封裝體疊層中堆疊焊球的可靠性研究

轉(zhuǎn)自：半導(dǎo)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(fù)斌

（廈門理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院天弘科技有限公司）

摘要:

針對(duì)封裝體疊層中的堆疊焊球進(jìn)行了有限元建模和應(yīng)力分析，評(píng)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，堆疊焊球的應(yīng)力集中比底部焊球更加嚴(yán)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(duì)底部焊球的可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)則需要做出新的調(diào)整。此外，在兩種不同的堆疊焊球成型中，雪人式焊球的應(yīng)力集中比較水桶狀焊球更加嚴(yán)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(yīng)力集中的關(guān)鍵因素。

封裝體疊層（PoP）技術(shù)是目前工業(yè)界主流的三維封裝技術(shù)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(yùn)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(zhì)量檢測(cè)（如推拉力測(cè)試等），還是在長(zhǎng)期可靠性分析上（如加速溫循測(cè)試、跌落測(cè)試等），都有大量的研究數(shù)據(jù)和工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)?？墒荘oP技術(shù)近年來才廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其TMV中堆疊焊球的可靠性報(bào)告很難找到。目前，工業(yè)界仍然沿用傳統(tǒng)的可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，這大大增加了PoP的可靠性隱患。因此，為了彌補(bǔ)這方面空白，筆者選取了某款工業(yè)用PoP器件，并針對(duì)TMV堆疊焊球的可靠性進(jìn)行初步而全面的分析。

1堆疊焊球的球型分析

運(yùn)用了TMV技術(shù)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?qū)?yīng)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(jié)合圖1來看，靠近器件角落的堆疊焊球由于熱翹曲度相對(duì)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(duì)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(gè)頸縮區(qū)域。從固體力學(xué)的角度可以預(yù)判，幾何畸形處（頸縮處）必然會(huì)造成應(yīng)力集中，也因此會(huì)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(dāng)放大了器件的熱翹曲度，并減少了焊球組數(shù)。實(shí)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(yuǎn)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(yù)先構(gòu)建PoP器件的熱翹曲很難實(shí)現(xiàn)，在同一模型中建立不同焊接成型也非常復(fù)雜。因此，本文進(jìn)行了如下幾點(diǎn)模型簡(jiǎn)化：

（1）雪人式焊球的仿真建模選取A-A截面，因?yàn)檠┤耸胶盖蚩偸浅霈F(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(duì)稱條件建立1/2模型，并假設(shè)模型熱場(chǎng)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(yīng)力云圖如圖6所示。通過圖6上下兩排焊球的應(yīng)力對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雪人式焊球（上排）的應(yīng)力集中比較底部焊球（下排）嚴(yán)重，而且最大等效應(yīng)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(jiǎn)化：

（1）水桶狀焊球的仿真建模選取B-B截面，并假設(shè)TMV中的焊球成型一致，因?yàn)闊o論TMV中段的焊球成型如何，總是最邊緣焊球熱變形最嚴(yán)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(duì)稱條件建立1/2模型，并假設(shè)模型熱場(chǎng)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(yīng)力云圖見圖8。通過圖8上下兩排焊球的應(yīng)力對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雖然最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在底部焊球與下層器件基底的交界處，但是以應(yīng)力場(chǎng)整體的分布圖來看，水桶狀焊球（上排）的應(yīng)力集中仍然比底部焊球（下排）嚴(yán)重。

4對(duì)比分析

對(duì)比上面的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，最嚴(yán)重的應(yīng)力集中出現(xiàn)在雪人式焊球中。這說明器件受熱應(yīng)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(duì)底部焊球的傳統(tǒng)可靠性測(cè)試方法可能不再適用于TMV焊球。此外，通過對(duì)雪人式焊球緊縮區(qū)域的參數(shù)研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)緊縮區(qū)域越來越窄的時(shí)候（即R2越來越小的時(shí)候），雪人式焊球的平均應(yīng)力越來越大，應(yīng)力集中現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，如圖9所示。尤其當(dāng)R2小于1/2時(shí)，最大應(yīng)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(guān)鍵。

5結(jié)論

利用簡(jiǎn)化的有限元模型，對(duì)TMV堆疊焊球進(jìn)行了應(yīng)力分析和初步的可靠性評(píng)估。雖然仿真分析還不能精確預(yù)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(jié)如下：

（1）TMV堆疊焊球的應(yīng)力集中現(xiàn)象比底部焊球更加嚴(yán)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(duì)底部焊球的可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)則需要做出新的調(diào)整。

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

（3）緊縮區(qū)域越窄，雪人式焊球的應(yīng)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(guān)鍵。

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