焊點(diǎn)形體與高度對熱疲勞壽命的影響

楊建生

(天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000)

焊點(diǎn)形體與高度對熱疲勞壽命的影響

楊建生

(天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000)

探討了焊點(diǎn)形體與高度對熱疲勞壽命的影響，采用加速溫度循環(huán)和粘附試驗(yàn)，評定焊點(diǎn)疲勞壽命。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜儀（EDX）、掃描聲學(xué)顯微鏡（無損評價）和光學(xué)顯微鏡，檢查焊點(diǎn)完整性，并探測加速疲勞試驗(yàn)之前及期間的裂紋和其他缺陷。加速溫度循環(huán)試驗(yàn)清楚地表明，焊點(diǎn)疲勞失效過程包括三個階段：裂紋萌生、裂紋傳播和徹底失效。試驗(yàn)結(jié)果表明，沙漏形體和大支座高度都可提高焊點(diǎn)疲勞壽命，支座高度為更有效因素。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，焊點(diǎn)形體是影響裂紋萌生時間的主要因素，而支座高度是影響裂紋傳播時間的關(guān)鍵因素。關(guān)鍵詞：焊點(diǎn)形體與高度；可靠性；焊料凸點(diǎn)；熱疲勞

當(dāng)今芯片級互連最有前途的技術(shù)之一為倒裝芯片技術(shù)，已成為低成本、高密度和高性能的集成電路互連技術(shù)。球柵陣列（BGA）是作為更高I/O、更高性能和效率趨勢的一級、二級互連選擇，這些面陣列封裝（倒裝芯片、芯片規(guī)模封裝CSP和BGA），要求對芯片和基板表面形成焊點(diǎn)。然而，焊點(diǎn)疲勞是面陣列封裝的關(guān)鍵問題，CTE不匹配造成的熱應(yīng)變和應(yīng)力，是焊點(diǎn)互連失效的主要原因。影響焊點(diǎn)疲勞特性的因素很多，諸如焊點(diǎn)幾何構(gòu)形、芯片尺寸、界面金屬化、下填充物和基板材料等。在這些因素中，焊點(diǎn)幾何構(gòu)形起著很重要的作用[1]。數(shù)學(xué)計(jì)算和有限元模型表明，在溫度循環(huán)期間沙漏形焊點(diǎn)具有最低的塑料應(yīng)變和應(yīng)力，具有最長的壽命。通過傳統(tǒng)焊料凸點(diǎn)技術(shù)形成的焊點(diǎn)，呈現(xiàn)為球截形體。采取幾種方法來提高支座高度，控制焊點(diǎn)連接的形狀。成功研發(fā)疊層焊料凸點(diǎn)技術(shù)工藝，裝配3個疊層沙漏形焊點(diǎn)。

焊點(diǎn)形體是主要因素，支座高度更有效，但在提高沙漏形焊點(diǎn)中焊點(diǎn)的可靠性方面不清楚。幾何形體對可靠性影響的大多數(shù)研究沒有把形體和高度對焊點(diǎn)壽命的影響分開，理由是這些研究使焊料量保持不變，分析在不同焊點(diǎn)構(gòu)形中的應(yīng)力和應(yīng)變分布，采用一些疲勞模型來預(yù)測不同焊點(diǎn)構(gòu)形的壽命。顯然，對同樣的焊料量和同樣的焊盤尺寸而言，沙漏形焊點(diǎn)將具有最大的支座高度，圓柱形焊點(diǎn)其次，桶形焊點(diǎn)具有最低的高度，焊點(diǎn)支座高度也影響疲勞壽命，本文旨在研討形體和高度對焊點(diǎn)疲勞壽命的影響。對功率半導(dǎo)體芯片[如絕緣柵門極晶體管（IGBT），二極管]互連而言，不同形體和高度焊點(diǎn)的探討，作為原始動因，目的是提高功率電子封裝應(yīng)用的焊點(diǎn)壽命。在有不同焊點(diǎn)構(gòu)形的焊點(diǎn)裝配上，進(jìn)行加速溫度循環(huán)試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，評定焊點(diǎn)疲勞壽命。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜儀（EDX）、掃描聲學(xué)顯微鏡（SAM）和光學(xué)顯微鏡，檢查焊點(diǎn)的完整性，并在加速疲勞試驗(yàn)前或期間，檢查裂紋和其他缺陷[1]。文章對壓焊焊盤的桶形和疊層沙漏形焊點(diǎn)的粘附強(qiáng)度進(jìn)行了描述和分析，論述了熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果以及形體和高度對焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響。

1 試驗(yàn)程序

通過粘附試驗(yàn)和加速溫度循環(huán)試驗(yàn)來評定焊點(diǎn)的可靠性，在作為加工的焊點(diǎn)裝配樣品及溫度循環(huán)樣品上，進(jìn)行破壞性拉伸試驗(yàn)，研討不同焊點(diǎn)構(gòu)形的粘附強(qiáng)度，以及對于溫度循環(huán)這些焊點(diǎn)構(gòu)形的粘附強(qiáng)度變化和斷裂特性[2]。在加速溫度循環(huán)試驗(yàn)期間，實(shí)施進(jìn)程中的電阻測量和諸如掃描聲學(xué)顯微鏡及光學(xué)顯微鏡的無損評定，檢查焊點(diǎn)失效特性。焊點(diǎn)互連電阻，采用4點(diǎn)探測法進(jìn)行測量，作為失效標(biāo)準(zhǔn)。把評定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為電阻增加20%，也就是說，當(dāng)電阻存在20%的增加，認(rèn)為焊料凸點(diǎn)互連失效。

1.1 試驗(yàn)樣品

采用疊層焊料凸點(diǎn)工藝裝配焊點(diǎn)，試驗(yàn)樣品的焊點(diǎn)構(gòu)形如圖1所示。這些焊點(diǎn)構(gòu)形為單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)、3個疊層桶形焊點(diǎn)和3個疊層沙漏形焊點(diǎn)。單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)由熔化溫度183℃的共熔Pb/Sn焊料（Sn63/Pb37）構(gòu)成，3個疊層焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)由內(nèi)帽、中間焊球和外帽構(gòu)成，內(nèi)帽和外帽均為Sn63/Pb37共熔焊料，中間焊凸為熔化溫度268℃的Sn10/Pb90焊料，凸點(diǎn)下金屬化（UBM）為Ti/Ni/Ag。

1.2 拉伸試驗(yàn)

鋁焊盤和UBM膜、UBM膜和焊點(diǎn)以及焊點(diǎn)和基板焊盤界面之間的粘附，對倒裝芯片和BGA裝配是關(guān)鍵，由于這些界面最易損壞，測試焊點(diǎn)的壓焊強(qiáng)度是非常重要的，履行拉伸測試。

為了研討完整焊點(diǎn)的拉伸載荷特性以及樣品暴露于一定時間的溫度循環(huán)后的拉伸載荷特性，把焊料凸點(diǎn)式芯片用倒裝焊方式壓焊到剛性印制電路板。在800、1 200個溫度循環(huán)之前和之后，在疊層沙漏形焊點(diǎn)與單個桶形焊點(diǎn)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。溫度循環(huán)狀況為：溫度范圍：-40℃和125℃，溫度提升率約為6℃/min，125℃時的停延時間2 min，溫度下降率約為6℃/min，-40℃時的停延時間2 min。圖2示出了拉伸試驗(yàn)芯片構(gòu)形，對每個試驗(yàn)芯片而言，有7個焊盤。采用焊料掩模，確定焊料凸點(diǎn)接觸面積，并在7個焊盤上形成7個焊點(diǎn)。圖3示出了疊層沙漏形焊點(diǎn)和單個桶形焊點(diǎn)的拉伸試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，以及拉伸樣品的照片。

圖1 試驗(yàn)樣品的焊點(diǎn)構(gòu)形

1.3 加速溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度循環(huán)試驗(yàn)是用于評定焊點(diǎn)互連可靠性最重要的試驗(yàn)之一，溫度循環(huán)試驗(yàn)的宗旨就是評定暴露在極端高低溫狀況下封裝結(jié)構(gòu)的電阻和穩(wěn)健性，以及在極端狀況下替代暴露的影響。在環(huán)測熱循環(huán)室里進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，環(huán)測熱循環(huán)室中的環(huán)境溫度定期從熱到冷變換。把試驗(yàn)樣品從室內(nèi)移出，進(jìn)行試驗(yàn)，定期描述完整性[3]。

每個芯片上有7個焊點(diǎn)，芯片尺寸和焊點(diǎn)位置如圖4（a）所示。所有的測試樣品采用倒裝焊粘貼到如圖4（b）所示的測試載具上。研討中所有的測試樣品都沒有下填充物，3個不同焊點(diǎn)構(gòu)形，如圖1所示，它們?yōu)閱蝹€凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)、3個疊層桶形焊點(diǎn)和3個疊層沙漏形焊點(diǎn)。對每個構(gòu)形，測試3個樣品，也就是說，測試21個焊點(diǎn)。溫度循環(huán)狀況計(jì)劃如下：溫度范圍：-40℃和125℃，溫度提升率為6.6℃/min，125℃時的停延時間5 min，溫度下降率為6.6℃/min，-40℃時的停延時間5 min。

圖2 拉伸及剪切試驗(yàn)芯片構(gòu)形

圖3 拉伸試驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡圖與測試樣品照片

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

通過單個桶形焊點(diǎn)和疊層沙漏形焊點(diǎn)的拉伸試驗(yàn)，弄清典型載荷位移與工程應(yīng)力之間的關(guān)系。把焊點(diǎn)與芯片焊盤界面（與焊點(diǎn)和基板焊盤的面積一樣）總面積載荷分離，計(jì)算單個桶形焊點(diǎn)的工程應(yīng)力。把中間焊球總圓形區(qū)域面積的載荷分離，計(jì)算疊層沙漏形焊點(diǎn)的工程應(yīng)力?？煽闯觯瑔蝹€桶形焊點(diǎn)失效載荷大于疊層沙漏形焊點(diǎn)的失效載荷，但是單個桶形焊點(diǎn)的失效應(yīng)力低于疊層沙漏形焊點(diǎn)的失效應(yīng)力。單個桶形焊點(diǎn)的失效應(yīng)力低于疊層沙漏形焊點(diǎn)的失效應(yīng)力，而失效載荷較高的原因在于單個桶形焊點(diǎn)和疊層沙漏形焊點(diǎn)的失效位置是完全不同的。對單個桶形焊點(diǎn)而言，失效要么在焊點(diǎn)和芯片焊盤界面（約80%）附近的焊料中發(fā)生，要么在焊點(diǎn)和基板焊盤界面之間（約20%）附近的焊料中發(fā)生。另一方面，疊層沙漏形焊點(diǎn)全體一致在焊點(diǎn)的中間頸項(xiàng)處失效，即中間高鉛焊料球斷裂。試驗(yàn)表明，疊層沙漏形焊點(diǎn)比單個桶形焊點(diǎn)具有更大的粘附強(qiáng)度。

圖4 芯片尺寸和焊點(diǎn)位置

同樣，可得到在拉伸試驗(yàn)下800和1 200個溫度循環(huán)后，單個桶形焊點(diǎn)和疊層沙漏形焊點(diǎn)的失效載荷。800個溫度循環(huán)后，單個桶形焊點(diǎn)的失效載荷高于疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況。但1 200個溫度循環(huán)后，單個桶形焊點(diǎn)的失效載荷低于疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況。對此兩種狀況，認(rèn)為單個桶形焊點(diǎn)的失效應(yīng)力低于疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況。800和1 200個溫度循環(huán)后，單個桶形焊點(diǎn)的失效位置仍要么在焊點(diǎn)對芯片焊盤界面附近，要么在焊點(diǎn)對基板焊盤界面附近，而拉伸試驗(yàn)狀況下疊層沙漏形焊點(diǎn)的失效位置，不再全體一致在焊點(diǎn)的中間頸項(xiàng)處，也不再全體一致在焊點(diǎn)對芯片和基板焊盤界面處。疊層沙漏形焊點(diǎn)的大部分失效位置，從焊點(diǎn)的中間頸項(xiàng)處向更接近焊點(diǎn)和焊盤界面的位置，特別是1 200個循環(huán)后小部分完全轉(zhuǎn)移到焊盤界面的焊點(diǎn)。由于疊層沙漏形焊點(diǎn)的斷裂位置改變以及斷裂區(qū)域的不一致，計(jì)算溫度循環(huán)后的各種失效應(yīng)力是非常困難的。隨著溫度循環(huán)數(shù)量的增大，單個桶形焊點(diǎn)和疊層沙漏形焊點(diǎn)的粘附強(qiáng)度降低，認(rèn)為粘附強(qiáng)度的降低是溫度循環(huán)期間焊點(diǎn)退化的結(jié)果。顯然，單個桶形焊點(diǎn)的粘附強(qiáng)度比疊層沙漏形焊點(diǎn)的粘附強(qiáng)度下降得更快，這表明單個桶形焊點(diǎn)的可靠性低于疊層沙漏形焊點(diǎn)的可靠性。

2.2 溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

從溫度循環(huán)期間的單個桶形凸點(diǎn)、疊層桶形和疊層沙漏形焊點(diǎn)的電阻增加狀況可看出，3個不同的疲勞退化階段為裂紋萌生、裂紋傳播和徹底失效[3]。裂紋萌生階段確定為不存在電阻顯著增大（＜5%）的階段，而在裂紋傳播階段，電阻保持持續(xù)增大，在徹底失效階段電阻顯著增大，設(shè)定20%的電阻增大作為失效標(biāo)準(zhǔn)。單個桶形焊點(diǎn)的平均疲勞壽命約為2 200個循環(huán)，疊層沙漏形焊點(diǎn)的平均總疲勞壽命大約為3 500個循環(huán)，大于單個桶形焊點(diǎn)的狀況。疊層桶形焊點(diǎn)的平均總疲勞壽命大約為3 000個循環(huán)，大于單個桶形焊點(diǎn)但小于疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況?？晒烙?jì)焊點(diǎn)的裂紋萌生、裂紋傳播和徹底失效的時間，疊層桶形焊點(diǎn)的裂紋萌生時間大體上等于單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的狀況，而裂紋傳播時間等于疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況。

在依次進(jìn)行1 400、1 700、2 000、2 200和2 400個溫度循環(huán)之后，從圖5所示單個桶形焊點(diǎn)與芯片之間界面的典型C-SAM圖像可看出，對疊層桶形和疊層沙漏形焊點(diǎn)而言，得到的C-SAM圖像是一樣的，C-SAM的頻率為75 MHz，C-SAM圖像驗(yàn)證了電阻增大是由于焊點(diǎn)裂紋現(xiàn)象，可看出1 400個溫度循環(huán)后，部分焊點(diǎn)逐漸消失或根本不存在，隨后越來越多的區(qū)域逐漸退化或消失，這清楚地表明了溫度循環(huán)期間裂紋傳播。對裂紋區(qū)域設(shè)定不同的顏色進(jìn)行計(jì)算，在不同溫度循環(huán)狀況計(jì)算焊點(diǎn)裂紋面積，檢查裂紋增長過程。從計(jì)算情況來看，對在1 400、1 700、2 000、2 200和2 400個溫度循環(huán)狀況下，測試芯片上7個焊點(diǎn)的單個桶形焊點(diǎn)的部分裂紋區(qū)域和芯片焊盤界面而言，部分裂紋面積隨著溫度循環(huán)的增大而增大。

圖5 溫度循環(huán)期間單個桶形焊點(diǎn)與芯片之間界面的C-SAM圖像

圖6示出了失效的單個桶形和疊層沙漏形焊點(diǎn)熱疲勞的典型橫截面圖，大部分樣品在焊點(diǎn)和芯片焊盤之間界面處失效，小部分樣品在焊點(diǎn)和基板界面的角上有小裂紋。

圖7為失效的3個疊層焊點(diǎn)一個角疲勞的SEM和EDX映射圖，左邊EDX圖片表明Pb元素EDX映射，而右邊圖片表明Sn元素映射圖，EDX結(jié)果表明不同焊料組成成分的邊界輪廓清晰。

圖6 已失效熱疲勞典型截面圖

圖7 失效的3個疊層焊點(diǎn)的EDX映射

3 討 論

就疊層沙漏形焊點(diǎn)、疊層桶形焊點(diǎn)和單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的平均總疲勞壽命而言，顯然，疊層沙漏形焊點(diǎn)具有最長的疲勞壽命，單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)具有最短的疲勞壽命，而疊層桶形焊點(diǎn)的疲勞壽命居于兩者之間，但更接近于疊層沙漏形焊點(diǎn)的疲勞壽命。疊層沙漏形焊點(diǎn)比傳統(tǒng)單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的疲勞壽命提高約60%，可靠性的提高是由于焊點(diǎn)支座高度與形體。

就疊層沙漏形焊點(diǎn)、疊層桶形焊點(diǎn)和單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的平均裂紋萌生、裂紋傳播和徹底失效時間而言，3個焊點(diǎn)構(gòu)形的裂紋萌生和傳播時間是完全不同的。疊層桶形焊點(diǎn)和單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的平均裂紋萌生時間幾乎一樣，而疊層沙漏形焊點(diǎn)的平均裂紋萌生時間較長。另一方面，疊層桶形焊點(diǎn)的平均裂紋傳播時間與疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況處于相同水平，而單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的平均裂紋傳播時間最短。通過采用疊層沙漏形焊點(diǎn)，裂紋傳播時間比桶形焊點(diǎn)提高30%～40%，采用疊層高支座焊點(diǎn)，裂紋傳播時間可提高約100%。因此，增大焊點(diǎn)的支座高度，是比提高焊點(diǎn)疲勞可靠性更有效的方法。

通過電阻變化與溫度循環(huán)數(shù)目的比較，可看出，對單個凸點(diǎn)桶形、疊層沙漏形和疊層桶形焊點(diǎn)而言，裂紋傳播階段電阻的斜率上升[4]。單個凸點(diǎn)桶形的斜率為大于6×10-5，而疊層沙漏形和疊層桶形焊點(diǎn)樣品的斜率范圍為（3～4）×10-5。通過測試芯片中7個單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)、7個疊層沙漏形焊點(diǎn)和7個疊層桶形焊點(diǎn)電阻上升率的比較，顯然，單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)斜率的平均值高于疊層沙漏形焊點(diǎn)和疊層桶形焊點(diǎn)斜率的平均值。從計(jì)算的不同溫度循環(huán)焊點(diǎn)裂紋面積可看出，單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)和疊層沙漏形焊點(diǎn)溫度循環(huán)期間平均裂紋面積的增長率情況。顯然單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的裂紋面積增長快于疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況，這與單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的電阻增長率高于高支座疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況是一致的。

溫度循環(huán)試驗(yàn)表明，疊層沙漏形焊點(diǎn)提高平均總疲勞壽命超過傳統(tǒng)單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)約60%，對總疲勞壽命改進(jìn)的主要貢獻(xiàn)，在于延長的裂紋傳播時間。疊層桶形焊點(diǎn)的總疲勞壽命僅僅略低于疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況，疊層桶形焊點(diǎn)的平均裂紋傳播時間與疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況處于同樣的水平，但裂紋萌生時間低于疊層沙漏形焊點(diǎn)的狀況。疊層桶形焊點(diǎn)與疊層沙漏形焊點(diǎn)的總疲勞壽命之間的差異，主要在于這兩類焊點(diǎn)構(gòu)形的裂紋萌生時間之間的不同。再者，從焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)來看，這兩類焊點(diǎn)構(gòu)形之間的主要區(qū)別是具有3個疊層焊料層相同的形體（接觸角和形體因素）。表1為溫度循環(huán)試驗(yàn)樣品每個焊點(diǎn)構(gòu)形的平均幾何數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差，測量接觸角、高度和中點(diǎn)直徑，形體因素確定為焊點(diǎn)中點(diǎn)直徑與焊盤直徑的比率。疊層桶形焊點(diǎn)與疊層沙漏形焊點(diǎn)的高度幾乎一樣，相比，單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)與疊層桶形焊點(diǎn)的形體是一樣的，它們具有幾乎相同的平均萌生時間?？偲趬勖兔總€疲勞損壞過程時間主要由焊點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)、材料和測試狀況確定，因此焊點(diǎn)形體是確定裂紋萌生時間的關(guān)鍵因素。

表1 溫度循環(huán)樣品的幾何結(jié)構(gòu)

盡管疊層桶形焊點(diǎn)具有更小的焊盤尺寸，但疊層桶形焊點(diǎn)的總疲勞壽命高于傳統(tǒng)的單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的40%，疊層桶形焊點(diǎn)的裂紋傳播時間比單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)的更長，而兩者構(gòu)形的平均裂紋萌生時間一樣。疊層桶形焊點(diǎn)與單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)總疲勞壽命之間的差異，在于其裂紋傳播時間的不同。從表1可看出，雖然兩個桶形焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)具有相同的形體，但是支座高度完全不同，再者，疊層桶形焊點(diǎn)與疊層沙漏形焊點(diǎn)具有相同的支座高度，其平均傳播時間幾乎一樣。因此，把焊點(diǎn)裂紋傳播時間差異的根源歸于支座高度的不同，但注意到疊層桶形焊點(diǎn)是由含有高鉛焊料材料的中間焊球的三個焊料層組成的，而單個凸點(diǎn)桶形焊點(diǎn)僅由共熔焊料組成。盡管疲勞失效通常發(fā)生于共熔焊料層與芯片/基板的界面，但中間高鉛焊球具有與共熔焊料不同的特性，也對裂紋傳播時間造成影響。

微裂紋增長與局部應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)變有關(guān)，微裂紋生長成為大裂紋的時間受局部應(yīng)力和應(yīng)變的影響。確定裂紋萌生時間的主要因素是焊點(diǎn)形體，通常由于在那些粘附界面，特別是角上，高熱應(yīng)力的集聚，在焊點(diǎn)與硅芯片、焊凸與基板之間的界面處首先發(fā)生焊點(diǎn)疲勞失效。有限元模型表明在焊點(diǎn)角上沙漏形焊點(diǎn)具有更低的應(yīng)力，通過分析，雙材料焊接或接觸邊緣附近應(yīng)力和應(yīng)變場，顯示奇異特性，這可引發(fā)大于正常應(yīng)力的較大的應(yīng)力。沙漏形焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)較小的接觸角，降低了奇特性。拉伸和剪切試驗(yàn)證明，沙漏形焊點(diǎn)具有比桶形焊點(diǎn)高的粘附應(yīng)力。較小的接觸角和較少的奇異性，是沙漏形焊點(diǎn)具有較長裂紋萌生時間的原因。沙漏形焊點(diǎn)改進(jìn)裂紋萌生時間的又一因素是，細(xì)長的形體可改變應(yīng)力分布，在焊點(diǎn)角上存在較低的應(yīng)力集聚。沙漏形焊點(diǎn)的縮腰構(gòu)形更順從和柔韌，在焊凸與硅芯片、焊凸與基板之間的界面處施加的應(yīng)力，小于桶形焊點(diǎn)的狀況[4]。在避免凸起焊點(diǎn)應(yīng)變定位特性方面，沙漏形是有效的，最終影響失效模式。在沙漏形焊點(diǎn)中，降低的斷面位于PCB與芯片間的中部，變形部分發(fā)生于焊點(diǎn)的柔軟中部，此變形遠(yuǎn)離焊點(diǎn)對芯片和板的脆弱界面。相比較，桶形焊點(diǎn)在焊點(diǎn)對芯片和板的界面處，具有降低的橫截面，機(jī)械性能弱。拉伸試驗(yàn)表明沙漏形焊點(diǎn)在中間頸部點(diǎn)位斷裂，而桶形焊點(diǎn)通常在界面處失效。焊點(diǎn)裂紋傳播時間主要通過焊點(diǎn)支座高度確定。

在焊點(diǎn)中有效應(yīng)變可表示為：有效應(yīng)變= bΔαΔTa/h。這里b為有效因素，Δα為加入材料間熱膨脹系數(shù)差異，ΔT為溫度變化，a為加入材料中性膨脹點(diǎn)距離，h為焊點(diǎn)高度。高焊點(diǎn)支座將使有效應(yīng)變降低，按照公式(1)降低有效應(yīng)變，得出較低的裂紋傳播率。疊層焊點(diǎn)提高了支座高度，因此延長了裂紋傳播時間和總疲勞壽命。

高順從焊點(diǎn)增強(qiáng)了不匹配吸收能力，在溫度循環(huán)中可使高支座焊點(diǎn)失真，在構(gòu)建焊點(diǎn)中釋放熱應(yīng)力。而且，高焊點(diǎn)也改變焊點(diǎn)中應(yīng)力和應(yīng)變分布，保護(hù)焊點(diǎn)對芯片和基板的弱界面。

從上面討論可看出，增大焊點(diǎn)支座高度是提高焊點(diǎn)可靠性的更有效的方法，盡管焊點(diǎn)形體也是重要的。因此，對焊點(diǎn)可靠性最佳化而言，最重要的事情就是增大焊點(diǎn)支座高度到焊點(diǎn)制作工藝允許的最大值。不影響焊點(diǎn)節(jié)距、I/O密度和成本，要提高焊點(diǎn)高度是非常困難的。通常，要獲得可靠的焊點(diǎn)高度，需要大的焊點(diǎn)到焊點(diǎn)間隔。焊點(diǎn)高度最大化后，可靠性最佳化的下一步就是控制焊點(diǎn)形體。焊點(diǎn)形體改變焊點(diǎn)中應(yīng)力分布，對桶形體而言，由于高奇異性，在界面處應(yīng)力很高，特別是角上，而中點(diǎn)應(yīng)力很低。對桶形焊點(diǎn)而言，界面失效是主要的失效模式，相反，如果形體率（中點(diǎn)直徑/焊盤尺寸）很小，中間頸部點(diǎn)的應(yīng)力大大高于界面處的應(yīng)力，結(jié)果有粘著力的失效成為主要的失效模式。求得能使焊點(diǎn)疲勞壽命最大化的最佳形體率，在此狀況下疲勞失效會任意分布在界面和中間頸部點(diǎn)。

4 結(jié)束語

采用拉伸試驗(yàn)來測試熱循環(huán)桶形和疊層沙漏形焊點(diǎn)的粘附強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明，疊層沙漏形焊點(diǎn)具有比桶形焊點(diǎn)更高的粘附強(qiáng)度。沙漏形焊點(diǎn)具有較小的接觸角，比桶形焊點(diǎn)具有較少的奇異性。溫度循環(huán)期間桶形焊點(diǎn)的拉伸載荷，比沙漏形焊點(diǎn)的拉伸載荷下降得更快。這說明桶形焊點(diǎn)退化得更早更快，具有更低的疲勞壽命。

通過加速溫度循環(huán)試驗(yàn)來評定裝配焊點(diǎn)的可靠性，這些焊點(diǎn)包括低支座桶形焊點(diǎn)和桶形及沙漏形高支座疊層焊點(diǎn)。測試結(jié)果清楚地表明，高支座沙漏形焊點(diǎn)具有最高的疲勞壽命，高支座桶形焊點(diǎn)的疲勞壽命處于中間，低支座桶形焊點(diǎn)具有最短的疲勞壽命。焊點(diǎn)疲勞損壞過程，可分為與裂紋萌生、裂紋傳播和完全失效相一致的三個階段。電阻測量和掃描聲學(xué)顯微鏡圖像表明，桶形焊點(diǎn)中裂紋早于沙漏形焊點(diǎn)中出現(xiàn)，說明在低支座焊點(diǎn)中裂紋傳播快于高支座焊點(diǎn)。試驗(yàn)表明，焊點(diǎn)形體是影響裂紋萌生時間的主要因素，焊點(diǎn)高度是確定裂紋傳播時間的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)結(jié)果顯示，高支座沙漏形焊點(diǎn)比低支座桶形焊點(diǎn)促進(jìn)裂紋萌生時間的總疲勞壽命改進(jìn)約30%，而獲益于裂紋傳播約65%。

[1] X.Liu，S.Xu，G.Q.Lu，and D.A.Dillard.Stacked solder bumping technology for improved solder joint reliability[J].J.Microelectron.Rel.，2001，(41)：1979-1992.

[2] B.Su，S.Hareb，and Y.C.Lee.Solder joint reliability modeling for a 540-I/O plastic ball-grid-array assembly [C].in Proc.Int.Conf.Multichip Modules High Density Packag.，1998.422-428.

[3] 中國電子學(xué)會生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會叢書編委會組編.微電子封裝技術(shù)[M].（第1版）.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.

[4] 電子封裝技術(shù)叢書編委會編.集成電路封裝試驗(yàn)手冊》[M].（第1版）.北京：電子工業(yè)出版社，1998.

Discussion for Effects of Solder Joint Shape and Height on Thermal Fatigue Lifetime

YANG Jiansheng

(Tianshui Huatian Technology Co.，Ltd.，Tianshui 741000，China)

In this paper，the effects of solder joint shape and height on thermal fatigue lifetime are studied.Solder joint fatigue lifetime was evaluated using accelerated temperature cycling and adhesion test.Scanning electron microscopy(SEM)，energy dispersive x-ray analysis(EDX)，scanning acoustic microscopy (nondestructive evaluation)and optical microscopy were utilized to examine the integrity of the joint and to detect cracks and other defects before and during accelerated fatigue tests.Our accelerated temperature cycling test clearly shows that solder joint fatigue failure process consists of three phases:crack initiation，crack propagation and catastrophic failure.Experimental results indicated that both hourglass shape and great standoff height could improve solder joint fatigue lifetime，with standoff height being the more effective factor.Experimental data suggested that shape is the dominant factor affecting crack initiation time while standoff height is the major factor influencing crack propagation time.

Solder joint shape and height；Reliability；Solder bump；Thermal fatigue

TG405

A

1004-4507(2017)03-0006-07

楊建生（1964-），男，工程師，主要從事半導(dǎo)體集成電路項(xiàng)目管理和科技情報(bào)信息工作，已發(fā)表半導(dǎo)體集成電路封測工藝技術(shù)論文數(shù)十篇。

2017-04-23