倒裝芯片與OSP銅焊盤組裝焊點的界面反應(yīng)及可靠性研究.pdf

1、在電子市場的需求下,多功能、高密度、低成本以及微型化電子產(chǎn)品成為發(fā)展的主要方向。裸芯片通過焊點直接組裝到電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)中,省去傳統(tǒng)組裝工藝的封裝過程,即直接進行高密度的板卡組裝,這一過程縮小了組裝體積,減少了工藝步驟,因此能夠減小電子產(chǎn)品尺寸和降低工藝成本,特別是細間距倒裝芯片組裝。Ni\Au和OSP是目前工業(yè)界應(yīng)用較廣泛的焊盤界面保護層,在傳統(tǒng)的封裝工藝中,由于芯片在封裝、組裝及返修過程中需要經(jīng)歷多次回流,因此多選用Ni\Au;而OS

2、P較之Ni\Au簡化了工藝流程和降低了成本,因此是電子組裝中基板側(cè)Cu焊盤的理想選擇。
　　盡管倒裝芯片組裝具有上述優(yōu)點,但裸芯片和PCB的CTE相差較大,在運行及熱循環(huán)環(huán)境中易因熱失配而導(dǎo)致焊點失效,特別是細間距倒裝焊點承受著更高的應(yīng)力和應(yīng)變。此外,倒裝焊點尺寸小,焊點的微觀組織在運行和可靠性環(huán)境中會發(fā)生較大改變,而焊點的微觀組織改變會導(dǎo)致新的可靠性問題出現(xiàn)。
　　本論文的研究目的:為細間距(100μm)倒裝芯片通過微小焊

3、點直接組裝到PCB基板上,且基板側(cè)和芯片側(cè)焊盤保護層分別為OSP和Ni\Au,做一定的基礎(chǔ)理論研究;同時選用較大間距(200μm)倒裝芯片,采用相同的保護層、工藝、組裝結(jié)構(gòu)以及可靠性試驗,與細間距倒裝組裝焊點對比,評估倒裝組裝焊點尺寸效應(yīng)對焊點微觀組織和可靠性的影響;最后通過基礎(chǔ)理論研究、可靠性試驗以及對比大間距倒裝芯片組裝的可靠性評估100μm倒裝芯片組裝在工業(yè)上應(yīng)用的可行性。研究思路和內(nèi)容為:采用焊點間距分別為100μm和200μm

4、的倒裝芯片組裝,研究在回流過程、熱時效和熱沖擊過程中焊點界面和基體中IMC生長和演變,探討尺寸效應(yīng)對焊點IMC生長和演化的影響;研究異質(zhì)焊盤界面原子的交互作用對IMC生長和演化影響;研究焊點在熱沖擊條件下裂紋的萌生和生長、裂紋生長機理以及尺寸效應(yīng)對焊點裂紋生長機影響,并評估IMC對焊點可靠性的影響;建立三維有限元模型對焊點承受的力學(xué)行為進行模擬,獲得評估焊點失效的損傷尺度。此外,利用威布爾分布概率統(tǒng)計,評估兩種倒裝芯片組裝在熱沖擊條件下

5、的可靠性壽命;利用Darveaux理論壽命預(yù)測模型評估焊點壽命,并建立壽命預(yù)測模型。最后評估細間距(100μm)倒裝芯片組裝,且基板側(cè)Cu/OSP,應(yīng)用到工業(yè)上的可行性。研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　研究凸點制備回流及組裝互連回流過程結(jié)果顯示:在凸點制備回流過程中,由于凸點的尺寸效應(yīng),在100μm間距凸點Ni焊盤界面上形成的主要IMC為(Ni,Cu)3Sn4,呈長針狀;而在200μm間距凸點Ni焊盤界面上形成的主要IMC為(Cu,Ni

6、)6Sn5,呈標(biāo)準的鉆石狀,在其下面形成了一薄層(Ni,Cu)3Sn4,呈團聚的顆粒狀。通過反應(yīng)前后Cu原子的質(zhì)量守恒公式可算出,在100μm和200μm間距焊點中Cu原子在回流反應(yīng)后的殘余量分別為0.15％和0.31%,結(jié)合相圖分析可知焊點中Cu原子的殘余含量決定著界面主要IMC的種類和形貌?；ミB回流過程中,在Ni焊盤界面上,由于Cu焊盤界面Cu原子的交互作用,100μm間距焊點界面上的主要IMC(Ni,Cu)3Sn4轉(zhuǎn)化成(Cu,N

7、i)6Sn5,晶粒形貌轉(zhuǎn)化成細棒狀;200μm間距焊點界面上IMC種類沒有發(fā)生變化,但主要IMC(Cu,Ni)6Sn5厚度和晶粒數(shù)目增加明顯;在Cu焊盤界面上,兩種尺寸焊點中均形成了(Cu,Ni)6Sn5,但200μm焊點中的棒狀(Cu,Ni)6Sn5更長,且(Cu,Ni)6Sn5中存在著很多微孔。
　　熱時效過程結(jié)果顯示:在Ni焊盤界面上,對于100μm間距焊點,短的互連高度縮短了Cu原子從Cu焊盤界面擴散到Ni焊盤界面的擴散距

8、離,導(dǎo)致了Ni焊盤界面上的(Ni,Cu)3Sn4全部轉(zhuǎn)化成(Cu,Ni)6Sn5。在Cu焊盤界面上,對于兩種尺寸焊點,由于Cu焊盤界面(Cu,Ni)6Sn5中Ni原子對Cu3Sn的抑制作用,在時效過程中Cu3Sn生長很慢。同時兩種尺寸焊點兩側(cè)界面IMC生長速率先快后緩,Cu焊盤界面IMC生長速率遠高于Ni焊盤界面,100μm間距焊點界面IMC生長速率高于200μm間距焊點界面。IMC生長動力學(xué)研究表明,兩種尺寸焊點界面IMC的生長均為界

9、面原子擴散控制,100μm和200μm間距焊點Cu焊盤界面(Cu,Ni)6Sn5生長的熱激活能分別為67.89kJ/mol和77.68kJ/mol。
　　熱沖擊過程結(jié)果顯示:熱沖擊過程中兩種尺寸焊點雙側(cè)焊盤界面IMC的生長和演化趨勢與熱時效過程相似,然而界面和焊料基體中IMC的尺寸明顯增大,通過有限元模擬可知,熱沖擊過程中焊點承受著更高應(yīng)力,高應(yīng)力促進了IMC的生長。焊點的尺寸效應(yīng)對IMC影響研究發(fā)現(xiàn),100μm間距焊點界面和焊料

10、基體中IMC的生長速率要明顯高于200μm間距焊點,通過有限元模擬可知,小尺寸焊點承受更大的應(yīng)力,因此促進了IMC的生長。IMC生長動力學(xué)研究可知:100un間距焊點界面IMC生長的動力學(xué)時間常數(shù)n和生長系數(shù)D分別為2.47和0.203μm/h1/2,200μm間距分別為2.18和0.104μm/h1/2,由此可知熱沖擊條件下Cu焊盤界面IMC生長受界面原子擴散控制。
　　熱沖擊條件下焊點的可靠性研究結(jié)果顯示:對于100μm間距焊

11、點,焊點失效屬于疲勞裂紋失效,通過有限元模擬讀出焊點的損傷尺度,利用損傷尺度在焊點上的分布分析了裂紋的生長,與實驗結(jié)果非常一致。此外,從金屬學(xué)原理的位錯和回復(fù)與再結(jié)晶角度分析了100μm間距焊點的失效機理,可以推斷熱沖擊條件下大量位錯在芯片側(cè)焊盤和焊料基體間的界面處聚集以及回復(fù)再結(jié)晶導(dǎo)致Sn晶粒的增多是導(dǎo)致裂紋萌生和擴展的主要原因。而200μm間距焊點,失效屬于提前脆性裂紋失效,機理分析可知Ni焊盤上大量顆粒狀團聚的(Ni,Cu)3Sn

12、4增加了界面能,為裂紋的生長提供能量;P等雜質(zhì)擴散至(Ni,Cu)3Sn4界面降低了界面的粘結(jié)性,為裂紋的生長提供位置;芯片側(cè)Ni焊盤界面處于高應(yīng)力集中狀態(tài)為裂紋生長提供驅(qū)動力。根據(jù)威布爾分布壽命統(tǒng)計可知焊點間距為100μm和200μm倒裝芯片組裝的特征壽命分別是4714次和6217次;根據(jù)Darveaux壽命預(yù)測模型計算100μm和200μm間距邊角倒裝焊點的壽命分別為6171次和7227次;100μm間距焊點Darveaux壽命預(yù)測

13、模型常數(shù)K1,K2,K3和K4分別為1648.96、-0.2349、0.00479和-0.7004,200μm間距焊點Darveaux壽命預(yù)測模型常數(shù)K1,K2,K3和K4分別為551.6975、-1.1095、0.2362和1.5477。
　　通過研究結(jié)果可知,采用100μm細間距倒裝芯片組裝,并選用OSP和Ni/Au分別作為基板側(cè)和芯片側(cè)焊盤保護層,應(yīng)用于電子產(chǎn)品的組裝中是可行的。需要注意的是,本課題主要關(guān)注倒裝芯片直接完成與