深圳先進(jìn)電子材料國(guó)際創(chuàng)新研究院專題 | 環(huán)氧塑封料泊松比對(duì)球柵陣列封裝可靠性的影響
本文刊載于《集成技術(shù)》2021年第1期專題“深圳先進(jìn)電子材料國(guó)際創(chuàng)新研究院專題”
摘要 Abstract
隨著電子封裝行業(yè)的迅猛發(fā)展，業(yè)界對(duì)封裝結(jié)構(gòu)可靠性的要求也越來越嚴(yán)格。目前大多數(shù)人將泊松比視為定值，這將在一定程度上影響可靠性評(píng)估。為了進(jìn)一步提高可靠性，適當(dāng)考慮材料泊松比對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的影響具有重要的工程實(shí)踐意義。該文利用有限元分析法，通過設(shè)計(jì)芯片仿真和板級(jí)封裝仿真，分別探究了環(huán)氧塑封料泊松比對(duì)芯片翹曲、芯片界面應(yīng)力以及板級(jí)封裝焊點(diǎn)壽命的影響。通過分析可知：環(huán)氧塑封料泊松比可變對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的翹曲具有較大的影響，而且有可能造成芯片界面分層、芯片達(dá)到應(yīng)力極限而損壞，此外也需要適當(dāng)考慮泊松比對(duì)焊點(diǎn)壽命的影響。隨著芯片不斷向著大尺寸方向發(fā)展，研究材料泊松比將具有更為重要的意義。
1 引 言
隨著芯片技術(shù)不斷地取得突破性進(jìn)展，相同尺寸集成電路芯片上所集成的晶體管數(shù)目每隔 18 個(gè)月就會(huì)增加一倍，并且至少在接下來的十年中有望繼續(xù)保持這種趨勢(shì)。這就是著名的摩爾定律，它在過去幾十年里被證實(shí)是正確的并且在不斷地推動(dòng)著數(shù)字電子、工業(yè)制造以及大數(shù)據(jù)人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展。當(dāng)今，飛速發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已成為技術(shù)和社會(huì)變革、生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要驅(qū)動(dòng)力。隨著芯片集成度的不斷提高、多尺寸芯片的應(yīng)用越來越廣泛，業(yè)界對(duì)芯片可靠性的要求也在逐年上升。因此，進(jìn)一步評(píng)估芯片可靠性并探討深層次原因是至關(guān)重要的。
熱翹曲行為是封裝結(jié)構(gòu)重要的熱機(jī)械特性，其與球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)封裝結(jié)構(gòu)的壽命息息相關(guān)。熱翹曲主要是由封裝結(jié)構(gòu)各部分熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)不匹配而導(dǎo)致的，同時(shí)泊松比(Poisson’s Ratio)也可能對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的翹曲造成很大的影響。泊松比是材料的基本屬性，反映材料的橫向變形能力，其變化將會(huì)影響材料力學(xué)性能的變化。Lee 等通過仿真證實(shí)了泊松比可變對(duì)翹曲量具有較大影響。Hassan 等指出泊松比對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)芯片的可靠性至關(guān)重要。文獻(xiàn)表明材料的泊松比具有較強(qiáng)的溫度依賴性，一些高分子材料的泊松比變化往往十分顯著。但在實(shí)際中，泊松比測(cè)試需要十分專業(yè)的設(shè)備(泊松比測(cè)試儀、DIC、靜水壓測(cè)試等)，尤其是高溫條件下的泊松比往往難以測(cè)試，且測(cè)試成本高昂。由于泊松比的測(cè)試十分復(fù)雜，故大多數(shù)人在研究中仍將泊松比視為常數(shù)，但這可能導(dǎo)致仿真結(jié)果存在較大的不準(zhǔn)確性。此外，封裝結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)最容易發(fā)生疲勞失效，如微振動(dòng)、電遷移、熱翹曲等均會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂失效，并且焊點(diǎn)疲勞失效經(jīng)常被作為封裝結(jié)構(gòu)可靠性的判據(jù)，因此研究可靠性時(shí)須研究焊點(diǎn)的疲勞壽命。
隨著業(yè)界對(duì)封裝結(jié)構(gòu)壽命的要求越來越嚴(yán)格，有必要深入研究泊松比對(duì)封裝結(jié)構(gòu)可靠性的影響。本文研究了環(huán)氧塑封料(Epoxy Molding Compound，EMC)泊松比可變對(duì)芯片翹曲的影響，發(fā)現(xiàn) EMC 泊松比變化會(huì)影響 EMC 的翹曲量。隨著芯片尺寸的增加，泊松比對(duì)翹曲量的影響也會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。除了影響翹曲之外，泊松比也會(huì)改變芯片的界面應(yīng)力分布以及封裝結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的疲勞壽命。因此，在特殊場(chǎng)景下，泊松比對(duì)可靠性的影響不容忽視，適當(dāng)考慮材料泊松比對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的影響具有重要的工程實(shí)踐意義。
2 泊松比影響芯片熱翹曲的仿真分析
由于芯片可靠性測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)且成本高昂，因此有限元仿真被廣泛用于分析芯片的可靠性。其中，有限元仿真能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電子封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布以及疲勞壽命，為可靠性分析提供精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。目前，有限元仿真已成為預(yù)測(cè)封裝結(jié)構(gòu)可靠性的主要手段之一。
2.1 芯片有限元仿真
本文選用引線鍵合(Wire Bonding)芯片模型，來研究 EMC 泊松比可變對(duì)芯片可靠性的影響。為了減少運(yùn)算時(shí)間，本文建立了 1/4 簡(jiǎn)化后的 BGA 封裝模型(圖 1)，并使用大型有限元分析軟件 ABAQUS 對(duì)模型進(jìn)行求解。其中，有限元分析法(FEM)是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)，而網(wǎng)格的質(zhì)量和細(xì)化程度對(duì)結(jié)果會(huì)有所影響，因此本文使用 HYPERMESH16.4 進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格，獲得了質(zhì)量較高的六面體網(wǎng)格，并且網(wǎng)格與網(wǎng)格之間都能形 成共節(jié)點(diǎn)。芯片結(jié)構(gòu)共包括 5 個(gè)部分：環(huán)氧塑封料(EMC)、芯片(Die)、芯片膠(Die Attach)、基板(Substrate)和焊點(diǎn)(Solder Ball)，具體結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)如圖 1 和表 1 所示。
本文采用 ABAQUS 隱式分析，仿真的邊界條件設(shè)置為從 30 ℃ 到 125 ℃ 的加溫，仿真中僅改變 EMC 的泊松比。通過參考文獻(xiàn)的材料參數(shù)，本文將泊松比分別設(shè)為 0.25、0.35 和0.45，其他參數(shù)均不變。
2.2 泊松比對(duì)翹曲的影響
由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，芯片在升溫過程將會(huì)發(fā)生翹曲。在長(zhǎng)、寬尺寸為 20 mm 的 BGA 中，通過觀察 EMC 泊松比為 0.25 時(shí)的翹曲云圖(圖 2(a))可知，EMC 的翹曲量從中心點(diǎn)到邊角點(diǎn)逐漸增加，其中在 EMC 外邊角點(diǎn)處翹曲量最大，為 59.61 μm。為了更直觀地看出泊松比變化對(duì)翹曲量的影響，選取 EMC 外邊角點(diǎn)，繪制出該點(diǎn)的翹曲變化曲線，具體如圖 2(b)所示。經(jīng)過分析可知，EMC 外邊角點(diǎn)的翹曲量隨著泊松比的增加而逐漸降低，翹曲量最多降低約 18 μm。這表明在此封裝結(jié)構(gòu)中，泊松比對(duì)翹曲已經(jīng)有了較為明顯的影響。翹曲過大將會(huì)降低芯片的可靠性，其中翹曲不僅會(huì)影響芯片的應(yīng)力應(yīng)變分布，而且還會(huì)影響回流焊過程中焊接不良的風(fēng)險(xiǎn)，故雖然不考慮泊松比可以簡(jiǎn)化仿真的復(fù)雜性，但在很大程度上會(huì)降低可靠性分析的準(zhǔn)確性。
2.3 不同尺寸芯片的泊松比對(duì)翹曲的影響規(guī)律
在 2.2 小節(jié)的基礎(chǔ)上，本節(jié)繼續(xù)探究芯片尺寸不同時(shí)，EMC 泊松比對(duì)芯片的影響(其他參數(shù)不變)，仿真參數(shù)設(shè)置如表 2 所示。
通過觀察不同尺寸芯片在 EMC 外邊角點(diǎn)處的翹曲量(圖 3(a))可知：泊松比的增加會(huì)降低 EMC 的翹曲，而且芯片的尺寸越大，EMC 的翹曲降低量也越多，降低的速度也越快。為了能直觀地看出尺寸與翹曲變化量的關(guān)系，本文繪制了尺寸與 EMC 外邊角點(diǎn)翹曲變化量的曲線 (圖 3(b))。其中，翹曲變化量(△Warpage)定義為泊松比為 0.25 時(shí)的 EMC 外邊角點(diǎn)翹曲量與泊松比為 0.45 時(shí)的 EMC 外邊角點(diǎn)翹曲量的差值?？梢钥闯?，芯片尺寸的增加能夠大大增加 EMC 的翹曲，且芯片尺寸越大影響的程度也越大；當(dāng) EMC 長(zhǎng)、寬尺寸為 10 mm 時(shí)，翹曲變化量約 2 μm；當(dāng) EMC 長(zhǎng)、寬尺寸為 30 mm 時(shí)，翹曲變化量約 16 μm。因此，隨著芯片尺寸的不斷增加，泊松比對(duì) EMC 翹曲的影響越來越顯著，若不考慮泊松比將會(huì)降低可靠性分析的準(zhǔn)確性。
泊松比是材料的基本屬性，其反映的是材料橫向變形的彈性常數(shù)。泊松比測(cè)量方法一般是在拉伸或壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，材料的橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變比值的絕對(duì)值，如公式(1)所示。在彈性范圍內(nèi)，材料的泊松比一般為常數(shù)，但部分高分子材料有時(shí)并不屬于彈性材料，尤其是在溫度發(fā)生變化時(shí)，其泊松比往往會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)具廣義胡克定律，泊松比變化會(huì)影響材料的體積模量和剪切模量(公式(2～3))。因此，EMC 泊松比變化使得體積模量、剪切模量亦發(fā)生改變，并會(huì)間接影響封裝結(jié)構(gòu)的翹曲以及應(yīng)力應(yīng)變。此外，芯片尺寸也能增加泊松比對(duì)翹曲的影響，這是因?yàn)槁N曲能夠在長(zhǎng)度方向上不斷積累。EMC 本身為高分子材料，其泊松比具有溫度依賴性，在仿真中將泊松比視為常數(shù)會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生較大的誤差。由此可見，考慮泊松比對(duì)于進(jìn)一步提高封裝結(jié)構(gòu)可靠性具有非常重要的意義。
其中，εx 為橫向正應(yīng)變；εy 為軸向正應(yīng)變；E 為彈性模量。
3 泊松比對(duì)芯片界面應(yīng)力的影響分析
界面應(yīng)力過大往往會(huì)造成芯片界面開裂，甚至導(dǎo)致部分組件損壞。本節(jié)在第 2 小節(jié)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究 EMC 泊松比對(duì)芯片界面應(yīng)力的影響。如圖 4(a、b)所示，通過觀察 EMC 的應(yīng)力云圖可知 EMC 存在 2 個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)：A 點(diǎn)為 EMC 內(nèi)邊角點(diǎn)，表現(xiàn)為基板對(duì) EMC 的應(yīng)力，該點(diǎn)應(yīng)力過大將會(huì)導(dǎo)致 EMC 和基板的接觸面發(fā)生開裂；B 點(diǎn)為芯片邊角與 EMC 邊角接觸的點(diǎn)，表現(xiàn)為芯片對(duì) EMC 產(chǎn)生的應(yīng)力。根據(jù)圖 4(c、d) 可知，EMC 泊松比的增加能增大危險(xiǎn)點(diǎn) A 的應(yīng)力，z 方向的應(yīng)力增大了 1 MPa(增幅約 25%)， 等效應(yīng)力增大了約 1 MPa(增幅約 10%)。EMC 翹曲本身是一種應(yīng)力釋放的過程，翹曲量減小反而可能導(dǎo)致應(yīng)力不斷積累。因此，泊松比增加導(dǎo)致翹曲量減小(圖 3)，進(jìn)而導(dǎo)致 A 點(diǎn)應(yīng)力增加。相反，芯片尺寸對(duì) A 點(diǎn)的應(yīng)力影響則較小，芯片尺寸的增加導(dǎo)致翹曲增加，這在一定程度上會(huì)釋放 A 點(diǎn)的應(yīng)力，導(dǎo)致芯片尺寸對(duì) A 點(diǎn)應(yīng)力的影響較小。由此可知，考慮泊松比能夠進(jìn)一步提高芯片界面應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性，而芯片尺寸對(duì)界面應(yīng)力的影響則較小。
根據(jù)芯片應(yīng)力云圖(圖 5(a))可知，B 點(diǎn)為芯片應(yīng)力最大值點(diǎn)，該點(diǎn)與 EMC 危險(xiǎn)點(diǎn)處于同一位置，是容易發(fā)生疲勞失效的關(guān)鍵位置。如圖 5(b、c)所示，EMC 泊松比從 0.25 增大至 0.45 時(shí)(尺寸不變)，危險(xiǎn)點(diǎn) B 的等效應(yīng)力增加約 6 MPa。這是因?yàn)楫?dāng) EMC 泊松比增加時(shí)，芯片的翹曲會(huì)減少，導(dǎo)致芯片應(yīng)力積累，進(jìn)而 B 點(diǎn)應(yīng)力增加。當(dāng)芯片長(zhǎng)、寬尺寸從 10 mm 增大至 30 mm(泊松比不變)，危險(xiǎn)點(diǎn) B 的等效應(yīng)力增加約 8 MPa。這主要是因?yàn)?B 點(diǎn)(芯片)被包圍在 EMC 腔體之中，由于芯片尺寸增加而增大的影響(熱膨脹)會(huì)全部作用在 EMC 的腔體中，應(yīng)力無法釋放，導(dǎo)致 B 點(diǎn)應(yīng)力增加。因此，適當(dāng)考慮泊松比能夠進(jìn)一步提高芯片應(yīng)力分布的精確度，尤其是在大尺寸芯片中，泊松比可能是導(dǎo)致芯片失效的重要原因。
4 板極封裝中泊松比影響焊點(diǎn)壽命的仿真分析
在板級(jí)封裝結(jié)構(gòu)中，焊點(diǎn)需要承受電負(fù)載和熱應(yīng)力(既要保證芯片和基板之間的電互通，還要起到組裝 PCB 與芯片的作用)，故焊點(diǎn)往往最容易出現(xiàn)疲勞失效。業(yè)界一般將焊點(diǎn)疲勞壽命作為封裝結(jié)構(gòu)可靠性的判據(jù)，因此需要重點(diǎn)考慮泊松比對(duì)焊點(diǎn)疲勞壽命的影響。
疲勞韌性系數(shù)可以采用線性溫度相關(guān)性和對(duì)數(shù)頻率相關(guān)性來描述，且需要同時(shí)考慮兩種疲勞韌性參數(shù)的相關(guān)性，具體如公式(5～7)所示：
在板級(jí)封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本節(jié)主要研究泊松比可變對(duì)焊點(diǎn)疲勞壽命的影響。板級(jí)封裝結(jié)構(gòu)是將芯片級(jí)封裝結(jié)構(gòu)組裝在 PCB 板上，同樣建立 1/4 封裝結(jié)構(gòu)，如圖 6(b)所示。考慮到泊松比對(duì)大尺寸影響更顯著，芯片選用長(zhǎng)、寬尺寸為 30 mm 的芯片(表 2 中序號(hào) 10～12 組)，設(shè)置不同 EMC 泊松比，分別為 0.25、0.35、0.45。PCB 板的楊氏模量為 26 GPa，泊松比為 0.30，CTE 為 16 ppm/℃；底部填充膠的楊氏模量為 6 500 MPa， 泊松比為 0.30，CTE 為 29.5 ppm/℃。Wang 等采用黏塑性本構(gòu)模型(Unified Creep-plasticity Constitutive Model，UCP)來描述焊點(diǎn)的材料屬 性，并估算了電子封裝結(jié)構(gòu)的熱疲勞壽命。參照 Wang 等、Long 等的研究方法，本文焊點(diǎn)采用彈塑性本構(gòu)模型，其余材料參數(shù)與上文所述一 致。溫度循環(huán)邊界采用 JESD22-A104C 標(biāo)準(zhǔn)，其中，溫度循環(huán)加載如圖 7 所示。
通過觀察焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D(圖 8(a))知：芯片對(duì)其下方的焊點(diǎn)影響十分顯著，等效塑性應(yīng)變最大點(diǎn)位于芯片邊角下的焊點(diǎn)中，且該點(diǎn)最容易發(fā)生疲勞失效，其等效塑性應(yīng)變約 0.002 136。通過選取板級(jí)封裝仿真中最大等效塑性應(yīng)變點(diǎn)，繪制了等效塑性應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線可知，EMC 泊松比增大將會(huì)增加焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變，如圖 8(b)所示。將 3 種仿真結(jié)果的等效塑性應(yīng)變代入公式(4)中可得：EMC 泊松比為0.25 時(shí)，Nf＝90 582；EMC 泊松比為 0.45 時(shí)；Nf = 88 851。因此，泊松比增大會(huì)略微降低焊點(diǎn)的疲勞壽命， 影響芯片的可靠性。
需要注意的是，EMC 泊松比產(chǎn)生的影響是直接作用于基板和芯片上的，其對(duì)焊點(diǎn)壽命的影 響程度相對(duì)較小，但芯片中與焊點(diǎn)鄰近部分的泊松比發(fā)生變化時(shí)(如基板、PCB 板以及底部填充膠(UF)等)，將會(huì)大大影響焊點(diǎn)的疲勞壽命。本文也通過設(shè)置 EMC 泊松比不變(為 0.35)時(shí)，僅改變底部填充膠的泊松比，計(jì)算出對(duì)應(yīng)疲勞壽命為：UF 泊松比為 0.20 時(shí)，Nf＝393 400；UF 泊松比為 0.30 時(shí)，Nf ＝90 582；UF 泊松比為 0.40時(shí)；Nf＝11 892。顯然，UF 泊松比增加會(huì)大大降低焊點(diǎn) 的疲勞壽命，故不能忽視泊松比對(duì)焊點(diǎn)疲勞壽命的影響。因此，在預(yù)測(cè)焊點(diǎn)疲勞壽命時(shí)， 適當(dāng)考慮材料泊松比具有十分重要的意義。
5 討論與分析
目前，雖然大多數(shù)學(xué)者為了簡(jiǎn)化材料參數(shù)研究的計(jì)算時(shí)間，一般都會(huì)將材料泊松比視為常數(shù)，但是簡(jiǎn)化處理也會(huì)對(duì)結(jié)果精度產(chǎn)生一定的影響。Lee 等通過改變 EMC 泊松比(從 0.20 到 0.45)，測(cè)得翹曲量變化約 25 μm。本文改變 EMC 泊松比(從 0.25 到 0.45)，測(cè)得 EMC 最大翹曲量變化約 18 μm。因此，EMC 泊松比變化將影響芯片的翹曲量，這與 Lee 等的結(jié)論是相同的。同時(shí)，本文在研究 EMC 泊松比改變會(huì)增加芯片翹曲量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了芯片尺寸增加能夠增大 EMC 泊松比變化對(duì)翹曲的影響；并且 EMC 泊松比增加會(huì)造成芯片與基板接觸界面應(yīng)力增加(A 點(diǎn)應(yīng)力最大增加了約 1 MPa，增 幅約 25%)、芯片與 EMC 接觸點(diǎn)應(yīng)力增加(B 點(diǎn)應(yīng)力最大增加了 6 MPa)，這可能造成芯片界面分層、芯片達(dá)到應(yīng)力極限而損壞。此外，Hassan 等指出輸入精準(zhǔn)泊松比對(duì)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)芯片可靠性具有非常重要的意義，本文研究表明 EMC 泊松比會(huì)輕微降低焊點(diǎn)的疲勞壽命(焊點(diǎn)壽命降低了 3 200 多次循環(huán)，僅降低總壽命的 3%)，但當(dāng)芯片中與焊點(diǎn)鄰近部分的泊松比發(fā)生變化時(shí)，材料泊松比在很大程度上會(huì)影響焊點(diǎn)的疲勞壽命(如 UF 材料泊松比變化后，壽命降低了 381 508 次循環(huán)，降低總壽命的 97%)。
6 總結(jié)
隨著業(yè)界對(duì)可靠性的要求越來越嚴(yán)格，進(jìn)一步評(píng)估泊松比對(duì)封裝結(jié)構(gòu)可靠性的影響并探討深層次原因是至關(guān)重要的。本文利用有限元分析法，通過研究芯片仿真和板級(jí)封裝仿真，分別探究了 EMC 泊松比對(duì)芯片翹曲、芯片應(yīng)力分布以及板級(jí)封裝焊點(diǎn)壽命的影響。通過分析可知：EMC 泊松比可變對(duì)翹曲具有較為明顯的影響，而且這種影響會(huì)隨著芯片尺寸的增加而增加；泊松比增加也有可能造成芯片界面分層、芯片達(dá)到應(yīng)力極限而損壞；EMC 泊松比也會(huì)影響焊點(diǎn)的疲勞壽命，尤其是當(dāng)芯片中與焊點(diǎn)鄰近部分的泊松比發(fā)生變化時(shí)，在很大程度上會(huì)影響焊點(diǎn)的疲勞壽命。因此，為了提高封裝結(jié)構(gòu)可靠性的設(shè)計(jì)精度，需要考慮泊松比對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的影響。隨著芯片不斷向著大尺寸方向發(fā)展，研究材料泊松比 對(duì)封裝可靠性的影響具有更為深遠(yuǎn)的意義。
引用本文：李呈龍,鐘誠(chéng),劉永超,郭蕊,魯濟(jì)豹,孫 蓉.環(huán)氧塑封料泊松比對(duì)球柵陣列封裝可靠性的影響 [J].集成技術(shù),2021,10(1):63-73