Flip-Chip,BGA焊接可靠性
摘 要：Flip-Chip，BGA封装的球引脚数增加，迫使电路互连的焊点尺寸缩小，结果造成焊点的电流密度增加。实验证明焊点通过高电流密度将会造成焊点形变，文章提出使用干涉条纹检测方法是焊点在加电应力条件下，测量焊点形变的可靠技术。
关键词：Flip-Chip，BGA，焊点形变，干涉条纹。
1引 言
Flip-Chip，BGA封装的球引脚数增加，迫使电路互连的焊点尺寸缩小，结果造成焊点的电流密度增加。当芯片电压减少，电流绝对值提高，则电流密度将进一步提高。在Flip-Chip半导体器件与SoP功率器件中，互连焊点的电流密度也同样如此。微电子器件与功率电子器件限制电流密度增加的物理因素是电迁移。互连金属线间的电迁移是IC器件的主要缺陷现象，但至前，很少有人将电迁移与焊点的可靠性相连系起来。大多数研究集中在薄膜金属线间的电迁移，而极少注重焊点的电迁移现象。
本文研究的最终目的是建立在电流应力条件下，焊点的应力-应变场的基本模型，这样可予测焊点可靠性的有限元素模拟。条纹干涉技术是用来测量在电流应力条件下，BGA球引脚的焊点应变场的形成。为观察微结构与机械特性的演变，采用高电流密度对Flip-Chip焊点施加应力，使用扫描电镜（SEM），能量耗散X射线（EDX）及毫微检测技术测量实验样品。
2. 干涉条纹技术实验
由SUNY Buffalo电子封装实验室研制的干涉条纹技术（Moire interfermetry technology）可测量小尺寸位移，分辩率0.04μm。
两块铜板用作BGA基板，照相光刻工艺制作二氧化硅阻焊层图形。测试样品首先研磨抛光。在焊点表面复制衍射光栅，（1，200线/mm）。测试样品由夹具固定在干涉仪平台上，保持光照位置及通电。功率计算机控制，样品上的温度使用数字红外测温仪测量。本文从两个实验所得结果进行讨论。
第一个实验，Sn/Pb共晶焊料测试样品，应力加电10A/DC，电流密度计算得175A/cm2。
图 1 初始干涉条纹；上/U-视场，下/V视场
图 2 加电应力22分种/2小时后干涉条纹
上/U-视场，下/V视场
高密度水平U视场干涉条纹与垂直V视场干涉条纹表明在加电应力下，产生剪切变形。在施加应力时，测试样品的温度上升。经查发现热源在铜板的顶端，这是夹持固定的高接触电阻引起。通过有限元素热应变分析比较实验结果。由于铜基板的宽度远大于球引脚的厚度，所以将平面应变元素模拟铜板，平面应力元素模拟焊点。在焊点上的温度变化为22-37℃，铜基板顶端的温度变化为22-57℃。
条纹干涉是相对于焊点表面位移的等值线（如图 2所示；U视场/水平位移，V视场/垂直位移）。使用FE模拟结果比较两实验；对测试样品施加应力40分种/1小时后，焊点沿中心垂直线的应变分布使用坐标数值表示，X轴向沿中心垂直线，Y轴向为应变幅度（图 3）。
图 3 应变分布，上/条纹干涉实验，下/FE
3. 热应力模拟
图 3所示沿垂直中心线剪切应变gxy分布及幅度同实验与模拟结果一致。此比较表明在本实验中观察到的位移变化主要是焦耳热产生的热应力造成。实验也证明使用干涉条纹技术测量电流应力下的焊点位移是可靠的。此方法适用于测量电流应力造成焊点位移，测试样品的温度必须控制，严格排除其他热效应的作用。
在第二个条纹干涉实验中，对测试样品加电时，严格控制温度。在测试样品与夹具间的电接触得到很好改善，焦耳热受到制约。使用无铅焊料（Sn/Ag4.0/Cu0.5）制作测试模块,通过进一步焊点截面,增加电流密度,施加电流30A,电流密度达到5,000A/cm2,温度几何保持在27℃。在图 4，图 5分别图示U视场/V视场干涉条纹图。在焊点加电应力170小时后，在高电流密度条件，样品几何没有出现U视场干涉条纹，仅少量的水平V视象干涉条纹。这表示焊点存在少量的剪切变形。先前的实验说明；使用FE模拟方法，热应力明显时剪切变形占主要地位。在此实验中温度保持稳定。因此没有发现大的剪切变形。水平V视场干涉条纹表示在电流应力条件下，逐渐在沿电流流动的垂直方向产生的位移。在本实验中排除了其他热效应的作用，因此这就显示由电流应力自身造成的垂直位移。
在不同电流密度条件下，我们做了大量的干涉条纹测量实验，根据这些实验结果，提出一个能予测在电流应力条件下，焊电形变的基本模型，计算得到在电流应力条件下的焊点可靠性的数值模拟。
图 4
图 4 U视场干涉条纹
上, 原始; 中, 加电应力97小时; 下加电170小时
图 5 U视场干涉条纹
上, 原始; 中, 加电应力97小时; 下加电170小时
4. Flip-Chip焊点实验
由专业研究组织制造的Flip-Chip测试样品,在高电流密度条件下进行测试。该测试样品模块由共晶焊料将硅片焊接在FR-4印制板上组成。焊点的直径大约在140μm。通过焊点截面的电流密度为1.3×104A/cm2 。如图 6所示；焊点的SEM电镜照片
图 6 扫描电镜焊点照片
a，原始焊电 b，6小时 c，14.5小时 d, 37.5小时
从图 6电镜照片清晰可见在加电应力时,接近阴极部位空孔集聚。有关Flip-Chip焊点的毫微检测，相变及原子迁移等在先前文章详细介绍。
5 结 论
实验证明干涉条纹是在加电应力条件下测量焊点形变的可靠的技术.焊点通过高电流密度电流将会造成焊点形变。根据大量BGA焊点干涉条纹测量及Flip-Chip焊点的微结构检测，作者提出在电流应力条件下，予测应变-应力演变的基本模型。FE数值模拟也可用于评估焊球的可靠性。
