集成電路封裝中焊球強度及可靠性研究.pdf

1、在超深亞微米集成電路技術(shù)中，由于工藝日趨微小，技術(shù)發(fā)展日新月異，對可靠性的要求也約來越高，而作為后端技術(shù)的封裝工藝對產(chǎn)品可靠性的影響也變得越來越大。因為隨著集成電路特征尺寸的減小，IC封裝的焊墊間距正變得越來越小，為此，半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家不得不減少焊球的尺寸。焊球尺寸的減小導(dǎo)致了焊球強度也隨之降低。為了提高產(chǎn)品的可靠性，不僅要保證起始的焊接強度，而且還應(yīng)該避免過度的、不均衡的合金層生長，避免產(chǎn)品在終端用戶中出現(xiàn)薄弱的界面層。因此，研究集成電

2、路封裝中合金生長對焊球強度的影響及其可靠性具有重要的應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)意義。 本文針對目前IC封裝中最常用的金焊球、無鉛和含鉛焊球，通過高溫儲存、溫度循環(huán)、冷熱沖擊和壓力蒸煮等各種加速試驗方法，研究了合金生長對焊球推力的影響，以及相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)變化和失效機(jī)理。 研究發(fā)現(xiàn)金球焊接的質(zhì)量是由合金相覆蓋面積決定的。覆蓋面積大的結(jié)合強度也會大，隨著熱老化的實施，結(jié)合強度進(jìn)一步增加，這種焊接結(jié)合在經(jīng)過長時間試驗后，拉力測試仍然穩(wěn)定。試

3、驗表明，初始推力強度為5.5g/mil<'2>，覆蓋面積為63％的樣品被認(rèn)為是保持焊接穩(wěn)定的最低條件。 高焊接強度的2N樣品在試驗中顯示了比4N樣品的更好的特性。在5000小時后，2N的空洞顯示比4N的空洞更聚集。單純焊接后的高推力(>5.5g/mil<'2>)并不能保證長期的可靠性。因為能達(dá)到>5.5g/mil<'2>推力的并不能保證合金相的覆蓋面積，因此需滿足兩者才能保證產(chǎn)品的長期的可靠性。Kirkendall空洞是合金相生

4、長的固有特性。焊接不良的樣品在Au-合金相的界面有高聚集度的大空洞，從而導(dǎo)致熱處理后焊球推力的下降。而焊接良好的樣品則呈現(xiàn)了很少的空洞，并且在長期的試驗后仍然保持了好的穩(wěn)定性。 高溫儲存試驗、溫度循環(huán)試驗、冷熱沖擊試驗和壓力蒸煮試驗結(jié)果證實，封裝以后和前處理以后，無鉛和有鉛的錫焊球推力數(shù)值相接近。在可靠性加速試驗過程中，無鉛和有鉛兩種焊球的推力數(shù)值都有不同程度的衰減。但是加速試驗表明有鉛焊球的衰減更為嚴(yán)重，因此試驗結(jié)束后，無鉛焊

5、球的推力比有鉛焊球的推力數(shù)值高21％～38％。 SEM分析表明，脆化失效模式是錫球推力嚴(yán)重衰減的關(guān)鍵失效模式，裂化發(fā)生在最弱的界面。在焊接點上有鉛的金-錫-鎳合金層的形成減弱了錫球的推力，但在無鉛產(chǎn)品中卻沒有這種現(xiàn)象。分析表明有兩種可能的原因使得無鉛產(chǎn)品在焊點附近不能生成金-錫-鎳合金。一個是在純錫系統(tǒng)中金的擴(kuò)散速率比錫-鉛系統(tǒng)的擴(kuò)散速率要慢很多。另一個是金-錫合金被Ag-Sn或Cu-Sn顆粒俘獲，在長時間的可靠性試驗中，在焊接點上重新