热机械应力的影响及解决方案

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：Si芯片与其基板之间的热膨胀系数的差异是造成热应力的原因。当焊料处于熔融状态时[图1.14]，虽然有机基板的膨胀远大于芯片本身，但没有热应力存在；而在冷却时，焊料凝固，热膨胀系数不匹配开始起作用。器件正常工作期间，由于焦耳加热作用芯片将承载近100℃的工作温度，并在室温和100℃之间产生低周循环热应力导致焊料接头发生疲劳。这是因为在随后的固态时效、热循环以及器件工作时，应力会重新恢复。

Si芯片与其基板之间的热膨胀系数的差异是造成热应力的原因。由于热应力引起的低周疲劳或者Coffin-Manson疲劳模式长期以来一直是可控塌陷倒装芯片焊接技术中的可靠性问题。为了克服这个问题，人们开发了具有与Si热膨胀系数几乎相同的陶瓷基板；此外，开发了使用Si晶圆作为Si芯片基板的技术。然而，对于低成本的消费产品，有机基板上的倒装芯片的热应力非常大，如图1.14（a）所示。由于Si（α＝2.6×10-6/℃）和有机FR4基板（α＝1.8×10-6/℃）的热膨胀系数之间具有非常大的差异，因此当芯片直接贴装时，芯片边角处的焊料接头存在着非常大的剪切应变。当焊料处于熔融状态时[图1.14（b）]，虽然有机基板的膨胀远大于芯片本身，但没有热应力存在；而在冷却时，焊料凝固，热膨胀系数不匹配开始起作用。我们考虑室温与183℃之间的温差，其中183℃是锡铅共晶焊料的凝固温度，此外我们考虑1 cm×1 cm大小芯片边角处的焊料凸点，其剪切力等于Δl/l＝ΔαΔT。如果取，即芯片对角线距离的一半，则可得Δl＝18μm。假定芯片是刚性的，则基板会向下弯曲，这是因为固态焊料凸点阻止基板上表面收缩，所以基板下部收缩时产生弯曲[图1.14（c）]。

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图1.14　倒装芯片结构中热机械应力产生的结构示意

（a）焊接前有机基板上的倒装芯片；（b）当焊料处于熔融状态时UBM层与焊盘之间未对准；（c）冷却至室温后板向下弯曲

事实上，由于基板发生了弯曲，且焊料接头和芯片并非完全刚性，实际的Δl值将小于上文中给出的18μm的计算值。图1.15（a）所示为在倒装芯片和FR4基板之间的锡铅共晶焊料凸点的示意以及对角线方向上横截面的SEM照片。图1.15（b）所示为芯片中心部分的焊点接头的SEM照片，在中心位置处的上部芯片UBM层与下部基板上的焊盘之间对位良好。图1.15（c）所示为芯片右侧边角处的焊点互连情况，可观察到电路板上底部焊盘已向右移位约10μm。图1.15（d）所示为芯片左侧边角处的焊点情况，焊盘向左移动了同样的距离。标称剪切应变为Δl/h＝10/60，其中h＝60μm是芯片和基板之间的间隙。此外，芯片向下弯曲，弯曲的曲率半径为57 cm。显然，芯片、基板和凸点受到了应力作用。除了剪切应变之外，在焊料接头中可能存在正应力，特别是处于芯片中心位置处的那些焊料凸点。在回流过程中，这种热循环是反复作用的。器件正常工作期间，由于焦耳加热作用芯片将承载近100℃的工作温度，并在室温和100℃之间产生低周循环热应力导致焊料接头发生疲劳。尽管电子工业已经引入环氧树脂底充胶重新分布应力，但这种可靠性问题依然存在。

由于我们在图1.15（c）所示的结构中引入底部填充材料时，焊料接头已经处于变形状态，因此，更好的方式是在焊料接头还没有发生形变时就使用底部填充材料。即使可以这样做，我们仍然不能避免热应力问题。这是因为在随后的固态时效、热循环以及器件工作时，应力会重新恢复。如果焊料接头本身或其界面较弱，应力可能会导致其破坏。值得注意的是，正是这种大的剪切应变限制了倒装芯片制造中硅芯片的尺寸。直到我们已解决热应力问题前，芯片尺寸都会被限制在约1 cm×1 cm上。不过，现在也正在研制尺寸为2 cm×2 cm的芯片。

如图1.15所示，很明显，如果保持芯片和基板尺寸相同，且减小芯片与板之间的间隙h（或焊料凸点的直径），则剪切应变增大。但不明显的是，如果保持间隙不变，而增加UBM层和键合焊盘的厚度，可减少它们之间焊料凸点的实际厚度，并且将大大增加焊料接头的剪切应变。从图1.15（b）~图1.15（d）中可清楚观察到，其中UBM层和键合焊盘相当厚，因此它们之间的焊料层厚约为23μm。假设UBM层和其键合焊盘是刚性的，且焊料承受了所有剪切力，则其剪切应变将是Δl/h＝10/23，而不是如上所给出的Δl/h＝10/60。众所周知，较高的焊料接头将承受更低的热循环疲劳，但当前的趋势是使用更小尺寸的焊料凸点和更厚的UBM层。

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图1.15　倒装芯片和FR4基板之间的共晶锡铅焊料凸点示意及对角线方向部分位置处的横截面SEM照片

（a）倒装芯片和FR4基板之间的锡铅共晶焊料凸点示意；（b）芯片中心部分焊料接头的SEM照片；（c）芯片右侧角落处的SEM照片；（d）芯片左侧角落处的SEM照片

此外，在UBM层和焊料之间形成厚的金属间化合物也将进一步减小未反应焊料的厚度，并增加剪切应变。尽管金属间化合物的总厚度仅为几微米，但如果我们采用小而薄的焊料接头，则其厚度效应不能忽略。虽然可以使用诸如Cu柱等厚UBM层来克服金属间化合物的剥落问题并增加接头的总高度，但其减小了焊料的厚度，因而会引起大剪切应变的新问题。当采用直径小于50μm的焊料凸点时，这个问题将会更加严重。若假设图1.15（d）中焊料凸点的直径为50μm，且UBM层和键合焊盘的厚度保持一致，那么它们之间的焊料层将更薄，且剪切应变将更大。由于不能降低反应温度和时间，因此也无法降低UBM层和焊料之间形成的金属间化合物厚度。

热机械应力的影响及解决方案

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