电流聚集下倒装芯片封装体应力及翘曲研究

2021-01-28佘陈慧杨龙龙谈利鹏刘培生

南通大学学报(自然科学版) 2020年4期

佘陈慧，杨龙龙，谈利鹏，刘培生，2*

（1.南通大学信息科学技术学院，江苏南通 226019；2.南通大学杏林学院，江苏南通 226236）

为满足电路集成化、微型化以及日益增加的输入、输出端口的需求，倒装芯片互连技术应运而生[1-3]，且因其高可靠和高密度性在微电子封装领域得到了广泛的应用[4-5]。由于封装体内部温度分布不均、材料间热膨胀系数不匹配等因素，导致封装体内部产生应力，继而产生翘曲变形[6-7]。对于倒装芯片封装而言，焊料凸点是整个封装体中最脆弱的地方，电子元件的小型化、微型化促使焊料尺寸越来越小，大量的热量无法及时散发，电流聚集、温度聚集的现象严重[8-9]，封装体内部温度分布不均匀[10]，焊料焊点层发生翘曲变形[11-12]。Liu 等[13]研究了在电流密度为1 × 104A·cm-2、温度为120 °C 的情形下实际μBGA 焊点的退化行为，结果发现在狭窄的芯片上金属走线处出现了严重的电流拥挤和开路故障，焊料凸点在电迁移和热应力作用下溶解；Kanapady 等[14]发现具有较高温度梯度的焊料平均温度的故障时间可能比具有较低温度梯度的较高焊料温度的故障时间更短；Kim 等[15]研究了电流密度对倒装芯片Cu/Ni/Sn-Ag/Cu 焊料凸块电迁移（EM）失效机理的影响，确定倒装芯片Sn-Ag 焊料的EM 失效机理不仅很大程度上取决于Ni 势垒效应，而且还取决于电流密度；Liu 等[16]建立了FC 封装系统的3D 有限元模型，通过热-电-机械耦合方法分析了倒装芯片中的焦耳热和热膨胀。当前研究主要集中于实验研究，很少对具体倒装芯片封装的整体及局部进行分析。本文采用有限元分析，对电流聚集情况下的FCBGA 封装进行热-电、热-结构耦合研究，分析了封装体组件的温度分布及热应力，重点分析了焊点层的翘曲情况。

1 FCBGA 封装几何结构及尺寸

FCBGA封装结构除芯片、基板、印刷电路板外，还具有焊料凸点、环氧树脂、大焊点等材料，其1/4 模型的横截面图如图1 所示。该结构采用的是倒装技术，将焊接在芯片正极上的焊点反扣于基板上，利用焊球的对准性及回流焊技术进行焊接。基板与印刷电路板同样利用回流焊技术实现互连。通过焊球实现封装中部件之间的连接可以有效增强散热，但会因材料之间的热膨胀产生热失配。图2 为FCBGA 封装各个组件的尺寸图，各模型的材料参数[17]如表1 所示，每个组件的尺寸单位为μm。

表1 FCBGA 封装中各组件的材料参数[17]Tab.1 Material parameters of each component in the FCBGA package[17]

2 FCBGA 封装有限元模型及边界条件

利用有限元对FCBGA 封装进行分析，因FCBGA 封装是对称结构，在进行分析时可采用该模型的1/4 进行研究[18]，该方法可以节省计算机的计算时间，节约计算机资源。三维封装图如图3 所示，该模型中采用了一般的FCBGA 封装模型，具有24 个焊料凸点和12 个大焊点。电-热耦合分析时的单元类型为Solid226[19]。

利用有限元分析中的稳态分析法对FCBGA 的三维封装进行热-电耦合分析[20]。令封装体的环境温度为25°C，1/4 模型的两个对称面施加对流换热系数10 W/（m2·°C），芯片的热生成率为4.17 × 107W/m3。由于每个焊料凸点承载的电流至少大于0.2 A，当其平均电流密度趋于104A/cm2时，封装容易产生失效[21]，电流密度与电流强度呈线性关系，因此，施加于关键焊点上的最佳电流强度为0.3 A。其施加电流强度的方向与大小如图4 所示。

3 热-电耦合结果及分析

图5为FCBGA 封装体在热-电耦合后的整体温度分布情况。由图可知，大部分的环氧树脂处于较高温度，其中环氧树脂中央部分的温度最高，最高温度为45.92 ℃；最外侧的4 个角温度最低，其中，最高温度为45.84 ℃，最低温度为43.66 ℃。出现此类现象主要是受电流聚集效应的影响，封装体中央部分效应强，外侧的其余3 个角与产生效应的地方相距较远，效应弱。图6 是FCBGA 封装中各部分的温度分布，图6（a）、6（b）显示的是芯片的温度场分布，结果发现与焊球连接的芯片正面温度比芯片背面温度要高，且该温度向四周扩散。最低温为45.67 ℃，最低温度发生在距离电流聚集效应最远的角。大焊点和PCB 板的温度分布如图6（c）、6（d）所示，其结果与环氧树脂、芯片相似，中心温度高，两边温度低，这是由于电流聚集在中心时，会产生热量的叠加，热量很难散发出去。环氧树脂和基板上的温度分布如图6（e）、6（f）所示，环氧树脂与芯片接触的位置温度较高，并且温度沿着四周降低，距离环氧树脂中心最远的角温度较低。而基板上的最高温度位于施加电流载荷的两个焊点处，其最高温度与最低温度的温度差为4.32 ℃，比芯片的温度差要高。因此，基板上温度分布没有芯片均匀。

随着焊点尺寸的减小，电子产品的失效归结为器件封装焊点的失效[22]。FCBGA 整个封装体中最容易发生电气失效的部位位于焊点层。焊点层的模型结构示意图如图7（a）所示，其主要由介电层、Al 线、底部填充、焊球构成[17]。X1，Y1对应焊点层的上表面的路径，焊点层的下表面的路径使用X2，Y2表示，其仿真结果如图7（b）所示。

图8 为焊点层上下表面2 个路径上的温度变化曲线，其方向均由中心O 点出发向4 个角延伸。不管是X 方向还是Y 方向，这两条路径都经历了温度由高到低的过程。由图8（a）可知，路径X1上的温度先升高再降低，在距离施加关键载荷最近的位置温度达到最高；图8（b）中的温度从O 点依次向边缘降低；图8（c）、（d）中焊点温度随着与中心O 点的距离增大，由最初的缓慢下降到最后的迅速下降，与路径X1，Y1上的温度变化相比，路径X2，Y2表示的下表层的温度比上表层的温度低，主要原因是焊料凸点中电流密度比Al 线大，且Al 线焊接在焊点层的上方。此外，下表层的温度因为受到基板下方大焊点散热的影响，导致该层面上的不同区域间的温度差较大；焊点层上方散热主要经过芯片、EMC，最后通过对流进行散热，因此，该层面的温度差较小。

4 热-结构耦合结果及分析

温度分布均匀及材料间热膨胀系数的不一致都会产生应力[23]。为研究倒装芯片互连结构中的翘曲变形，对FCBGA 进行电-热-结构的间接耦合分析，得到该FCBGA 封装中的位移分布和应力分布图。由图9（a）可看出，FCBGA 的外部因为无任何约束导致其应力比内部小很多，封装体外表面的应力通过膨胀、翘曲得到了释放，而内部组件因为材料的热膨胀系数不同，无法自由膨胀。

FCBGA 封装的整体位移分布如图9（b）所示，位移变化从封装体的中心向四周变化，最大位移位于距离中心点最远的角上，大小为0.413 × 10-5m，结合图9（a）发现，应力最小的点与位移最大的点为同一点，这证明了FCBGA 是通过膨胀、翘曲变形来释放应力，距离中心最远的角得到了最大的释放，该结果与Jin 仿真结果相似[24]。图9（c）为封装变形的侧视图，黑色框线表示的是封装体原先的位置，而多颜色的封装体是变形后的情况。从变形图中可以看出该结构由中心向边缘逐渐变大。为更直观地理解FCBGA 封装中PCB 板的翘曲变形，在封装体中建立了X，Y，Z 3 个通道，依次分别对应0 点到02点、01 点到03 点及0 到01 点。每个通道的翘曲变形情况如图9（d）—（f）所示，宏观上这3 条通道的位移变化均不断增大，Z 通道的终点即为Y 通道的起点，通道Z 上位移变化的最大值与通道Y 上的最小值相等，结果与文中设计的通道相符合。从图9（b）、（d）、（e）和（f）可看出，PCB 板的四周翘曲位移最大，中心的位移最小，从而可推断出整个PCB板的翘曲变形是四周向上翘的。在翘曲变形的过程中，X，Z 通道上翘曲位移变化有点波动，这主要是因为这两个通道的内侧靠近焊点，离焊点越近，焊点的变化就越会对这两侧位移产生影响，而Y通道的那一侧距离焊点较远，因此不会对其的翘曲变形产生影响。

此外，对焊点层建立与图7 相同的路径X1、Y1、X2、Y2，图10 为每条路径上的位移变化曲线图。由图可知，焊点层的每条路径上的位移都是随着路径距离的增大而增大的，并且向四周边缘扩散，其距离焊点层中心最远的角上的位移最大。