封裝體疊層中堆疊焊球的可靠性研究

轉自：半導體封裝工程師之家；作者/來源于：海綿寶寶的耳朵

張旻澍宋復斌

（廈門理工學院材料科學與工程學院天弘科技有限公司）

摘要:

針對封裝體疊層中的堆疊焊球進行了有限元建模和應力分析，評估了TMV堆疊焊球這種新型焊接方式可能帶來的可靠性隱患。通過仿真結果發(fā)現(xiàn)，堆疊焊球的應力集中比底部焊球更加嚴重，這說明熱疲勞失效更容易發(fā)生在塑封膠穿孔中的堆疊焊球上，而原本針對底部焊球的可靠性測試標準則需要做出新的調整。此外，在兩種不同的堆疊焊球成型中，雪人式焊球的應力集中比較水桶狀焊球更加嚴重。通過參數(shù)研究可以發(fā)現(xiàn)，緊縮區(qū)域的寬窄程度是造成雪人式焊球應力集中的關鍵因素。

封裝體疊層（PoP）技術是目前工業(yè)界主流的三維封裝技術之一，然而電子元器件本身的熱翹曲容易造成PoP上層器件與下層器件之間的冷（虛）焊。因此，塑封膠穿孔式焊接（TMV）大量運用在PoP中。它一方面作為PoP上下層器件的主要連接方式，另一方面可以有效控制PoP的熱翹曲。然而，比較傳統(tǒng)球柵陣列器件（BGA）的焊球來看，這種新型的TMV堆疊焊球在成型過程、焊球形狀和焊球體積等方面都有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)BGA焊球無論是在質量檢測（如推拉力測試等），還是在長期可靠性分析上（如加速溫循測試、跌落測試等），都有大量的研究數(shù)據(jù)和工業(yè)測試標準?？墒荘oP技術近年來才廣泛應用于工業(yè)生產中，其TMV中堆疊焊球的可靠性報告很難找到。目前，工業(yè)界仍然沿用傳統(tǒng)的可靠性測試標準，這大大增加了PoP的可靠性隱患。因此，為了彌補這方面空白，筆者選取了某款工業(yè)用PoP器件，并針對TMV堆疊焊球的可靠性進行初步而全面的分析。

1堆疊焊球的球型分析

運用了TMV技術的PoP示意圖如圖1所示，它的表面貼裝過程如圖2所示。首先，下層器件的底部焊球涂抹助焊劑后放置于PCB板上。其次，再在下層器件上堆疊上層器件，然后一起通過回流焊。其中，上層器件的底部焊球對應擺放在下層器件TMV中的焊球上，通過這樣堆疊焊球的方式，完成上下器件的連接。最后，為底部器件注入填充膠。

TMV中的堆疊焊球在經(jīng)歷回流焊工藝后，由于上層器件的熱翹曲，堆疊焊球呈現(xiàn)出不一致的焊接成型，如圖3所示。結合圖1來看，靠近器件角落的堆疊焊球由于熱翹曲度相對最小，上下焊球的融合比較好，因此焊接成型呈現(xiàn)出水桶狀（bucketsolderjoint）；而靠近器件中間的堆疊焊球由于熱翹曲度相對最大，上下焊球的融合比較差，因此焊接成型呈現(xiàn)出雪人式的堆疊狀態(tài)（snowmansolderjoint）。根據(jù)幾何形狀，可以將TMV焊球歸納為兩類，如圖4所示。其中，R1表示水桶狀焊球的寬(W1)/高(h1)比例，R2表示雪人式焊球頸縮區(qū)寬(W2)/焊盤寬（Wp）的比例。從外觀來看，水桶狀焊球成型更加接近傳統(tǒng)BGA器件的焊球成型，而雪人式焊球則多了一個頸縮區(qū)域。從固體力學的角度可以預判，幾何畸形處（頸縮處）必然會造成應力集中，也因此會造成新的焊球可靠性隱患。

需要指出的是，為了便于讀者閱讀理解，圖3的B-B截面示意圖適當放大了器件的熱翹曲度，并減少了焊球組數(shù)。實際中，PoP器件的熱翹曲小于示意圖中的變形量，而TMV的焊球數(shù)量也遠不止7組,并且底部焊球還有填充膠的覆蓋。

2雪人式焊球的仿真建模

由于在幾何建模中預先構建PoP器件的熱翹曲很難實現(xiàn)，在同一模型中建立不同焊接成型也非常復雜。因此，本文進行了如下幾點模型簡化：

（1）雪人式焊球的仿真建模選取A-A截面，因為雪人式焊球總是出現(xiàn)在TMV焊球的中段。

（2）省略了銅焊盤和芯片底部焊球的建模。

（3）利用器件的對稱條件建立1/2模型，并假設模型熱場分布均勻，可以施加整體熱載荷。

（4）忽略PoP器件的初始熱翹曲。

模型的材料屬性如表1所示，A-A截面的有限元模型和邊界條件等如圖5所示。焊球的等效應力云圖如圖6所示。通過圖6上下兩排焊球的應力對比可以發(fā)現(xiàn)，雪人式焊球（上排）的應力集中比較底部焊球（下排）嚴重，而且最大等效應力出現(xiàn)在雪人式焊球與PoP上層器件的交界處。

3水桶狀焊球的仿真建模

水桶狀焊球的仿真亦采用了類似的簡化：

（1）水桶狀焊球的仿真建模選取B-B截面，并假設TMV中的焊球成型一致，因為無論TMV中段的焊球成型如何，總是最邊緣焊球熱變形最嚴重，而水桶狀焊球總是出現(xiàn)在最邊緣處。

（2）省略了銅焊盤的建模。

（3）利用器件的對稱條件建立1/2模型，并假設模型熱場分布均勻，可以施加整體熱載荷。

（4）忽略PoP器件的初始熱翹曲。

模型的材料屬性見表1，B-B截面的有限元模型和邊界條件見圖7。焊球的等效應力云圖見圖8。通過圖8上下兩排焊球的應力對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然最大等效應力出現(xiàn)在底部焊球與下層器件基底的交界處，但是以應力場整體的分布圖來看，水桶狀焊球（上排）的應力集中仍然比底部焊球（下排）嚴重。

4對比分析

對比上面的分析結果可以發(fā)現(xiàn)，最嚴重的應力集中出現(xiàn)在雪人式焊球中。這說明器件受熱應力影響下，最容易發(fā)生失效的位置是在TMV中的雪人式焊球，這也意味著針對底部焊球的傳統(tǒng)可靠性測試方法可能不再適用于TMV焊球。此外，通過對雪人式焊球緊縮區(qū)域的參數(shù)研究可以發(fā)現(xiàn)，當緊縮區(qū)域越來越窄的時候（即R2越來越小的時候），雪人式焊球的平均應力越來越大，應力集中現(xiàn)象越發(fā)嚴重，如圖9所示。尤其當R2小于1/2時，最大應力集中位置發(fā)生了變化，由雪人式焊球與上層器件基底的交界處變?yōu)檠┤耸胶盖虻木o縮處。這說明雪人式焊球的緊縮程度是造成焊接失效的關鍵。

5結論

利用簡化的有限元模型，對TMV堆疊焊球進行了應力分析和初步的可靠性評估。雖然仿真分析還不能精確預判PoP器件的熱疲勞壽命，但是通過目前的研究，仍然發(fā)現(xiàn)了TMV焊球這種新型焊接方式造成的新可靠性隱患，總結如下：

（1）TMV堆疊焊球的應力集中現(xiàn)象比底部焊球更加嚴重，這說明熱疲勞失效更容易發(fā)生在塑封膠穿孔中的堆疊焊球上，而原本針對底部焊球的可靠性測試標準則需要做出新的調整。

（2）在兩種不同的堆疊焊球成型中，雪人式焊球的應力集中現(xiàn)象比水桶狀焊球更加嚴重。

（3）緊縮區(qū)域越窄，雪人式焊球的應力集中現(xiàn)象越明顯。因此雪人式焊球的緊縮程度，是造成失效的關鍵。

免責申明：本文內容轉自：半導體封裝工程師之家；作者/來源于：海綿寶寶的耳朵。文字、素材、圖片版權等內容屬于原作者，本站轉載內容僅供大家分享學習。如果侵害了原著作人的合法權益，請及時與我們聯(lián)系，我們會安排刪除相關內容。本文內容為原作者觀點，并不代表我們贊同其觀點和（或）對其真實性負責。

AMB、AMB載板、活性釬焊、活性金屬釬焊、陶瓷覆銅板、陶瓷基板、DBC、高可靠性基板、SiC芯片載板、AMB陶瓷基板、AMB陶瓷覆銅板、DBC基板、DBC陶瓷基板、芯片載板、IC載板、碳化硅IC載板、碳化硅載板、半導體碳化硅IC載板、第三代功率半導體碳化硅IC載板、第三代功率半導體載板、第三代功率半導體基板、銀銅鈦焊膏、銀銅鈦焊片、AgCuTi活性焊膏、AgCuTi、厚銅陶瓷基板、雙面厚銅陶瓷板、銀焊膏、銀膠、銀漿、燒結銀、低溫銀膠、銀燒結、納米銀錫膏、納米銀、納米銀膏、錫銻Sn90Sb10焊料片、錫銻焊片、Sn90Sb10 Solder Preforms

廣州先藝電子科技有限公司是先進半導體連接材料制造商、電子封裝解決方案提供商，我們可根據(jù)客戶的要求定制專業(yè)配比的金、銀、銅、錫、銦等焊料合金，加工成預成形焊片，提供微電子封裝互連材料、微電子封裝互連器件和第三代功率半導體封裝材料系列產品，更多資訊請看85737.com.cn，或關注微信公眾號“先藝電子”。