焊点尺度对微互连的热疲劳可靠性影响

王丙鹏 钱银海 李国俊 王东 田野

摘 要：【目的】研究焊点尺度对微互连的热疲劳可靠性的影响，【方法】采用有限元模拟法结合试验来研究不同尺度焊点在热循环载荷下的可靠性。【结果】模拟结果表明，同位置小尺寸焊点封装体的位移和焊点的累积塑性应变能密度均高于大尺度焊点，且最外侧焊点的数值最高，为最容易失效的关键焊点。关键焊点上累积的塑性应变能密度集中在焊盘和钎料接触界面的边角处，向内会逐渐减小，表明裂缝会在边角处出现并向内延伸，与试验结果吻合。【结论】根据Darveaux寿命模型，大尺度焊点的寿命要高于小尺度焊点。

关键词：不同尺度；焊点；有限元分析；热循环

中图分类号：TG454      文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2023）09-0031-04

Abstract：[Purposes] To study the influence of solder joint size on the thermal fatigue reliability of micro-interconnection. [Methods] Uses finite element simulation method combined with experiments to study the reliability of different scale solder joints under thermal cycle load.[Findings] The simulation results show that the displacement of the small-size solder joint package at the same position and the cumulative plastic strain energy density of the solder joints are higher than those of the large-scale solder joints， and the outermost solder joints have the highest value and are the most vulnerable key solder joints. The cumulative plastic strain energy density on the key solder joints is concentrated at the corners of the pad and solder contact interface and gradually decreases inwards， indicating that cracks will appear at the corners and extend inwards， which is consistent with the test results. [Conclusions] According to the Darveaux life model， the life of large-scale solder joints is higher than that of small-scale solder joints.

Keywords： different scales; solder joints; finite element analysis; thermal cycle

0 引言

隨着微电子产品向多功能化和微小化方向发展，微电子封装体积也越来越小，封装间距和焊点尺寸在迅速减小。倒装芯片中不同材料的热膨胀系数相差较大，在热循环环境中易因热失配导致焊点早期失效，小尺寸焊点将承受更高的应力和更大的应变［1］，热疲劳问题成为影响焊点可靠性的最显著问题［2］。因此，研究焊点尺度对焊点热疲劳的影响具有非常重要的意义。

目前，已有学者对热循环条件下焊点可靠性进行研究。孙勤润等［3］通过有限元仿真确定芯片边角焊点为热失效的关键焊点，用田口法来优化焊点结构；熊明月等［4］通过有限元试验发现，焊点材料和焊点高度是影响热循环塑性应变能密度的重要因素。其他学者部分研究结果［5-6］也表明，焊点尺寸对热疲劳可靠性有着重要影响，但不同尺寸焊点在热循环下的失效机理和寿命评估仍要进行系统性研究。

本研究通过有限元模拟试验对倒装封装焊点在热循环下的可靠性进行研究，研究焊点在热循环条件下的失效模式和失效机理，分析不同尺寸焊点在热循环过程累计塑性应变能的变化，通过Darveaux理论寿命模型来预测不同焊点间距下的倒装焊点疲劳寿命，通过对比分析焊点尺寸因素对倒装互连可靠性的影响，为倒装焊点的微小化提供可靠性依据。

1 试验方法

试验采用互连间距为250 μm的Flip-Chip（FC）器件，器件硅芯片尺寸为10 mm×10 mm、焊点高度为120 μm、间距为250 μm，焊盘材料为镍，直径为100 μm、厚度为7 μm。基板尺寸15 mm×15 mm。当焊盘材料为铜时，厚度和直径与镍焊盘相同。使用键合机让芯片和基板互连，用Hysol 4531填胶对芯片进行固化，对器件进行超声和电阻检测，确保筛选出互连良好的试验样品。对样品进行热冲击试验，高温为125 ℃，低温为-55 ℃，每间隔100次循环取出样品，观察焊点处的裂纹生长情况，用扫描电镜观察磨抛后的样品横截面微端形貌。

2 模型建立和计算

2.1 模型建立

倒装芯片封装实体模型局部截面如图1所示，倒装芯片由芯片、焊球、底部填充胶体、BT基板、Cu焊盘、Ni焊盘组成。本研究对250 μm、100 μm间距下不同尺寸焊点进行建模分析。所选择的焊点间距与互连高度比例为20∶9，焊点间距与焊点直径比例为5∶3，焊点间距越大代表焊点尺寸越大。

FC器件中焊点数量多且具有对称性，在保证有限元模拟精确性的前提下，为节约计算时间，建立二分之一二维几何模型，用映射网格进行网格划分，结果如图2所示。因焊点体积小，在图2（a）中难以看清细节，特将边角处的局部放大，如图2（b）所示。

2.2 参数选择和载荷施加

钎料选用SAC305（Sn3.5Ag0.5Cu），使用Anand本构模型进行统一粘塑性分析［3］。为更接近实际使用中焊点所经历的温度变化，根据美国军标MIL-STD-883来确定热循环温度载荷条件，即高温为125 ℃、低温为-55 ℃、驻留时间为10 min、高低温转换时间为5 min。

3 计算结果及分析

3.1 封装体整体位移分析

在温度循环载荷的加载过程中，封装体内各材料之间存在热失配问题，导致不同材料的膨胀和收缩程度产生差异。在高温时，由于BT基板比Si芯片的热膨胀系数大，焊球因热膨胀而发生剪切变形。在低温时，焊球将受冷收缩，在相反方向发生剪切变形，经多次热循环，芯片可能会失效。

变形在有限元中表现为位移的变化，通过位移云图来展现。八个热循环后，125 ℃时封装体位移云图如图3所示。由图3可知，两种焊点间距的下封装体位移出现相同规律，封装体位移从左向右逐渐变大，表明位移由左到右逐渐增大，最左边的位移最小，位移最大值出现在BT基板的最右端，100 μm焊点间距封装体最大位移要大于250 μm，模拟结果和芯片受到热冲击后的翘曲现象相符［7］。

3.2 焊点上的累积塑性应变能密度分析

在热循环条件下，温度载荷不断变化，焊点所受到的应变能将不断累积。当应变能累积到一定限度后，倒装焊点将产生裂纹，导致焊点失效。通常采用累计应变能密度来分析焊点的受损程度［8］。

八个热循环后125 ℃时焊点累积塑性应变能密度如图4所示。倒装芯片中焊点的塑性应变能密度从左往右逐渐增大，最大值出现在最外侧的焊点上，相同位置小尺寸焊点的累计应变能密度高于大尺寸焊点。

3.3 关键焊点上位移及累积塑性应变能密度分析

根据前两个小节分析可知，受到热载荷冲击时，封装体位移和焊点累积塑性应变能密度从里向外依次变大，最外侧的焊点累积塑性应变能密度最大。可断定最外侧焊点容易断裂失效，将其定义为关键焊点，单个焊点失效会导致整个封装体失效，关键焊点的可靠性决定封装整体的可靠性。

两种间距关键焊点的位移云图和累积应变能密度的分布规律相同，仅取250 μm间距焊点进行分析。250 μm焊点间距下八个热循环后125 ℃时关键焊点的位移云图和累积塑性应变能密度云图如图5所示。由图5（a）可知，边角焊点的位移变化从下到上逐渐变大，边角焊点的最大位移在镍焊盘与焊球交界面上，表明此处最易发生热失配变形。由5（b）可知，左上角和右下角出现最大区域，表明这两个位置累积塑性应变能密度高，焊盘和焊球交界边角处容易产生裂纹。

热循环后关键焊点的裂纹扩展如图6所示。裂纹也是出现在左上角和右下角，向中间延伸，和累积塑性应变能密度结果一致，说明有限元模拟的合理性。

3.4 焊点寿命预测

改进后的Darveaux疲劳寿命计算见式（1）。

式中：[εn]为焊点的正应变；[W]为焊点的累积非弹性性应变能密度；[εC]为焊点的累积非弹性应变；[C1到C8]为常数；[W]、[εC] 、[εn]值可从Ansys中提取。

将数据带入到公式中，得到两种不同焊点间距下关键焊点的疲劳寿命，250 μm焊点间距疲劳寿命为1 156个循环，100 μm间距焊点疲劳寿命为288个循环。

4 结论

①热循环下，相同位置100 μm间距封装体的位移和焊点的累积塑性应变能密度要高于250 μm，且由内向外逐渐增加。边角焊点在所有焊点中累积塑性应变能密度最大，最容易失效，是关键焊点。关键焊点的裂纹出现在焊盘和焊球的交界位置边角处，并从外向内延伸。

②根据的Darveaux疲劳寿命模型，大尺寸焊点的疲劳寿命要高于小尺寸焊点，250 μm间距和100 μm间距焊点的预计寿命分别为1 156次循环和288次循环。

参考文献：

［1］田野.热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性-应力应变［J］.焊接学报，2016（8）：67-70，132.

［2］汤巍，景博，黄以锋，等.温度与振动耦合条件下的电路板级焊点失效模式与疲劳寿命分析［J］.电子学报，2017（7）：1613-1619.

［3］孙勤润，杨雪霞，劉昭雲，等.基于有限元仿真的BGA焊点可靠性分析［J］.电子器件，2022（4）：860-865.

［4］熊明月，张亮，刘志权，等.基于田口法的CSP器件结构优化设计［J］.焊接学报，2018（5）：51-54，131.

［5］谭广斌，杨平，陈子夏.田口试验法在PBGA焊点可靠性中的应用［J］.焊接学报，2008（12）：97-100，118.

［6］王建培，黄春跃，梁颖，等.基于回归分析和遗传算法的BGA焊点功率载荷热应力分析与优化［J］.电子学报，2019（3）：734-740.

［7］高娜燕，陈锡鑫，仝良玉，等.倒装焊塑封翘曲失效分析［J］.电子产品可靠性与环境试验，2020（2）：61-65.

［8］KIM J W，KIM D G，HONG W S，et al.Evaluation of solder joint reliability in flip-chip packages during accelerated testing［J］.Journal of electronic materials，2005（12）：1550-1557.