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增强扇入晶圆级封装的可靠性 - 半导体科技pdf

发布时间:2019-07-01 15:18 来源:未知 编辑:admin

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  技术文章 封 装 TECHNICAL ARTICLE 增强扇入晶圆级封装的可靠性 圆级芯片尺寸封装(WLCSP ) 性能差异。低银合金(大约 1% 的 级别链接式连接的活动装置,它能 能够提供最小的封装形状尺寸, 银)为人们所知的是在冲击试验(drop 在板侧完成,从而实现BLR 测试 晶已经成为手持消费性电子产品 testing) 表现不错,而高银合金(通常 过程中的实时监控。此晶粒尺寸为 领域的优先选项,在这些领域中,可 3%-4% 的银)则一般更适合于热循环 3.9 ×3.9mm2 ,这对WLCSP 应用来说 携性和不断提高的功能性是强大的驱 中。在最近几年中,已经推出了很多 是中等尺寸。 WLCSP 积层包括一氧 动力。在WLCSP 中,芯片的输入输 带有其他掺杂物的合金,用来优化冲 化铅(PBO )聚合物、镀铜RDL 和 出通常是用聚合物和重布线层(RDL ) 击和循环性能。 一个拥有标准工业厚度的镀铜UBM 。 积层来扇入穿过晶粒表面,从而产生 焊料是Sn95.5Ag4.0Cu0.5 (SAC405 ),而 一个面积阵列,并且随后在端子上形 焊点形状优化 完成的WLCSP 在一个0.4 毫米的脚 成较大的焊接凸块。这些结构能让芯 最好的工具是一种带有RDL 距上包含81 个球以9 ×9 矩阵排列。 片直接附到印刷电路板(PCB )上且 凸块下过孔 所用的BLR PCB 是一个 1 毫米厚的 具良好的可靠性。[1] 硅IC 8 层电路板,配有非阻焊层限定焊盘。 硅芯片与有机PCB 之间的热失配 聚合物1 为了温度循环(-40 至 125℃,1 次循 已限制WLCSP 在相对较小的芯片尺 RDL 聚合物2 环/ 小时),使用的是标准的固态技 寸上。最近几年,新聚合物和焊接合 UBM焊盘 术协会(JEDEC )条件。[8] 金的使用已经将可用的芯片尺寸扩展 图1 展示的是一个非阻焊层限 2 2 [2-4] 到5 ×5mm 至6 ×6mm 的范围内。 定焊点,它通常用于WLCSP 组装。 焊接合金 对改善WLCSP 可靠性来说,优化焊 焊点形状的关键包括WLCSP 上的 点形状是相对简单且有效的方式。[5, 6] UBM 焊盘尺寸、WLCSP 上凸块下聚 需要考虑的重要变量包括WLCSP 上 PCB焊盘 合物的尺寸、以及PCB 焊盘的尺寸。 的凸块下聚合物通孔的尺寸、WLCSP 为了焊点优化研究,UBM 焊盘尺寸 凸块下合金层(UBM )焊盘的尺寸以 印刷电路板 固定在215 微米,并且改变聚合物以 及PCB 上相应焊盘的尺寸。对这些要 及PCB 焊盘,从而在热循环测试中 图1. WLCSP焊点图示,展示的是主要几何因子: 素进行优化能实现热循环中的性能改 UBM焊盘、凸块下的通孔和PCB焊盘。 确定这些因素对WLCSP 性能的影响。 善,这是预测WLCSP 使用寿命的一 个关键的板级可靠性(BLR )测试。 BLR 的进一步改进也许可以透 过优化WLCSP 结构中积层的厚度来 实现。[3, 7] 结构中的聚合物层能够作 为缓冲区,吸收芯片-PCB 热失配给 凸块造成的压力,并延长焊点的寿命。 焊锡合金在WLCSP 的可靠性 中扮演一个非常重要的角色。[3] 现在 图2. (a)来自试验拆分1的失效板角凸块的SEM横截面,其中PCB焊盘=UBM焊盘;(b )来自试验拆分3 有一系列锡银铜焊锡合金提供重大 的失效板角凸块的SEM横截面,其中PCB焊盘=0.9 xUBM焊盘。 Boyd Rogers, Deca Technologies 半导体科技 2016 6月 19 技术文章 TECHNICAL ARTICLE 封 装 循环条件 凸块下过孔 PCB焊盘 UBM 焊盘直 第一次失效 TC性能提高 拆分号 描述 -40至125℃, 径(微米) 直径 %UBM 直径 %UBM 的循环数 的% 1次循环/小时 (微米) 焊盘 (微米) 焊盘 15分钟升温, 1 初始控制案例 215 170 80% 210 98% 502 - 15分钟保温 更大的过孔, 20分钟升温, 2 215 185 86% 190 90% 590 18% 更小的PCB焊盘 10分钟保温 控制过孔, 20分钟升温, 3 215 170 80% 190 90% 912 82% 更小的PCB焊盘 10分钟保温 更小的过孔, 20分钟升温, 4 215 140 65% 190 90% 1003 100% 更小的PCB焊盘 10分钟保温 表1. 不同凸块形状热循环表现的试验结果。 表 1 显示了进行拆分以及BLR 测试的相应结果。凸 结构厚度与焊接合金优化 块下的一个更小的通孔更有利于热循环表现,并且一个 图3 展示的是用来优化积层结构厚度以及焊接合金成 小于UBM 焊盘的PCB 焊盘也能改善热循环结果。拆分 1 分的较大的6 ×6mm2 测试工具。这个测试工具于一个0.4 和拆分3 (其中孔仍然是固定的,以及PCB 焊盘已经减小) 毫米脚距上的一个 14 ×14 阵列中包含196 个 I/O 。阵列内 的对比说明,循环表现的重大增益可以通过将PCB 焊盘 部的部分包括RDL 层中的哑铃,同时外部的3 个行和列 与UBM 焊盘的比率设置为小于 1 来实现。这两个拆分是 则经过测试芯片上的铝焊盘。 在稍微不同的条件(15 分钟的升温和保温与20 分钟的升 根据以前的焊点优化结果,凸块下的聚合物通孔和 温和 10 分钟的保温)。但是,建模结果说明,缩短保温时 PCB 焊盘都是根据UBM 焊盘来确定尺寸,从而将可靠 间只能带来热循环性能中大约7% 的改善,所以大部分性 性能最大化。UBM 焊盘尺寸设置为240 微米,同时凸块 能改善都可能是源于PCB 焊盘优化。 下的通孔则固定在 180 微米,也就是UBM 焊盘大小的 图2 展示了在热循环测试后来自拆分 1 和拆分3 的 75%。电路板焊盘的大小目标是215 微米,大约是UBM 失效角接点的SEM 横截面。在这两种情况中,失效的都 焊盘的90%。 是焊料疲劳,而这是所需的失效模式。正如预期,疲劳出 为了确定更厚 现在凸块UBM 焊盘接口附近。但是,来自拆分3 的焊点 的层对BLR 性能 连同更小的PCB 焊盘所展示的热循环寿命要比来自拆分 的潜在好处,而测 1 的焊点长很多。对于图2b 所展示的焊点,与UBM 焊盘 试了2 个积层结构: 相比,PCB 焊盘的尺寸过小,从而产生了一个更加像球 (1)一个标准结构, 形的凸块,这往往能推迟焊点上UBM 一侧的焊料疲劳失 包括PBO 聚合物、 效。更小的PCB 焊盘还使WLCSP 与电路板更加分开一些, 镀铜RDL 和一个 这是提高循环可靠性的另一个因素。 拥有标称行业厚度 正如在表 1 中对比拆分2、3 和4 所看到的那样,凸 的镀铜UBM ;以 块下聚合物通孔的尺寸也能对热循环性能产生重大影响。 及(2)一个替代 图3. 6mm × 6mm 链接式测试工具。 更小的通孔可以提高循环可靠性,这可能是通过在凸块边 结构,它采用更厚的铜RDL 和PBO 2 层。 缘下方提供更多压力缓冲来实现。这能让凸块在热循环施 表2 显示了所测试的焊接合金。SAC405 作为对照, 压的过程中“摇动”,其中凸块下的PBO 聚合物能吸收更 并与来自供应商的低银合金进行对比。还包括两个新的高 多压力,并推迟焊料疲劳失效的趋势。 强度合金,它们都展示出2 倍于其他合金的维氏硬度值。 除了热循环测试外,表1 显示的所有试验拆分中也进 制造之后进行的是焊料剪切,从而与焊接合金的相对 行了标准JEDEC 跌落测试。[9] 所有拆分都展示出在超过 模数进行对比,结果显示在图4 中。跟预期的一样,低银 200 次跌落后才出现失效,并且拆分之间有最低限度的差 合金展示的剪切强度要稍微低于作为对照的SAC405 ,同 异。这说明可以实施此处讨论的焊点形状改变,并且能在 时两种高强度合金都展示出显著更高的剪切值。 不损害冲击性能的情况下获得相应的热循环优势。 对于BLR 测试来说,WLCSP 再次被安装在带有非 20 2016 6月 半导体科技 技术文章 封 装 TECHNICAL ARTICLE 图4. 不同合金的焊料剪切表现。 图5. 展示使用标准积层结构的各种不同焊接合金的循环表现的威伯尔图表。掺 入铋和镍的5号高强度合金并未显示出来,因为没有记录到失效。 焊接合金 供货商 描述 1 A SAC405 2 A 含锰的低银SAC合金 3 B 含专有添加物的低银SAC合金 4 C 含铋和其他专有添加物的低银SAC合金 含铋、镍和其他专有添加物的高屈服强度、 5 C 高抗拉强度低银SAC合金 含铋、镍和其他专有添加物的高屈服强度、 6 D 高抗拉强度低银SAC合金 2 表2. 在6 ×6mm 测试工具中使用的焊接合金。 阻焊层限定PCB 焊盘的 1 毫米厚8 层电路板上。每个电 路板上安装 15 个部件。标准JEDEC 条件被用于温度循环 (方法G: -40 至 125℃,1 次循环/ 小时, 20 分钟升温,10 图6. 展示使用更厚积层结构的各种不同焊接合金的循环表现的威伯尔图表。高 [8] [9] 强度合金并未显示出来,因为没有记录到失效。 分钟保温) 和冲击测试条件B: 1500Gs )。 部件进行了 1000 次循环或 1000 次跌落。确定的电阻失效要比初始值 现出第一次失效,并且有938 次循环的特征寿命。对于更 超过了20%。 厚的积层结构,第一次失效存在可测量的改善(614 循环), 但特征寿命则是类似的(944 次循环)。 热循环结果 与这项研究中的其他合金相比,所有低银合金(2-4 图5 和图6 展示了用威伯尔图表表示的针对标准结构 号合金)在热循环测试中表现都不佳,并且从标准结构移 和更厚结构的各种拆分的热循环结果。高强度聚合物在热 动到更厚的结构时并没有显著的改善。 循环测试中表现非常不错。对于标准结构来说,两者在第 低银合金的更厚积层结构的循环性能改善并不显著, 一次失效时都超过了500 次循环,并且掺入铋和镍的第5 而对SAC405 来说,这种改善是中度的,并且对高强度合 号合金在 1000 次循环中并未显示出失效。对于更厚的积 金来说,改善是中度到非常显著的。SAC405 焊料的失效 层结构,两种高强度合金总共只记录到一次失效,其中是 模式已经确定,并且展示在图5 和6 中用威伯尔图表表示 掺入铋和镍的版本在987 次循环时出现了首次失效。更厚 的插图中:板角凸块上的焊料疲劳,一种温度循环的典型 积层结构对高强度6 号合金的好处是很明显的,能将首次 失效模式。 失效从531 次循环提高到 1000 次循环以上。 SAC405 焊料(1 号合金)在热循环测试中也有相对 冲击测试结果 较好的表现。在标准结构中,这种合金在485 次循环时展 来自拆分的冲击测试结果显示在表3 中。对于标准结 半导体科技 2016 6月 21 技术文章 TECHNICAL ARTICLE 封 装 WLCSP Build-up Finst Failure Cumulative Failures Chara cteristic Life Split # Solder Alloy Structure (Drop) after 1000 Drops (%) (Drops) 1 (1) SAC405 277 40% 902 2 (2) Low Ag SAC (Mn) 114 30% 2713 3 (3) Low Ag SAC 56 53% 1013 Standard 4 (4) Low Ag SAC (Bi) 155 37% 1651 5 (5) High tensile strength SAC (Bi, Ni) 20 67% 462 6 (6) High tensile strength SAC 79 40% 1133 7 (1) SAC405 550 17% 1277 8 (2) Low Ag SAC (Mn) 215 37% 1277 9 Thicker Cu RDL (3) Low Ag SAC 172 37% 1583 10 and PBO 2 (4) Low Ag SAC (Bi) 501 23% 1135 11 (5) High tensile strength SAC (Bi, Ni) 316 38% 1170 12 (6) High tensile strength SAC 197 33% 1533 表3. 拥有标准结构和厚积层结构的各种焊接合金的冲击测试结果。 构,SAC405 在冲击测试中表现得非常好,其中第一次失 冲击表现数字,其中首次失效时是多于 195 次冲击,并且特 效是在277 次冲击,并且特征寿命为902 次冲击。两种低 征寿命在 1000 次冲击以上。将优化的焊点形状与带有高强 银合金的表现也很好,其中首次失效出现在 100 次跌落之 度合金的更厚积层结构相结合,这种策略也许能提供一种将 后,并且有一个很高的特征寿命。第三种低银合金(3 号 WLCSP 芯片尺寸扩展至远大于6 ×6mm2 的路径。 合金)则展示出一个相对较早的失效(56 次跌落)以及 一个更低的特征寿命。两种高强度SAC 合金都有相对较 参考文献 早的冲击失效,尤其是带有铋和镍的5 号合金,同时它也 1. P. Garrou, “Wafer level chip scale packaging (WL-CSP): An overview,” IEEE Trans. of Adv. Packaging, 2000, Vol. 23(2), pp. 展示出一个相对较低的特征寿命。 198-205. 对于较厚的结构,所有合金都表现得非常好,展示出 2. R. Chilukuri, “Technology solutions for a dynamic and diverse 了2 倍于或者好于标准结构的性能改善。所有特征寿命都 WLCSP market,” IWLPC Proc., San Jose, CA (2010). 大于 1000 次循环。 3. R. Anderson, R. Chilukuri, T.Y. Tee, C.P. Khoo, H.S. Ng, B. Rogers, and A. Syed, “Advances in WLCSP Technologies for Growing 结论 Market Needs,” IWLPC Proc., San Jose, CA (2009). 减小凸块下的聚合物通孔尺寸可以通过在凸块边缘 4. R. Anderson, T.Y. Tee, R. Moody, L.B. Tan, H.S. Ng, J.H. Low, C.P. Khoo, R. Moody, and B. Rogers, “Integrated Testing and Modeling 下方提供更多压力缓冲来改善循环表现。缩小电路板焊盘 Analysis of CSPnl™ for Enhanced Board Level Reliability, ” 相对于UBM 焊盘的尺寸能够产生一个更加优化的球形凸 IWLPC Proc., San Jose, CA, pp. 184-190 (2008). 块形状。这往往会推迟焊点上凸块UBM 一侧的焊料失效, 5. B. Rogers and C. Scanlan, “Solder Joint Geometry Optimization 同时也能改善循环表现。最后,增加RDL 和聚合物2 层 Increases WLCSP Reliability,” Chip Scale Review, vol. 17(3), pp. 41-43. 的厚度能够显著提升冲击测试的表现。更厚的结构可能会 6. B. Rogers and C. Scanlan, “Improving WLCSP Reliability through 改善冲击表现,因为冲击测试的失效模式是通常在RDL Solder Joint Geometry Optimization,” Advancing Microelectronics, 中的一个中断。增加RDL 的厚度看起来是推迟这类失效 vol. 41(1), pp. 14-17 (2013). 7. R. Anderson, R. Moody, B. Rogers, and D. Mis, “Board Level 的一种有效方式,从而延长部件的可用寿命。 Reliability Results for Amkor ’s 12x12 I/O CSPnl™, ” IMAPS 高强度焊接合金在热循环中展现出非常强的表现,这 Proc., Scottsdale, AZ (2008). 可能是因为它们能够推迟作为典型循环失效的焊料疲劳。正 8. JEDEC Standard JESD22-A104C, “Temperature Cycling.” (2005). 如预期,这些合金往往在冲击测试中表现不佳。但是,当与 9. JEDEC Standard JESD22-B111, “Board Level Drop Test Method of 更厚的积层结构结合时,这些合金就能展现出非常可靠的 Components for Handheld Electronic Products,” (2003). 22 2016 6月 半导体科技

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