2的數(shù)據(jù)我們可以看到以下趨勢(shì)：

·以導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)組裝器件，其N(xiāo)63.2比在一般底墊上裝配高16%。假設(shè)分析發(fā)現(xiàn)兩者間差別顯著。

·減小底墊的尺寸可以增加焊節(jié)的可靠性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)底墊尺寸從0.015減小到0.011〃可使N63.2平均增加35%。假設(shè)分析發(fā)現(xiàn)這種差別非常顯著。

·用焊膏法或熔接法貼裝器件對(duì)可靠性影響不大（對(duì)于同一種底墊）。熔接法組裝的N63.2的值稍大一點(diǎn)。

橫截面分析顯示封裝失效模型主要由焊料疲勞引起。疲勞失效發(fā)生在器件接觸腳附近的焊料塊中，與板子底墊的尺寸和類(lèi)型無(wú)關(guān)。疲勞裂紋非常細(xì)小，從焊節(jié)外圍拐角處開(kāi)始，向中心延伸。

失效樣本的電學(xué)測(cè)試顯示焊點(diǎn)在封裝外圍拐角上發(fā)生嚴(yán)重疲勞，