圆片级封装的板级跌落可靠性研究

圆片级封装的板级跌落可靠性研究

叶晓 陈栋 张黎 李越生 肖斐

(复旦大学 材料科学系 江阴长电先进封装有限公司)

摘要: 

圆片级封装 ( WLP) 具有尺寸小、散热性能好、封测成本低等优点，广泛应用于便携式电子产品，其在跌落、碰撞等环境下的可靠性越来越受到重视。将 WLP 器件组装到 PCB 基板上，按照 JEDEC 电子产品板级跌落实验标准进行实验，研究了 WLP 元件引脚节距、焊球尺寸、PCB 焊盘工艺等因素对样品可靠性的影响。对失效样品进行了切片制样，通过金相显微镜、能量色散 X 射线光谱 ( EDX) 和扫描电子显微镜进行了分析，研究了 WLP 器件失效机理及其与器件焊球尺寸、节距之间的关系，讨论了底部填充料对 WLP 封装可靠性的改进作用。

0 引言

圆片级封装 ( wafer level package，WLP) 具有封装尺寸小、散热性能优异、封装和测试成本低等优点，广泛应用于各类便携式电子产品。随着集成电路封装密度的不断提高，WLP 互连节距和焊球尺寸不断减小，其对 WLP 产品的可靠性的影响越来越受到关注。近年来，针对便携式电子产品容易受到冲击作用的特点，研究人员对 WLP 封装在跌落、碰撞 等 环 境 下 的 可 靠性 进 行 了 研 究。X. R. Zhang［1］研究发现，WLP 焊球阵列中边角的焊球在跌落实验过程中承受的应力最大，最容易发生失效。S. R. Amarinder 等人［2］对 WLP 跌落可靠性的研究表明，焊球尺寸和节距不变时，随着器件尺寸 ( 焊球阵列) 的增加，WLP 可靠性随之降低。J. K. Lee等人［3］对 WLP 跌落实验过程进行了实验和模拟研究，对失效样品进行分析并讨论了 WLP中经常发生的几种失效模式，提出了通过改进焊盘工艺和焊盘开口尺寸等措施达到改进WLP 可靠性的方 案。K. M. Chen［4］ 比较 了 几 种 常 见 锡 银 铜( Sn，Ag，Cu，SAC) 无铅焊料在 WLP 板级跌落实验 中 的 可 靠 性，发现 SAC105 ( Sn 为 98. 5% ，Ag 为 1% ，Cu 为 0. 5% ) 焊球具有较高的可靠性。樊平跃等人［5］研究了无铅和有铅焊料 BGA 封装在跌落实验中裂纹的扩散机制及其不同规律，介绍了失效分析的剖面法和荧光染色法。

迄今报道的 WLP 跌落可靠性的研究主要涉及了较大节距的器件，而对小节距 WLP 器件 ( 小于500 μm) 的跌落可靠性的研究较少。本文选取了节距分别为 500，400 和 300 μm 的三种 WLP 样品进行了跌落实验，比较了 WLP 器件在印制线路板( printed circuit board，PCB) 上位置、焊球节距 / 焊球尺寸、PCB 焊盘工艺对跌落实验可靠性的影响;通过 金 相 显 微 镜、 扫描 电 子 显 微 镜 ( scanning electron microscope，SEM) 及能量色散X 射线光谱( energy dispersive X-ray spectroscopy，EDX) 等手段分析了失效样品的金相剖面以研究金属间化合物( inter-metallic compound ，IMC) 结构对样品的失效机理; 进而讨论了失效模式与焊球节距 / 焊球尺寸之间的关系。

1 样品结构与实验方法

1. 1 实验样品

圆片级封装样品的焊球阵列为 12 ×12，芯片局部结构如图 1 所示，300，400 和 500 μm 节距样品的尺寸分别为 3. 6，4. 8 和 6. 0 mm，焊球为云锡无铅焊料 SAC105 ( SnAg1. 0Cu0. 5 ) 。根据节距和焊球尺寸不同，样品分为四组 ( 如表 1) 。表 1 中:l 为焊球节距; dball为焊球直径; dpad为焊盘直径

实验用 PCB 各项规格指数按照JEDEC 跌落实验标 准 ( JESD22 － B111 )［6］ 进行 设 计， 尺寸 为132 mm × 77 mm，厚度 1 mm，每块PCB 上最多能键合 15 个样品元件，如图 2 所示，图中尺寸单位为 mm。

在 PCB 焊盘上涂以薄层助焊剂 ( Cookson WS600)，使用倒装键合机将 WLP 样品焊球与 PCB 上对应焊盘对准进行贴片，在 8 温区氮气无铅回流炉中进行回流焊接 ( 回流峰值温度为 250 ℃ )，完成组装之 后，测量 并 记 录 菊 花链 电 阻 ( 平均 值 为7 Ω) 。

1. 2 实验方法

跌落实验在苏州苏试实验仪器有限公司 CL －20 液压式冲击实验台 ( 配量DSMA 冲击放大器)上进行，按照 JESD22 － B111 标准，采用的加速度峰值为 1 500 g，脉宽为 0. 5 ms。为了跟踪跌落过程中样品菊花链电阻的变化，将 150 Ω 的参考电阻与菊花链串联，并在菊花链和参考电阻两端加 5 V的恒压。利用 Agilent U2531A 高速数据采集仪 ( 最高采集速度为 106 次 / s) 监控跌落过程中参考电阻两端电压 Vi变化，根据 Ri = 150 (5 － Vi) / Vi换算得到实际菊花链的电阻值。JEDEC标准对跌落实验失效的判据为: 菊花链电阻首次超过 100 Ω，持续时间超过 1 μs，且在随后的 5 次跌落中有 3 次或者 3 次以上同样的现象，将上述这种失效定义为瞬态失效。然而此时测试跌落后的菊花链电阻，并未发生明显变化。随着跌落次数的增加，菊花链电阻会增加，并最终超过 1 000 Ω，将此时记为静态失效。通过预先在 PCB 上设计的测试焊盘结构，确定静态失效样品的失效位置，进行失效分析。

2 结果与讨论

2. 1 WLP 在 PCB 上不同位置的影响

为了比较 PCB 上不同位置的 WLP样品在跌落过程中的可靠性差异，根据对称性，在 PCB 上选取6 个点位进行实验，这 6 个点位对应于JESD22 －B111 标准 ( 如图 2 ) 的 U3 ，U7 ，U8 ，U10 ，U11 和U12 ，实验 样 品 为 P400 / B200， PCB 焊盘 工 艺 为Ni / Au，跌落实验结果如图 3 所示，纵坐标 t 为失效跌落次数，横坐标为样品位置。

11和 U12 ) 的跌落失效次数要小于靠近 PCB 中间的样品 ( U3 ，U7 ，U8 )，尤其 是 最 边 角 点位 处 的 芯 片( U11 ) 跌落次数最小，最容易失效，这是因为它与冲击平台上固定 PCB 的 4 个边孔距离最近，样品在跌落碰撞瞬间会受到一个极大的垂直于焊接界面的拉应力，这个拉应力是 PCB 通过焊球作用给WLP 样品的。在整个跌落过程中，PCB 板上靠近固定边孔的点位最先受力，并且受力最大，可以这么理解: 边角点位在跌落过程中受力大小决定于所受加速度大小，即由初始跌落速度 V0 变化为 0 所需要的时间。而最边角的 U11 是所有点位中最早到达 0 速度的，所以整个过程边角点位受到的拉应力是所有样品中最大的。S. R. Amarinder 等人［2］比较了不同点位焊球的应变大小，由大到小依次为U11 ，U3 ，U8 ，U12 ，U10 ，U7 。这与 本 实 验 可 靠 性( 由大到 小 为 U11 ，U10 ，U7 ，U12 ，U3 ，U8 ) 不完全相同，原因可能与两个实验的样品大小、焊盘制作及装配工艺条件差异等因素有关。本文的样品尺寸较小，受应变因素影响较小，相应的应力因素的影响就会变大，但最边角元件 U11 的可靠性最差的结论是一致的。

2. 2 WLP 焊球节距 /焊球尺寸的影响

为了研究焊球节距 / 焊球尺寸对WLP 跌落可靠性的影响，本文对表 1 中 4 种样品进行实验。PCB焊盘表面电镀 Ni / Au，器件组装于 U8 点位。跌落实验瞬态失效和静态失效结果的 Weibull 统计如图 4所示，横坐标 t 是跌落实验次数，纵坐标f ( x) 是累积失效概率。

f ( x) 为 63. 2% 时对应的跌落次数为器件失效的特征寿命，4 组样品的静态和瞬态特征寿命分别为 P500 / B300 (160 /122 次) 、P400 / B250 ( 132 /70 次 ) 、 P400 / B200 ( 100 /59 次 ) 、 P300 / B150(74 /43 次) 。可以看出，随着样品节距 / 焊球尺寸变小，元件的特征失效寿命减小; 当样品节距相同时，大尺寸焊球元件 ( P400 / B250) 的跌落可靠性比小尺寸焊球元件 ( P400 / B200) 好。

跌落实验中样品失效判据是菊花链电阻值的增加或断路，其本质还是芯片焊球与凸点下金属之间或焊球与基板焊盘之间的两个焊接界面发生问题。以 U11 点位为例，在一次跌落过程中所受应力的传递路径为: 四角固定螺丝→PCB→PCB 焊盘侧 IMC→焊球内部→芯片侧 IMC→芯片。这其中最脆弱的环节是焊球与基板及芯片的机械连接，而提高机械连接最有效的方法就是增加焊接截面积。因此，当WLP 节距相同时，焊球直径变小，焊点强度会下降; 而当 WLP 节距和焊球直径都相同时，元件尺寸越大越容易发生失效［2］。

2. 3 PCB 焊盘工艺的影响

影响焊接机械强度的因素除了焊接截面积之外，还和 IMC 的成分、形貌有关，不同的焊盘金属化与焊球会形成不同的 IMC 层。PCB 焊盘表面工艺 较 为 常 用 的 是 有 机 保 焊 膜 ( organic solderability preservatives，OSP) 和镀 Ni / Au。OSP工艺是在裸铜焊盘表面涂覆一层有机保护膜防止铜氧化，可焊性一般，但是焊接后的机械可靠性较好; 而 Ni / Au 工艺则是在铜 焊 盘 上 电 镀 Ni ( 6 ～8 μm) 和少量 Au，其特点是可焊性好，但焊接的机械强度一般。本文比较了两种不同焊盘工艺对跌落可靠性的影响，WLP 器件为 P300 / B150，OSP焊盘工艺的样品记为 P300 / B150 － OSP，Ni / Au 焊盘工艺的样品记为 P300 / B150 － Ni / Au。跌落实验结果的 Weibull 统计如图 5 所示。

由 Weibull 分布可 知，P300 / B150 － OSP 样品的瞬态和静态特征寿命分别为 61次和 101 次，而P300 / B150 － Ni / Au 样品则为分别为 43 次和 74 次，OSP 焊盘样品的可靠性明显优于 Ni / Au 焊盘。利用 SEM / EDX 对 PCB 端 IMC 层进行了金属成分分析，结果如图 6 和图 7所示。图 6 中 OSP 焊盘与焊球形成的 IMC 是扇贝形状，厚度约为 4 μm，其主要成分 Cu6 Sn5 ，这是一种较为稳定且连接强度较高的 IMC 成分，SEM 分析没有发现Cu3 Sn。图7 中是 Ni / Au 焊盘 及 IMC 的剖 面 图，可以 看 出，IMC 与焊球之间没有明显的界面，IMC 平均厚度约为 6 μm，但是局部位置 IMC 深入焊球内部，这种IMC 的结构较为松散，机械强度也较弱。何明敏等人［7］对 Ni / Au 焊盘与焊球在回流中形成 IMC 的过程进 行 了 研 究， 发现 焊 接 结 束 后 界 面 处 存在( Cu1 －p － qAup Niq ) 6 Sn5 和 ( Ni，Cu) 3 Sn4 两种IMCs，这种情况被认为有效地避免了金脆现象的产生。但是由于 (Cu1 －p － qAup Niq) 6Sn5是一种结构相对比较复杂的四元金属间化合物，它会导致金属间化合物的连续性遭到破坏，因而可靠性不如 OSP 焊盘端形成的 Cu6Sn5。对本实验 Ni / Au 焊盘 IMC 成分进行EDX 分析，其组成接近于(Cu0. 77Au0. 1Ni0. 13) 6Sn5，未发现有明显的 ( Ni，Cu) 3 Sn4 存在。

2. 4 失效机理分析

分析跌落实验中样品的受力过程，导致样品失效的主要因素有以下几种。

①应力因素: 样品在跌落瞬间受到一个极大的垂直于 IMC 界面的拉应力，它通过 PCB 焊盘 IMC界面传递给焊球，再经焊球和凸点下金属传递到芯片。

②应变因素: PCB 在跌落碰撞的机械冲击下产生往复弯曲，其形变对芯片边角的焊球施加拉伸、压缩应力以及平行于 IMC 和凸点下金属界面的剪切应力。

由于瞬态失效样品中不存在明显的裂纹或失效痕迹，为了研究 WLP 在跌落实验中的失效机理，主要对静态失效样品进行了失效分析，几种常见的失效模式如图 8 所示。

在跌落碰撞瞬间，冲击力由基板经过焊球传递到芯片，基板与焊球的连接处首先受到冲击，对于小尺寸焊球 WLP 样品，PCB 与焊球的焊接界面小，PCB 侧 IMC 较为脆弱，耐受拉伸和剪切应力的能力不如大焊球 / 焊盘，因而在拉应力和剪切应力的共同作用下，IMC 层中容易出现裂纹并扩展断裂，表现为如图 8 ( a) 所示的失效。IMC 层裂纹的扩展并不完全在 IMC 内进行，当裂纹扩展进入焊球后，就会出现导致焊球断裂的失效 ( 如图 8 ( b)所示) 。

随着芯片节距增大，焊球与基板焊盘焊接面积相应增加，PCB 侧 IMC 层能够耐受一定的冲击力，不再是样品焊接中最脆弱的部分，跌落冲击应力能够经焊球传递到芯片端焊盘与硅片的连接部位，造成芯片与焊盘之间 UBM 层断裂、或 UBM 与 Cu 焊盘之间连接断裂 ( 如图 8 ( c) 所示) 。此外，发生在硅片上的断裂也可以观察到，此时硅片 / 焊盘界面是完好的，如图 8 ( d) 所示。这种失效很可能是硅片 / 焊盘接触处先出现裂纹，然后裂纹扩展进入硅片导致断裂。

在众多失效样品中，没有发现单一发生在焊球内部的裂纹，裂纹总是在 IMC 层开始产生，说明IMC 层相对与 SAC105 焊料而言更脆弱。在实验中还发现 WLP 样品在跌落实验中主要在边角焊球失效，这与 J. K. Lee 等人［3］通过有限元模拟得到的边角焊球在跌落过程中受到的应力和应变最大的结论是一致的。J. E. Luan 等人［8］的研究表明应力主要集中焊球的上下两端，即焊球 / 芯片、或焊球 / PCB 的界面处，这与本实验最易发生失效的位置吻合。

综上所述，WLP 在跌落实验中的失效可以总结为如图 9 所示的 4 种模式: ①PCB 侧 IMC 断裂;②PCB 侧 IMC 裂纹并扩散进入焊球内部所发生的断裂; ③芯片端焊盘与芯片连接断裂; ④芯片在与焊盘相连处的断裂。

对于不同节距的 WLP 器件，其板级跌落的失效模 式 会 有 不 同。小节 距 / 小焊 球 ( P300 / B150 )元件的失效基本表现为模式①和②; 大节距 / 大焊球 ( P500 / B300) 器件的失效主要表现为模式③和④; 而对于400 μm节距的元件，失效模式① ～ ④均有可能发生。

由于 WLP 在跌落实验中的失效主要发生在边角焊球与基板或芯片的连接上，因而可以通过底部填充的方法增强 WLP 机械连接的可靠性。为此，在 WLP 器件与基板之间填充底部填充料 ( ZYMETX6 － 82 －5LV) 后，再进行跌落实验，结果表明样品跌落可靠性明显增加。以 U11 点位为例，有底部

填充料的 P300 / B150 －OSP 样品瞬态 失 效 次 数 为(395 ± 25 ) 次，远高 于 没 有 底 部 填 充 料样 品 的61 次。虽然使用底部填充技术可以提高 WLP 样品承受跌落过程中应力和应变冲击的能力，但是会增加工艺步骤和成本。

3 结论

本文研究了圆片级封装节距、焊球尺寸和 PCB焊盘工艺等因素对小节距 WLP 板级跌落可靠性的影响，并通过多种分析手段对失效模式和机理进行了分析。WLP 焊球阵列一定时，随样品节距 / 焊球直径减小，跌落可靠性下降; 而样品节距相同时，焊球尺寸减小，跌落可靠性下降。WLP 样品跌落失效模式与节距 / 焊球尺寸相关: 大节距 / 焊球样品(500 μm) 的失效主要发生在芯片与焊盘的连接处，而小节距 / 焊球样品 (300 μm) 的失效主要发生在PCB 焊盘与焊球形成的 IMC 附近。在 WLP 芯片和基板间填充底部填充料可以改善 WLP 板级跌落可靠性。