倒装焊封装中无铅焊点在封装工艺中的热机械力学分析,SMT,SMT技术文章-SMT 技术文章

摘要：采用粘塑性Garofalo-Arrhenius模型描述无铅焊料的蠕变行为，确定了96.5Sn3.5Ag焊点材料的模型参数。采用与固化过程相关的粘弹性力学模型描述倒装焊底充胶的力学行为。利用有限元法模拟了无铅板上倒装焊在封装工艺及热循环条件下的应力应变行为。结果表明由于无铅技术在封装中的引入，封装工艺对倒装焊器件的影响更为重要。

关键词：无铅倒装焊；有限元仿真；封装工艺；固化相关；焊点失效

倒装焊技术（Flip Chip Technology）是电子封装技术发展的趋势。焊点失效是倒装焊封装器件在封装组装过程中的主要失效形式，许多学者对倒装焊封装中SnPb焊点失效情况进行了研究，取得了大量的成果。但是，随着近年来在电子工业中全面禁止使用含Pb焊料的呼声愈加高涨，对无铅焊点失效情况的研究显得尤为重要。现期所广泛采用的替代传统SnPb共晶焊料的SnAg系无铅焊料，熔点温度普遍比SnPb焊料高出约30℃【1】，在这样的高温下，不但封装聚合物将显示强烈的粘弹性，而且它们的受力和粘结力也将受到影响。由于无铅焊的引入所产生的制造和可靠性问题将更加严重【2】。因此，充分了解无铅倒装焊封装的材料特性、生产工艺对无铅焊点热机械力学行为的影响是无铅焊研究的重点之一。

本文选取96.5Sn3.5Ag无铅板上倒装焊封装（FCOB）作为研究对象，以基于粘塑性本构理论的Garofalo-Arrhenius模型描述96.5Sn3.5Ag无铅焊料的稳态蠕变行为；采用M.S.Kiasat、L.J.Ernst 、D.G.Yang等改进的与固化过程相关的粘弹性模型描述底充胶材料的模量松弛和体积松弛行为，采用有限元模拟的方法，分析该器件在再流焊接、底充胶（Underfill）固化以及其后的热循环测试期间的应力应变情况以及无铅焊点的失效行为。

96.5Sn3.5Ag无铅焊点材料的塑性性能由试验测出，其结果如图1所示：

热固性底充胶材料（underfill）填充在芯片与基板之间的空隙中，加强了焊点连接可靠性【5】。倒装焊器件焊点的失效极大的依赖于底充胶材料的热机械特性，而这些特性又与封装测试过程相关【6】。Kiasat建立了一个依赖于固化程度的粘弹性本构关系，Ernst和D.G.Yang等改进了这一模型，对倒装焊芯片中的底充胶材料在固化过程中的粘弹性行为进行了表征：

该模型已经应用于研究固化过程及由固化所引发的残余应力对封装器件疲劳寿命的影响，取得了比较新颖的成果【6】【7】。

典型的板上倒装焊器件（FCOB）结构如图2所示。出于简化的需要，仅保留主要组成部分即硅片，焊点，铜垫片，底充胶以及FR4基板，其他的部分忽略不记。

模拟采用二维有限元模型结构，芯片尺寸10mm×10mm，依据对称性原则取一半进行计算分析，具体的网格划分如图3所示。

在对称轴上所有的节点施加与该对称轴方向垂直的x向的约束（u＝0）；对FR4基板上左下脚的一个节点施加x和y向的约束(u=v=0)。

模型中组成器件的硅片、铜焊盘以及FR4基板均假设为与温度无关的弹性材料， FR4基板采用正交各向异性，其他为各向同性材料。具体的材料参数如表1所示，其中底充胶材料的具体材料参数写入有限元软件的子程序中。

材料		杨氏模量（MPa）	泊松比	热膨胀系数（ppm/℃）
96.5Sn3.5Ag		52708-67.14-0.0587T	0.4	21.85+0.02039
硅片		169000	0.26	2.3
铜焊盘		82700	0.30	16.7
FR4 基板	面内	19700	0.18	17.6
FR4 基板	面外	9000	0.39	54.2

采用热加载的方式来模拟封装的工艺以及应用过程。如图4所示，首先是无铅焊点在260℃下的高温再流焊接后冷却到室温25℃（a-b），再在室温下保持30min（b-c），然后升温到130℃并保持60min进行底充胶的加注和固化（d-e），紧接着是180min的底充胶再固化工艺(f-g)。然后模拟进行3次-55℃～+125℃的热循环加载。

硅片与有机基板的热膨胀系数（CTE）不匹配造成在热加载中大量热应力产生在器件中。在元件级的可靠性测试中，这些热应力是导致焊点失效的主要原因之一。图5显示在封装工艺结束时（g点）残余剪切应力在封装器件中的分布。表明在硅片、焊点、底充胶中都存在相对较高的残余应力，与文献【6】比较，由于无铅焊技术的引入，增大了这些残余应力的幅值，劣化了器件的可靠性。

外侧焊点离结构中心位置最远，在热加载过程中，外侧焊点经受的应力应变范围更大。因此，在分析时取外侧焊点作为主要分析对象。图6是外侧焊点在再流焊结束冷却到25℃（b点）时的分布云图，从图中可看出，在这一段时间中，由于无铅工艺的回流温度比较高，硅片与有机基板间的热疲劳失配几乎完全由焊点的变形来承担，将在焊点中产生较大焊接应力，最大应力往往分布在焊点连接的边角处，达到126.8MPa。微损伤往往在这些应力分布较大的区域产生，并在后续的生产工艺以及产品的使用中孕育出现裂纹最终导致器件失效。图7为固化工艺完成后冷却到25℃（h）焊点的应力分布云图，此时由于底充胶在固化过程中，由液态转变为固态，分子链相互交联逐渐增加，体积收缩，材料刚度增加，由于封装各部分相互约束，在其中产生残余应力，出于简化的目的，传统的焊点可靠性研究，往往只关注器件在热循环下的应力应变情况，忽略封装工艺过程所产生的残余应力对器件可靠性的影响。

图6 再流焊冷却到25℃（b点）焊点的应力分布云图图7 固化工艺完成后冷却到25℃（h）焊点的应力分布云图

材料的非弹性变形是评价焊点裂纹出现的主要指标之一。因此，充分了解在整个封装工艺及器件使用中焊点的非弹性应变历程是十分必要的。图8为外侧焊点中点A在整个加载过程中的应变历程，可见焊点在热循环过程中的应变值较大。热循环至-55℃时，由于从高温到低温降温过程中相对较高的应力水平，在焊点内产生的蠕变变形较大，而在热循环的高温阶段125℃，由于相对较低的应力水平，焊点内产生的蠕变应变较低。塑性应变在整个加载历程中其值均大于蠕变应变，并且在底充胶固化完成后保持稳定。

用粘塑性Garofalo-Arrhenius模型描述96.5Sn3.5Ag的力学本构；用考虑固化的粘弹性模型描述了底充胶的模量松弛。采用有限元的方法模拟无铅板上倒装焊封装在封装工艺及热循环下的应力应变行为。结果表明，由于无铅焊的应用，高温回流将在焊点中形成较大应力，这些大应力区域往往是损伤开始的位置；焊点的再流焊接和底充胶的固化过程会在封装中产生大量的残余应力以及非弹性变形，较之于铅焊，这些残余应力的幅值更大，劣化了封装的可靠性。

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The Thermo-Mechanical Stress Analysis of Lead-free solder in Flip Chip Package during Process and Thermal Cycling

Abstract：The viscoplastic Garofalo-Arrhenius model is employed to represent the inelastic deformation behavior of lead-free solders, the material parameters of Garofalo-Arrhenius model for 96.5Sn3.5Ag solder are determined. A cure-dependent viscoelastic model is applied to describe the mechanical behavior. In addition, the stress/strain responses of lead-free Flip Chip on Board under packaging process and thermal cycling are simulated with finite element method. The results show that, with lead-free technology applying, packaging process is more important to reliability of Flip Chip package.

Key words: Lead-free Flip Chip; FEM; packaging process; cure-dependent; solder fatigue

作者简介：潘宏明（1978－），男，广西桂林人，桂林电子工业学院机电与交通工程系硕士研究生，主要从事微电子封装可靠性的研究