焊點尺度對微互連的熱疲勞可靠性影響

王丙鵬 錢銀海 李國俊 王東 田野

摘 要：【目的】研究焊點尺度對微互連的熱疲勞可靠性的影響，【方法】采用有限元模擬法結合試驗來研究不同尺度焊點在熱循環載荷下的可靠性。【結果】模擬結果表明，同位置小尺寸焊點封裝體的位移和焊點的累積塑性應變能密度均高于大尺度焊點，且最外側焊點的數值最高，為最容易失效的關鍵焊點。關鍵焊點上累積的塑性應變能密度集中在焊盤和釬料接觸界面的邊角處，向內會逐漸減小，表明裂縫會在邊角處出現并向內延伸，與試驗結果吻合。【結論】根據Darveaux壽命模型，大尺度焊點的壽命要高于小尺度焊點。

關鍵詞：不同尺度；焊點；有限元分析；熱循環

中圖分類號：TG454? ? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0031-04

Abstract：[Purposes] To study the influence of solder joint size on the thermal fatigue reliability of micro-interconnection. [Methods] Uses finite element simulation method combined with experiments to study the reliability of different scale solder joints under thermal cycle load.[Findings] The simulation results show that the displacement of the small-size solder joint package at the same position and the cumulative plastic strain energy density of the solder joints are higher than those of the large-scale solder joints， and the outermost solder joints have the highest value and are the most vulnerable key solder joints. The cumulative plastic strain energy density on the key solder joints is concentrated at the corners of the pad and solder contact interface and gradually decreases inwards， indicating that cracks will appear at the corners and extend inwards， which is consistent with the test results. [Conclusions] According to the Darveaux life model， the life of large-scale solder joints is higher than that of small-scale solder joints.

Keywords： different scales; solder joints; finite element analysis; thermal cycle

0 引言

隨著微電子產品向多功能化和微小化方向發展，微電子封裝體積也越來越小，封裝間距和焊點尺寸在迅速減小。倒裝芯片中不同材料的熱膨脹系數相差較大，在熱循環環境中易因熱失配導致焊點早期失效，小尺寸焊點將承受更高的應力和更大的應變［1］，熱疲勞問題成為影響焊點可靠性的最顯著問題［2］。因此，研究焊點尺度對焊點熱疲勞的影響具有非常重要的意義。

目前，已有學者對熱循環條件下焊點可靠性進行研究。孫勤潤等［3］通過有限元仿真確定芯片邊角焊點為熱失效的關鍵焊點，用田口法來優化焊點結構；熊明月等［4］通過有限元試驗發現，焊點材料和焊點高度是影響熱循環塑性應變能密度的重要因素。其他學者部分研究結果［5-6］也表明，焊點尺寸對熱疲勞可靠性有著重要影響，但不同尺寸焊點在熱循環下的失效機理和壽命評估仍要進行系統性研究。

本研究通過有限元模擬試驗對倒裝封裝焊點在熱循環下的可靠性進行研究，研究焊點在熱循環條件下的失效模式和失效機理，分析不同尺寸焊點在熱循環過程累計塑性應變能的變化，通過Darveaux理論壽命模型來預測不同焊點間距下的倒裝焊點疲勞壽命，通過對比分析焊點尺寸因素對倒裝互連可靠性的影響，為倒裝焊點的微小化提供可靠性依據。

1 試驗方法

試驗采用互連間距為250 μm的Flip-Chip（FC）器件，器件硅芯片尺寸為10 mm×10 mm、焊點高度為120 μm、間距為250 μm，焊盤材料為鎳，直徑為100 μm、厚度為7 μm。基板尺寸15 mm×15 mm。當焊盤材料為銅時，厚度和直徑與鎳焊盤相同。使用鍵合機讓芯片和基板互連，用Hysol 4531填膠對芯片進行固化，對器件進行超聲和電阻檢測，確保篩選出互連良好的試驗樣品。對樣品進行熱沖擊試驗，高溫為125 ℃，低溫為-55 ℃，每間隔100次循環取出樣品，觀察焊點處的裂紋生長情況，用掃描電鏡觀察磨拋后的樣品橫截面微端形貌。

2 模型建立和計算

2.1 模型建立

倒裝芯片封裝實體模型局部截面如圖1所示，倒裝芯片由芯片、焊球、底部填充膠體、BT基板、Cu焊盤、Ni焊盤組成。本研究對250 μm、100 μm間距下不同尺寸焊點進行建模分析。所選擇的焊點間距與互連高度比例為20∶9，焊點間距與焊點直徑比例為5∶3，焊點間距越大代表焊點尺寸越大。

FC器件中焊點數量多且具有對稱性，在保證有限元模擬精確性的前提下，為節約計算時間，建立二分之一二維幾何模型，用映射網格進行網格劃分，結果如圖2所示。因焊點體積小，在圖2（a）中難以看清細節，特將邊角處的局部放大，如圖2（b）所示。

2.2 參數選擇和載荷施加

釬料選用SAC305（Sn3.5Ag0.5Cu），使用Anand本構模型進行統一粘塑性分析［3］。為更接近實際使用中焊點所經歷的溫度變化，根據美國軍標MIL-STD-883來確定熱循環溫度載荷條件，即高溫為125 ℃、低溫為-55 ℃、駐留時間為10 min、高低溫轉換時間為5 min。

3 計算結果及分析

3.1 封裝體整體位移分析

在溫度循環載荷的加載過程中，封裝體內各材料之間存在熱失配問題，導致不同材料的膨脹和收縮程度產生差異。在高溫時，由于BT基板比Si芯片的熱膨脹系數大，焊球因熱膨脹而發生剪切變形。在低溫時，焊球將受冷收縮，在相反方向發生剪切變形，經多次熱循環，芯片可能會失效。

變形在有限元中表現為位移的變化，通過位移云圖來展現。八個熱循環后，125 ℃時封裝體位移云圖如圖3所示。由圖3可知，兩種焊點間距的下封裝體位移出現相同規律，封裝體位移從左向右逐漸變大，表明位移由左到右逐漸增大，最左邊的位移最小，位移最大值出現在BT基板的最右端，100 μm焊點間距封裝體最大位移要大于250 μm，模擬結果和芯片受到熱沖擊后的翹曲現象相符［7］。

3.2 焊點上的累積塑性應變能密度分析

在熱循環條件下，溫度載荷不斷變化，焊點所受到的應變能將不斷累積。當應變能累積到一定限度后，倒裝焊點將產生裂紋，導致焊點失效。通常采用累計應變能密度來分析焊點的受損程度［8］。

八個熱循環后125 ℃時焊點累積塑性應變能密度如圖4所示。倒裝芯片中焊點的塑性應變能密度從左往右逐漸增大，最大值出現在最外側的焊點上，相同位置小尺寸焊點的累計應變能密度高于大尺寸焊點。

3.3 關鍵焊點上位移及累積塑性應變能密度分析

根據前兩個小節分析可知，受到熱載荷沖擊時，封裝體位移和焊點累積塑性應變能密度從里向外依次變大，最外側的焊點累積塑性應變能密度最大。可斷定最外側焊點容易斷裂失效，將其定義為關鍵焊點，單個焊點失效會導致整個封裝體失效，關鍵焊點的可靠性決定封裝整體的可靠性。

兩種間距關鍵焊點的位移云圖和累積應變能密度的分布規律相同，僅取250 μm間距焊點進行分析。250 μm焊點間距下八個熱循環后125 ℃時關鍵焊點的位移云圖和累積塑性應變能密度云圖如圖5所示。由圖5（a）可知，邊角焊點的位移變化從下到上逐漸變大，邊角焊點的最大位移在鎳焊盤與焊球交界面上，表明此處最易發生熱失配變形。由5（b）可知，左上角和右下角出現最大區域，表明這兩個位置累積塑性應變能密度高，焊盤和焊球交界邊角處容易產生裂紋。

熱循環后關鍵焊點的裂紋擴展如圖6所示。裂紋也是出現在左上角和右下角，向中間延伸，和累積塑性應變能密度結果一致，說明有限元模擬的合理性。

3.4 焊點壽命預測

改進后的Darveaux疲勞壽命計算見式（1）。

式中：[εn]為焊點的正應變；[W]為焊點的累積非彈性性應變能密度；[εC]為焊點的累積非彈性應變；[C1到C8]為常數；[W]、[εC] 、[εn]值可從Ansys中提取。

將數據帶入到公式中，得到兩種不同焊點間距下關鍵焊點的疲勞壽命，250 μm焊點間距疲勞壽命為1 156個循環，100 μm間距焊點疲勞壽命為288個循環。

4 結論

①熱循環下，相同位置100 μm間距封裝體的位移和焊點的累積塑性應變能密度要高于250 μm，且由內向外逐漸增加。邊角焊點在所有焊點中累積塑性應變能密度最大，最容易失效，是關鍵焊點。關鍵焊點的裂紋出現在焊盤和焊球的交界位置邊角處，并從外向內延伸。

②根據的Darveaux疲勞壽命模型，大尺寸焊點的疲勞壽命要高于小尺寸焊點，250 μm間距和100 μm間距焊點的預計壽命分別為1 156次循環和288次循環。

參考文獻：

［1］田野.熱沖擊條件下倒裝組裝微焊點的可靠性-應力應變［J］.焊接學報，2016（8）：67-70，132.

［2］湯巍，景博，黃以鋒，等.溫度與振動耦合條件下的電路板級焊點失效模式與疲勞壽命分析［J］.電子學報，2017（7）：1613-1619.

［3］孫勤潤，楊雪霞，劉昭雲，等.基于有限元仿真的BGA焊點可靠性分析［J］.電子器件，2022（4）：860-865.

［4］熊明月，張亮，劉志權，等.基于田口法的CSP器件結構優化設計［J］.焊接學報，2018（5）：51-54，131.

［5］譚廣斌，楊平，陳子夏.田口試驗法在PBGA焊點可靠性中的應用［J］.焊接學報，2008（12）：97-100，118.

［6］王建培，黃春躍，梁穎，等.基于回歸分析和遺傳算法的BGA焊點功率載荷熱應力分析與優化［J］.電子學報，2019（3）：734-740.

［7］高娜燕，陳錫鑫，仝良玉，等.倒裝焊塑封翹曲失效分析［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2020（2）：61-65.

［8］KIM J W，KIM D G，HONG W S，et al.Evaluation of solder joint reliability in flip-chip packages during accelerated testing［J］.Journal of electronic materials，2005（12）：1550-1557.