IPC-7093 CN 2011 底部端子元器件(BTC)设计和组装工艺的实施.pdf - 第103页
进 行这些实 验 所需的资源 往往 是 有限的。 因 此 方法 已 有 革 新 ， 即 用 已 知 疲 劳 历 史的 凸起 焊 点 来 预测带 有 相 似 特 性 和 相 似 封装 但 DP 不同的 凸起 焊 点 的 性 能。 8.5.3.2 热 膨胀 不 匹 配的影响 在 热扩散 过程 中， 焊料 凸 点 的中心 点 或 几 何中心 点相 对 于基材 维 持不 变 。 中心 点 的 确 定对计 算 DP 很重 要。图 8-6 说明…
8.5.2 蠕变疲劳交互作⽤ 在温度循环时可看
到焊点有大应变。应变是由芯片和基材间的热
膨胀不同而产生。温度循环变化的本质引起焊
点经历同样的应变循环， 因此，焊料的损伤是
热循环次数的函数。根据这一定义，焊点经历
了蠕变疲劳。在均匀应变分布下, 疲劳通过引发
和传播细微裂痕而产生损伤。焊点的断裂随着
应变变化率升高而
增加。
总的来说，元器件可看到的热循环范围从0.4Tm
到0.8Tm，这里Tm是焊料绝对熔点温度。作为经
验法则，蠕变是一个运行变形机理，每当温度
高于材料绝对熔点温度的一半时发生。举例来
说，63/37 Sn/Pb焊料的熔点温度是456K (183.6
°C)，绝对温度的一半是228K或-45°C。因此，
在给定负载下，焊料蠕变变形甚至在温度低至
-45°C时发生。
焊点所受应力和
活化能的关系可由一般的蠕变
公式来表达： e = Aδ
n
(–Q/kT)
这里：
e=应变率
A=常数
δ=应力
n=应力指数
Q=激活能
k=玻尔兹曼常数
T=开尔文温度
蠕变应变是，当材料受到给定负载时，受热激
发后错位运动和/或空穴和原子运动的结果。在
焊点上观察到的随时间变化的应力松弛是蠕变
过程的直接结果。因此在温度循环期间焊点累
积损伤是蠕变和疲劳过程的结果
。在封装遭受
周期载荷和静态载荷的条件下，由于蠕变产生
的变形一直可观察到。
例如，静态载荷会由于封装上散热片的重量而
增加。取决于板子如何放置，侧放、正面朝上
或倒放，焊点会承受剪切、压缩或拉伸不同的
负载。一个方向的恒定载荷会导致由于蠕变过
程产生的失效。
8.5.2.1 电迁移 在合金系统中，各粒子在所加
电场作用下的移动
是不同的，基于各粒子的带
电量和质量。已观察到在芯片和焊点上有电子
迁移。在连接处, 观察到芯片或到板子的空洞迁
移。小的空洞合并可导致机械可靠性问题，或
在有效导电横截面面积减小的情况下发生电流
拥挤。遵循电流密度和尺寸的设计规则可解决
这两种观察到的情况。
8.5.2.2 腐蚀 焊点腐蚀通常由湿气和离子污染
物引起的。这可由适当的包装设计和工艺控制来
防止
。因为倒装芯片的焊点非常靠近，焊点的
清洁是必要的，必须减少来自腐蚀性工艺中的
化学品残留。取决于使用条件，倒装芯片焊点
也应该密封，或灌胶以阻止连续的湿气通道。
8.5.2.3 热迁移 热迁移是由于整合在BTC封装
端子的凸起焊点过大热梯度引起的，特别会发
生在较高的IC结点温度。在热迁移过程中，原
子沿着热梯度方向或相反方向扩散
。原子在凸
起焊点中会扩散，会导致焊料和UBM(凸点下金
属层)界面的空洞。凸起焊点最终会成为电气开
路。对于给定凸起焊点几何形状，热迁移是热
梯度、环境温度和合金成分的函数。
8.5.3 焊料厚度机械可靠性 有很多因素能影
响BTC连接的机械可靠性。其中的一些是：
• 应变
• 温度保持时间
• 芯片底部填充
• 焊料合金成分
8.5.3.1 应变 应变的作用是显著
的。它对凸起
焊点疲劳的影响依赖于几个因素。这些是由元
器件的设计、应用和制造决定的。表8-2列出了
芯片硅、氧化铝、引线框和印制板之间的CTE
差异。所有这些可成为典型BTC封装的一部分。
应变直接与DP成正比，DP是从最远端，有
功能的凸起焊点到芯片中心点的距离。
应变和焊点高度成反比。表8-3提供了各种直径
的焊料凸点的典型高度。
表8-2 典型材料的热膨胀系数
材料热膨胀系数CTE(ppm/°C)
硅 2.8
砷化镓 6.0-7.0
焊料(锡3铅97) 28-29
芯片底部填充 18-35
氧化铝 6.0-7.0
FR-4 16-19
铜引线框 17-18
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进行这些实验所需的资源往往是有限的。因此
方法已有革新，即用已知疲劳历史的凸起焊点
来预测带有相似特性和相似封装但DP不同的
凸起焊点的性能。
8.5.3.2 热膨胀不匹配的影响 在 热扩散过程
中，焊料凸点的中心点或几何中心点相对于基材
维持不变。中心点的确定对计算DP很重要。图
8-6说明由于不同材质热扩散导致近界面失效的
结果。
焊点的几
何形状会大大影响局部的应变。顶部和
底部焊盘结合焊料后的直径将决定焊点高度，
焊点高度是影响可靠性的主要因素。应力“集
中”因素可影响裂纹初现和扩大。理想的高而
细焊料柱会将应变分布在焊点上，延长疲劳寿
命，短而矮胖的焊点会降低产品寿命。
8.5.3.3 温度循环频率 在实际使用条件下的元
器件寿命测试的时间 要和元器件设计寿命一
样。基于这一原因，封装要在加速热
循环下测
试，例如，通过增加温度范围和降低各循环保
持时间来实现。增加温度范围让焊点有更大的
应变，其程度取决于不同物料间热膨胀不匹配
的状况。因此，如果有足够的时间允许焊点中
的弹性应力通过蠕变而释放，即从弹性应变转
化为塑性变形，增加温度变化范围应该加大焊
点的累积损伤。如果保持时间不允许足
够长，
典型的情况是采用加速测试，这种情况下累积
损伤不同于焊点完全蠕变下的结果。然而需注
意的是，增加测试的温度范围远超过实际使用
的温度时，会导致多种损伤机理的混合。
理想的温度循环设计应该是由于热膨胀不匹配
产生的应力有足够的时间释放。然而，这对加速
试验来说不可能的。增加循环频率会改变失效
机理和/或抑制焊点中由每次循环的累积损伤。
例如，在热冲击测试中快
速改变温度可导致高
应变率以及因为元器件翘曲对焊料强加的高应
变，这些改变了失效机理。
对于近似共晶焊料，有5-10分钟的保持时间是必
要的，以达成焊点中明显的但依然不完全的蠕
变。在高铅含量的焊料(90%Pb-10%Sn)中的应力
松弛比在共晶焊料中观察到的慢，因此高低温
阶段两端的温度保持时间需要更长。热循环代
表外露倒装芯片或芯片级产品
在其寿命期内热
迁移的次数。这些热迁移包括电源通断循环变
化和环境温度波动。温度循环测试焊料的非弹
性性质，即应力松弛作为温度和时间的函数。
8.6 磨损机理回顾 底部端子互连有很多潜在
失效，但主要有5个退化或磨损机理，影响金属
互连。它们是：
• 蠕变
• 疲劳
•腐蚀
• 电迁移
• 固态扩散
这些机理可导致BTC互连的退化和最终
失效。
它们取决于使用的材料、加工缺陷、缩小几何
尺寸、组装应力和环境条件。蠕变是由在一个方
向上施加到互连的应力或位移引起的。对大部
分环境适当选择材料可最小化这种失效机理。
腐蚀在某些应用下成为问题。BTC组件被应用
在很多非密封环境中。无腐蚀作用的可靠运行
将取决于在以下各方面的制程控制，良好的密
封场所、焊点连接的清洁、控制应用环境以
避
免污染物。总的来说，磨损机理要通过设计和
制程来得到最佳控制。
电迁移机理受到电流密度的影响。如果设计人
员将电流密度控制在所用材料的限制范围内，
表8-3 典型⾼度(已连接)
焊料凸起条件 直径(μm) ⾼度(μm) 范围(μm)
选项A 150 82 64-100
选项B 125 77 64-95
选项C 100 70 64-85
选项D 150 >82 64-100
图8-6 CTE不匹配导致裂缝形成
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并对缺陷有严格的工艺控制，电迁移对大部分
应用来说应该是不成问题的。
8.6.1 可靠性因⼦ 蠕变疲劳是造成BTC组件
磨损的主要机理。蠕变疲劳是由环境引起的循
环热应力或在载荷下焊料的蠕变造成的累积损
坏。这种循环行为引起BTC互连的塑性变形，
其初始为裂缝，逐渐增长最终引起开路或实质
性互连退化。大多数应用系统都有最终使互连
产生疲劳的温度变化。
对BTC封装技术的
使用者来说，对其应用的材
料固有特性和设计/工艺驱动尺寸有一个基本了
解是重要的。和疲劳相关的应用环境因素是温
度、温度循环范围和温度循环保持时间。BTC
组件依据几个方面影响可靠性：底部填充的存
在、互连图形的对称性、偏移、凸起形状的变
化和元器件尺寸。
在热循环下，失效最先发生在离热膨胀中心点最
远的地方。有可能开发出详
尽的模型，而大部分
模型的建立都是根据某种形式的coffin-manson公
式，这个公式是描述蠕变影响的低循环疲劳。
如果几何图形、材料和应用环境已知，可建立
各种BTC的模型。已出版了各种底部端子元器
件可靠性的资料。极其重要的是用户建立这一
知识水平并可靠地应用这些技术。
8.6.2 加固的优点 BTC底部填充可实质上增
强疲劳寿命。当底部填充运用得当，它可以在
比
较宽的应用环境下通过抑制BTC互连的膨胀，
来减小焊点的应变水平，这也适用于大尺寸的
元器件。填充材料必须小心选择，它粘贴于组
件表面，但不能反过来挤压BTC互连焊点。填
充材料必须易于施加并避免制程缺陷，也必须
不包含或粘有可引发腐蚀问题的污染物。
如果底部填充失效，它最有可能失去与元器件
和/或基板的粘接。
这可导致由于疲劳、蠕变引
起的失效，或它也会增加腐蚀和其它失效机理
的机会而导致失效。
8.6.3 与失效相关的事件 组装后的BTC组件会
经历非预期热或机械冲击，这些可能是与维护
保养或仅与系统操作异常有关的孤立事件。这
些事件如果足够严重就会导致灾难性的失效，
或会引发损伤位置在日后出现失效。可通过选
择最强健的可用技术来适应这些失效类型。
当
运用芯片倒装技术时需要考虑一些额外失效机
理。
大部分BTC元器件的表面处理为63/37锡/铅合
金，锡、金或为SAC无铅合金，一些BTC互连
使用含铅的合金来提高其延展性。这可能会引
入微量的放射性元素，而这些放射性元素会释放
α粒子以导致半导体元器件的软件错误。导入引
线框架和底部填充结构就非常重要(增加距离或
阻挡层的作用)，这样的
话，就有更少的粒子放
射接近这些敏感元器件，从而减少其影响。多数
半导体元器件在靠近焊盘的地方有ESD保护，
而大多数的倒装芯片元器件的互连位置并没有
这样的保护。当在这些倒装元器件表面重新布
线就可以将它们转变成BTC的封装形式。而这
样就会导致一些金属接近这些没有ESD保护的
元器件结构。
8.7 针对可靠性问题和考量的设计 电子组件
的可靠性需要明确的设计目标，而这种设计在
产品开发阶段就
要和其它功能设计同时进行。
行业中存在误解，认为制造质量是保证电子组
件可靠性的全部。
持 续 高 质 量制造和所有能体现可生产性设计
(DfM)、可组装性设计(DfA)和可测试性设计
(DfT)的做法，是保证产品可靠性的必要前提。
只有可靠性设计(DfR)才能确保生产出高质量的
产品，并在预期的应用中是可靠的。因此，遵
守质量标准是必要的但并不充分。
例如，焊点
质量通常遵循IPC-A-610(电子组件的可接受性)
标准要求，所有工艺遵循ASI/J-STD-001(焊接
的电气和电子组件要求)标准要求的。然而，达
到这些标准并不保证可靠焊料连接，只保证焊
料连接的质量。
澄清两者之间的区别需要解释和定义可靠性。
可靠性在IPC-SM-785“Guidelines for Accelerated
Reliability Testing of Surface Mount Solder Attach-
ments”的定义：可靠性是在给定条件下，在规
定的时间内没有超出可接受失效水平，产品保
证运行的能力。
从短期来说，因为产品质量不足，可靠性受到
早期失效的威胁。这些由
失效造成的早期失效
可通过适当的筛选程序在运输前消除。
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