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倒装芯片微凸点焊工艺研究及焊点应变有限元仿真

许利伟  
【摘要】:随着倒装芯片封装密度的进一步提高,相应的微凸点尺寸逐渐减小到100 μm左右甚至更小,微尺度条件下焊点的界面反应及可靠性问题将变得更加复杂,亟需进行细致研究。目前针对高铅微凸点焊的研究较少,无法为实际工艺的选择提供理论指导。本论文主要针对目前航空航天领域所使用的FC-CCGA1144器件130 μm微凸点回流后的界面微观组织、晶粒形貌、剪切强度及断裂形式展开细致分析,以优化凸点成分及回流工艺;并针对倒装芯片微凸点的热循环应力应变进行仿真分析。本论文的主要研究内容及结果如下:1.研究95Pb-5Sn、90Pb-10Sn和85Pb-15Sn三种成分的凸点在芯片Ni UBM (Under Bump Metallization)及基板侧Ni-B薄膜上单次和多次回流后的界面反应及剪切性能发现:95Pb-5Sn、90Pb-10Sn凸点与Ni UBM的界面反应速度相对较为缓慢,而85Pb-15Sn凸点与Ni UBM的界面反应速率明显加快,界面晶粒粗化现象明显;界面反应动力学表明Ni-B薄膜的界面反应速率较Ni UBM明显降低,其中85Pb-15Sn与Ni-B的界面反应速率较NiUBM约降低一倍;回流后凸点内Sn含量计算结果表明90Pb-10Sn凸点Sn含量的下降百分比最低;单次和三次回流后界面剪切断裂形式均为钎料内塑性断裂,且钎料内Sn含量增加时接头的剪切强度稍有提高但剪切距离下降。通过界面反应、晶粒尺寸、UBM消耗、剪切性能进行对比分析,倒装芯片凸点成分选择90Pb-10Sn较为合适。2.研究90Pb-10Sn凸点在芯片侧NiUBM及基板侧Ni-B薄膜上不同回流时间后的界面反应及剪切性能发现:回流后两侧界面均形成Ni3Sn4 IMC(Intermetallic Compound),当回流时间由50 s延长至150 s时Ni3Sn4 IMC的平均晶粒尺寸由0.8μm增大到1.2μm;90Pb-10Sn凸点回流150 s时芯片侧Ni UBM消耗较为严重,芯片侧焊盘强度降低,剪切高度较低时部分焊点的失效表现为沿焊盘断裂;90Pb-10Sn凸点在基板侧回流50 s、70 s时焊点的剪切强度约为320 mN,而回流时间延长为100 s、150 s时焊点的剪切强度约为250 mN,降低约20%。通过界面反应、晶粒尺寸、UBM消耗、剪切性能进行对比分析,最终考虑90Pb-10Sn凸点的回流时间选取50~70 s较为合适。3.凸点热循环应力-应变仿真分析表明:采用底部填充后较无底部填充时焊点的应变约降低20~30倍,且底充胶热膨胀系数与凸点热膨胀系数较为接近时,其应变水平进一步下降。凸点尺寸由80 μm增大到130 μm时,凸点内的应变水平有所下降。直径130 μm的凸点回流后高度越低,在热循环过程中焊点所承受的应变越大。不同温度循环曲线的对比结果表明凸点内部的应力水平随升温速率的增加而变大。


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