|
倒装焊焊点形态及其可靠性研究
周 祥1，马孝松1，2，阎德劲1
（1 桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）
（2 西安电子科技大学，陕西 西安 710071）
摘 要：本文采用Surface Evolver软件对倒装焊复合焊点的几何形态进行了模拟。通过非线性有限元方法研究有铅和无铅两种焊点在热循环作用下的应力应变关系，基于疲劳寿命C-M预测公式对焊点的热疲劳寿命进行预测与比较。
关键词：焊点形态；倒装焊；热疲劳寿命；可靠性
Study on Solder Joints Geometry and Reliability of Flip Chip
Zhou Xiang, Ma Xiao-song, Yan De-jin
(Guilin University of Electronic Technology, Guangxi Guilin 541004)
Abstract: In this paper, the duplex solder joints geometry of flip chip is simulated by Surface Evolver program. The relation between stress and strain of lead and lead-free solder joints are studied by nonlinear finite element method. Based on the C-M equation of fatigue life prediction, the thermal fatigue life are predicted and compared of lead and lead-free solder joints.
Key words: solder joints geometry; flip chip; thermal fatigue life; reliability
1 引言
随着微电子工业的迅猛发展，半导体技术微细加工特征尺寸不断缩小，晶片尺寸加大，IC的I/O的端口数剧增，相应的芯片封装技术向高密度、高可靠性和低成本方向发展。以倒装焊（Flip-Chip）工艺为基础的芯片直接互连技术COB(chip on board) 和DCA(direct chip attachment) 等受到广泛的关注。在这类互连技术中，经常采用复合焊料结构的焊点，即在芯片上用高熔点焊料(通常为高铅焊料，如97Pb3Sn、95Pb5Sn、90Pb10Sn 等) 做成焊料凸点，然后在基板上印刷共晶焊料或无铅焊料，利用再流焊工艺形成复合焊点，从而实现芯片和基板之间的电、热和机械连接。
焊点的形态与可靠性的关系是焊点可靠性研究中的一大热点。许多研究表明焊点的形态对焊点的机械性能、焊点应力应变的分布和焊点热循环的寿命有直接的联系。研究[1]表明微电子器件失效中一半以上和组装与封装的失效有关。而微电子组装与封装的失效中，焊点的失效是主要原因之一。因此焊点可靠性是微电子产品能否成功应用的关键。
本文通过Surface Evolver软件模拟了倒装焊复合焊点的几何形态，利用有限元法分析了有铅(Sn63Pb37)和无铅（96.5Sn3.5Ag）两种焊点在热循环过程中的应力应变过程，并分别对其热疲劳寿命进行预测与比较。
2 焊点形态预测
微电子组装与封装中焊点的形成过程通常为[1]：在回流焊过程中，焊点中的焊料（再流焊时以焊膏的形式）受热融化，在连接点处金属表面（如基板的金属化焊盘，微电子封装的可焊金属表面、凸点、引线等）润湿铺展，液态焊料在与金属基体的相互作用（融解、扩散等）下，在焊点处形成焊料圆角，最终在冷凝后得到具有一定外观形态的固态焊点，实现电子器件（芯片）与基板的电、机械连接。
根据液态焊料润湿理论、最小能量原理等焊点形态相关理论和方法，在已知焊料量、焊料性质和焊点形态参数的情况下，能唯一确定相应的焊点形态。
参考朱奇农、王国忠等人关于复合SnPb焊点系统的能量描述[2]，结合本文的材料和模型，给出相关参数，编制用于焊点形态预测Surface Evolver的输入数据文件，最后得到焊点的几何形态如图所示（从左到右，焊膏量依次增加，其中红色部分表示凸点，白色部分表示Sn63Pb37或96.5Sn3.5Ag，绿色部分表示焊盘）。
3 有限元仿真
3.1 几何模型及有限元模型
典型的板上倒装焊器件结构[1,4]如图2所示。出于简化需要，仅保留主要组成部分即硅芯片、铜焊盘、底充胶以及FR4基板，其余部分则忽略不记。
模拟采用二维有限元模型结构，芯片尺寸5mm×5mm，依据对称性原则取一半进行计算分析。研究表明[3]，UBM层对焊点寿命的影响极小，复合SnPb焊点热循环失效主要发生在低熔点的焊料中，为减少计算，UBM层和高铅凸点都忽略不建。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)。具体的网格划分如图2所示。
3.2 材料特性
模型中组成器件的硅芯片、铜焊盘为与温度无关的弹性材料，底充胶以及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[4]如表1所示。
3.3 加载情况
本章模拟中所使用的热循环加载为：热循环从室温开始，并取室温为应力自由状态。温度区间为-55℃～+125℃，高低温保温5min，升降温时间18min，升降温速率10℃/min。循环一周后回到室温，共进行8个循环过程进行模拟。
3.34 焊点在热循环过程中的应力应变分析
采用Marc软件，对两种不同焊料的倒装焊焊点在热循环条件下的应力、应变进行模拟和分析。本文仅仅给出了焊料区模拟结果。
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。在第三个热循环时焊点内的等效应变趋于稳定，故采用热循环的第四个周期的应力应变数据进行分析。
3.4.1 Sn63Pb37焊点应力应变分析
图4(a) 、(b)和(c)为Sn63Pb37焊点右下角高应力应变区域节点在前四个热循环历程von Mises等效应力、等效塑性应变和等效塑性蠕变的演化。图4(a)表明在热循环过程中，焊点的应力应变随温度变化而周期性变化。在热循环的高温阶段，应力值比较低，在热循环的低温阶段，应力值较高。在热循环高低温保温阶段，可以看出应力松弛。从图4(b)可以得到第四个循环周期内等效塑性应变范围Δγp＝0.00369；从图4(c)可以得到第四个循环周期内蠕变剪切应变范围Δγmc＝0.004225。
3.4.2 96.5Sn3.5Ag焊点应力应变分析
同样对96.5Sn3.5Ag焊点进行应力应变分析，得到第四个循环周期内等效塑性应变范围
Δγp＝0.00428，第四个循环周期内蠕变剪切应变范围Δγmc＝0.003884。
3.5 焊点寿命预测
Coffin-Manson模型已经很成功地运用到倒装焊的底充胶中。模型的失效周期和塑性剪切应变的关系见公式（1），其中Δγp表示等效塑性应变范围， Np表示循环失效次数，C和m是常量。对于Sn63Pb37，据文献[6]，C和m分别取为0.9和4.6；对于据文献[7]，C和m分别取为0.74和3.38。
 1
Knecht和Fox[8]已经给出了和焊点微结构及蠕变剪切应变有关的失效周期模型。该模型会导致基体蠕变，见公式（2），其中Ncr表示循环失效次数，Δγmc表示由于基体蠕变而引起的剪切应变范围。C是与失效标准和焊点微模型有关的量，一般为890%。
 2
运用Miner的线性重合原则，可以得出与塑性和蠕变作用有关的失效模型。进而得出了公式（3）[9]，其中Nf表示总的循环失效次数， Np和Ncr分别表示由于塑性失效和蠕变失效的次数，两者是相互独立的。
 3
将数据分别代入上述公式，计算得到两种焊点的热疲劳寿命，如下表所示：
4 结论
本文根据液态焊料润湿理论、最小能量原理等焊点形态相关理论和方法对倒装焊复合焊点的形态进行了预测，并在此基础上建立了有限元模型。利用有限元计算结果和焊点疲劳寿命预测公式，对有铅和无铅两种焊点的热疲劳寿命进行了预测。
（1）在整个加载过程中，焊点最脆弱的位置出现在最外侧焊点右下角靠近焊盘的位置；
（2）升温阶段和降温阶段对焊点热疲劳寿命的影响很大，而高温保温和低温保温阶段对焊点热疲劳寿命的影响相对较小；
（3）寿命预测公式（3）可以较好地预测出倒装焊焊点的热疲劳寿命；
（4）96.5Sn3.5Ag焊料的热疲劳寿命和Sn63Pb37焊料的相当，表明96.5Sn3.5Ag焊料具有与共晶SnPb焊料相当的热疲劳性能，满足无铅化的要求。
参考文献
[1] 朱奇农. 电子封装中表面贴装焊点的可靠性研究. 优秀硕博士论文
[2] 朱奇农，王国忠等. 复合SnPb焊点的形态与可靠性预测. 金属学报. 2000(1): 93-98
[3] Corbm, Finite element analysis of solder ball connect (SBC) structure design optimization, Develop, v37 (5), 1993
[4] D.G.Yang, G.Q.Zhang, L.J.Ernst. Investigation on Flip Chip Solder Joint Fatigue with Cure-Dependent Underfill Properties. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol.26, No. 2, pp: 388-398, June 2003
[5] Coffin LF Jr. A study of the effects of cyclic thermal stresses on a ductile metal. Trans ASME 1954,76:931-950
[6] X.Q. Shi, H.L.J. Pang, W.Zhou et al. Low cycle fatigue analysis of temperature and frequency effects in eutectic solder alloy. International Journal of Fatigue, 2000(22): 217-228
[7] C. Kanchanomai, Y. Miyashita and Y. Mutoh. Low Cycle Fatigue Behavior and Mechanisms of a Lead-free Solder 96.5Sn/3.5Ag. Journal of Electronic Materials, 2002,31(2): 142-151
[8] Knecht S, Fox LR. Constitutive Relation and Creep-Fatigue Life Model for Eutectic Lead Solder, IEEE Trans. CHMT. Vol.13, pp.424-433
[9] Pang, Tan, and Sitaraman. Thermo-Mechanical Analysis of Solder Joint Fatigue and Creep in A Flip Chip on Board Package Subjected to Temperature Cycling Loading, 50th ECTC, pp.181-191, USA, 1998
[10] 王考，陈循，褚卫华. QPF焊点形态预测及可靠性分析. 强度与环境. 2004(1): 40-45
|
