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增强扇入晶圆级封装的可靠性
录入时间:2016/6/28 11:48:37

增强扇入晶圆级封装的可靠性

Boyd Rogers, Deca Technologies

晶圆级芯片尺寸封装WLCSP)能够提供最小的封装形状尺寸已经成为手持消费性电子产品领域的优先选项在这些领域中可携性和不断提高的功能性是强大的驱动力。在WLCSP 中,芯片的输入输出通常是用聚合物和重布线层(RDL)积层来扇入穿过晶粒表面,从而产生一个面,并且随后在端子上形成较大的焊接凸块。这些结构能让芯片直接附到印刷电路板(PCB)上且具良好的可靠性。[1]

片与有机PCB之间的热失配已限制WLCSP在相对较小的芯片尺寸上。最近几年,新聚合物和焊接合金的使用已经将可用的芯片尺寸扩展到5×5mm2至6×6mm2的范围内。[2-4]

对改善WLCSP可靠性来说优化焊点形状是相对简单且有效方式。[5, 6] 需要考虑的重要变量包括WLCSP上的凸块下聚合物孔的尺寸、WLCSP凸块下(UBM)焊盘的尺寸以及PCB上相应焊盘的尺寸。对这些要素进行优化能实现热循环中的性能改善,这是预测WLCSP使用寿命的一个关键的板级可靠性(BLR)测试。

BLR的进一步改进也许可以透过优化WLCSP结构中积层的厚度实现。[3, 7]结构中的聚合物层能够作为缓冲区,吸收芯片-PCB热失配给凸块造成的压力,并延长焊点的寿命。

焊锡合金在WLCSP的可靠性中扮演一个非常重要的角色[3] 现在有一系列锡银铜焊锡合金提供重大性能差异。低银合金(大约1%的银)为人们所知的是在冲击试验(drop testing)表现不错,而高银合金(通常3%-4%的银)则一般更适合于热循环中。在最近几年中,已经推出了很多带有其他掺杂物的合金,用来优化冲击和循环性能。

焊点形状优化

最好的工具是一种带有RDL级别链接式连接的活动装置,它能在板侧完成,从而实现BLR测试过程中的实时监控。此晶粒尺寸为3.9×3.9mm2,这对WLCSP应用来说是中等尺寸。 WLCSP积层包括一氧化铅(PBO)聚合物、镀铜RDL和一个拥有标准工业厚度的镀铜UBM。焊料是Sn95.5Ag4.0Cu0.5(SAC405),而完成的WLCSP在一个0.4毫米的脚距上包含81个球以9×9矩阵排列。所用的BLR PCB是一个1毫米厚的8层电路板,配有非阻焊层限定焊盘。为了温度循环(-40至125,1次循环/小时),使用的是标准的固态技术协会(JEDEC )条件。[8]

 

图1.WLCSP焊点图示,展示的是主要几何因子:UBM焊盘、凸块下的孔和PCB焊盘

 

图1展示的是一个非阻焊层限定焊点,它通常用于WLCSP组装。焊点形状的关键包括WLCSP上的UBM焊盘尺寸、WLCSP上凸块下聚合物的尺寸、以及PCB焊盘的尺寸。为了焊点优化研究,UBM焊盘尺寸固定在215微米,并且改变聚合物以及PCB焊盘,从而在热循环测试中确定这些因素对WLCSP性能的影响。

 

表1. 展示不同凸块形状热循环表现的试验结果

 

表1显示了进行拆分以及BLR测试的相应结果。凸块下的一个更小的孔更有利于热循环表现,并且一个小于UBM焊盘的PCB焊盘也能改善热循环结果。拆分1和拆分3(其中孔仍然是固定的,以及PCB焊盘已经减小)的对比说明,循环表现的重大增益可以通过将PCB焊盘与UBM焊盘的比率设置为小于1来实现。这两个拆分是在稍微不同的条件(15分钟的升温和保温与20分钟的升温和10分钟的保温)。但是,建模结果说明,缩短保温时间只能带来热循环性能中大约7%的改善,所以大部分性能改善都可能是源于PCB焊盘优化。

 

图2.(a)来自试验拆分1的失效板角凸块的SEM横截面,其中PCB焊盘=UBM焊盘;

(b)来自试验拆分3的失效板角凸块的SEM横截面,其中PCB焊盘=0.9 xUBM焊盘

 

图2展示了在热循环测试后来自拆分1和拆分3的失效角接的SEM横截面。在这两种情况中,失效的都是焊料疲劳,而这是需的失效模式。正如预期,疲劳出现在凸块UBM焊盘接口附近。但是,来自拆分3的焊点连同更小的PCB焊盘所展示的热循环寿命要比来自拆分1的焊点长很多。对于图2b所展示的焊点,与UBM焊盘相比,PCB焊盘的尺寸过小,从而产生了一个更加像球形的凸块,这往往能推迟焊点上UBM一侧的焊料疲劳失效。更小的PCB焊盘还使WLCSP与电路板更加分开一些,这是提高循环可靠性的另一个因素。

正如在表1中对比拆分2、3和4所看到的那样,凸块下聚合物孔的尺寸也能对热循环性能产生重大影响。更小的孔可以提高循环可靠性,这可能是通过在凸块边缘下方提供更多压力缓冲来实现。这能让凸块在热循环施压的过程中“摇动”,其中凸块下的PBO聚合物能吸收更多压力,并推迟焊料疲劳失效的趋势。

除了热循环测试外,表1显示的所有试验拆分中也进行了标准JEDEC跌落测试。[9] 所有拆分都展示出在超过200次跌落后才出现失效,并且拆分之间有最低限度的差异。这说明可以实施此处讨论的焊点形状改变,并且能在不损害冲击性能的情况下获得相应的热循环优势。

结构厚度与焊接合金优化

图3展示的是用来优化积层结构厚度以及焊接合金成分的较大的6×6mm2测试工具。这个测试工具于一个0.4毫米脚距上的一个14×14阵列中包含196个 I/O。阵列内部的部分包括RDL层中的哑铃,同时外部的3行和列则经过测试芯片上的铝焊盘。

 

图3. 6mm × 6mm 链接式测试工具

根据以前的焊点优化结果,凸块下的聚合物孔和PCB焊盘都是根据UBM焊盘来确定尺寸,从而将可靠性能最大化。UBM焊盘尺寸设置为240微米,同时凸块下的孔则固定在180微米,也就是UBM焊盘大小的75%。电路板焊盘的大小目标是215微米,大约是UBM焊盘的90%。

为了确定更厚的层对BLR性能的潜在好处,而测试了2个积层结构:(1)一个标准结构,包括PBO聚合物、镀铜RDL和一个拥有标称行业厚度的镀铜UBM;以及(2)一个替代结构,它采用更厚的铜RDL和PBO 2层。

 表2显示了所测试的焊接合金。SAC405作为对照,并与来自供应商的低银合金进行对比。还包括两个新的高强度合金,它们都展示出2倍于其他合金的维氏硬度值。

 

表2. 在6×6mm2测试工具中使用的焊接合金

制造之后进行的是焊料剪切,从而与焊接合金的相对模数进行对比,结果显示在图4中。跟预期的一样,低银合金展示的剪切强度要稍微低于作为对照的SAC405,同时两种高强度合金都展示出显著更高的剪切值。

图4. 不同合金的焊料剪切表现

对于BLR测试来说,WLCSP再次被安装在带有非阻焊层限定PCB焊盘的1毫米厚8层电路板上。每个电路板上安装15个部件。标准JEDEC条件被用于温度循环(方法G: -40 至125°C,1 次循环/小时, 20分钟升温,10分钟保温)[8] 和冲击测试条件B: 1500Gs)。[9] 部件进行了1000次循环或1000次跌落。确定的电阻失效要比初始值超过了20%。

 

热循环结果

图5和图6展示了用威伯尔图表表示的针对标准结构和更厚结构的各种拆分的热循环结果。高强度聚合物在热循环测试中表现非常不错。对于标准结构来说,两者在第一次失效时都超过了500次循环,并且掺入铋和镍的第5号合金在1000次循环中并未显示出失效。对于更厚的积层结构,两种高强度合金总共只记录到一次失效,其中是掺入铋和镍的版本在987次循环时出现了首次失效。更厚积层结构对高强度6号合金的好处是很明显的,能将首次失效从531次循环提高到1000次循环以上。

图5. 展示使用标准积层结构的各种不同焊接合金的循环表现的威伯尔图表。掺入铋和镍的5号高强度合金并未显示出来,因为没有记录到失效。

 

 

图6. 展示使用更厚积层结构的各种不同焊接合金的循环表现的威伯尔图表。高强度合金并未显示出来,因为没有记录到失效。

 

SAC405焊料(1号合金)在热循环测试中也有相对较好的表现。在标准结构中,这种合金在485次循环时展现出第一次失效,并且有938次循环的特征寿命。对于更厚的积层结构,第一次失效存在可测量的改善(614循环),但特征寿命则是类似的(944次循环)。

与这项研究中的其他合金相比,所有低银合金(2-4号合金)在热循环测试中表现都不佳,并且从标准结构移动到更厚的结构时并没有显著的改善。

低银合金的更厚积层结构的循环性能改善并不显著,而对SAC405来说,这种改善是中度的,并且对高强度合金来说,改善是中度到非常显著的。SAC405焊料的失效模式已经确定,并且展示在图5和6中用威伯尔图表表示的插图中:板角凸块上的焊料疲劳,一种温度循环的典型失效模式。

冲击测试结果

来自拆分的冲击测试结果显示在表3中。对于标准结构,SAC405在冲击测试中表现得非常好,其中第一次失效是在277次冲击,并且特征寿命为902次冲击。两种低银合金的表现也很好,其中首次失效出现在100次跌落之后,并且有一个很高的特征寿命。第三种低银合金(3号合金)则展示出一个相对较早的失效(56次跌落)以及一个更低的特征寿命。两种高强度SAC合金都有相对较早的冲击失效,尤其是带有铋和镍的5号合金,同时它也展示出一个相对较低的特征寿命。

对于较厚的结构,所有合金都表现得非常好,展示出了2倍于或者好于标准结构的性能改善。所有特征寿命都大于1000次循环。 

表3. 拥有标准结构和厚积层结构的各种焊接合金的冲击测试结果

结论

减小凸块下的聚合物通孔尺寸可以通过在凸块边缘下方提供更多压力缓冲来改善循环表现。缩小电路板焊盘相对于UBM焊盘的尺寸能够产生一个更加优化的球形凸块形状。这往往会推迟焊点上凸块UBM一侧的焊料失效,同时也能改善循环表现。最后,增加RDL和聚合物2层的厚度能够显著提升冲击测试的表现。更厚的结构可能会改善冲击表现,因为冲击测试的失效模式是通常在RDL中的一个中断。增加RDL的厚度看起来是推迟这类失效的一种有效方式,从而延长部件的可用寿命。

高强度焊接合金在热循环中展现出非常强的表现,这可能是因为它们能够推迟作为典型循环失效的焊料疲劳。正如预期,这些合金往往在冲击测试中表现不佳。但是,当与更厚的积层结构结合时,这些合金就能展现出非常可靠的冲击表现数字,其中首次失效时是多于195次冲击,并且特征寿命在1000次冲击以上。将优化的焊点形状与带有高强度合金的更厚积层结构相结合,这种策略也许能提供一种将WLCSP芯片尺寸扩展至远大于6×6mm2的路径。 

参考文献

1. P. Garrou, “Wafer level chip scale packaging (WL-CSP): An overview,” IEEE Trans. of Adv. Packaging, 2000, Vol. 23(2), pp. 198-205.

2. R. Chilukuri, “Technology solutions for a dynamic and diverse WLCSP market,” IWLPC Proc., San Jose, CA (2010).

3. R. Anderson, R. Chilukuri, T.Y. Tee, C.P. Khoo, H.S. Ng, B. Rogers, and A. Syed, “Advances in WLCSP Technologies for Growing Market Needs,” IWLPC Proc., San Jose, CA (2009).

4. R. Anderson, T.Y. Tee, R. Moody, L.B. Tan, H.S. Ng, J.H. Low, C.P. Khoo, R. Moody, and B. Rogers, “Integrated Testing and Modeling Analysis of CSPnl™ for Enhanced Board Level Reliability,” IWLPC Proc., San Jose, CA, pp. 184-190 (2008).

5. B. Rogers and C. Scanlan, “Solder Joint Geometry Optimization Increases WLCSP Reliability,” Chip Scale Review, vol. 17(3), pp. 41-43.

6. B. Rogers and C. Scanlan, “Improving WLCSP Reliability through Solder Joint Geometry Optimization,” Advancing Microelectronics, vol. 41(1), pp. 14-17 (2013).

7. R. Anderson, R. Moody, B. Rogers, and D. Mis, “Board Level Reliability Results for Amkor’s 12x12 I/O CSPnl™,” IMAPS Proc., Scottsdale, AZ (2008).

8. JEDEC Standard JESD22-A104C, “Temperature Cycling.” (2005).

JEDEC Standard JESD22-B111, “Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic Products,” (2003).


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