李呈龍 鐘 誠(chéng) 劉永超 郭 蕊 魯濟(jì)豹* 孫 蓉*
1(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)
2(深圳先進(jìn)電子材料國(guó)際創(chuàng)新研究院 深圳 518103)
3(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430074)
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(lái)的十年中有望繼續(xù)保持這種趨勢(shì)[1]。這就是著名的摩爾定律,它在過(guò)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[2-4]。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[5-7]。隨著芯片集成度的不斷提高、多尺寸芯片的應(yīng)用越來(lái)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[8-9],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[10-11],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[12]通過(guò)仿真證實(shí)了泊松比可變對(duì)翹曲量具有較大影響。Hassan 等[13]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)[12-15]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(kāi)裂失效[16-18],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(lái)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。
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。
本文選用引線鍵合(Wire Bonding)芯片模型,來(lái)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(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)[19],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。
圖1 芯片幾何模型Fig. 1 Geometry model of chip
表1 材料參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Material parameters and structures size
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(guò)參考文獻(xiàn)的材料參數(shù)[12-15],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。
由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不匹配,芯片在升溫過(guò)程將會(huì)發(fā)生翹曲。在長(zhǎng)、寬尺寸為 20 mm 的 BGA 中,通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。
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(guò)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??梢钥闯觯酒叽绲脑黾幽軌虼蟠笤黾?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(lái)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。
圖2 EMC 泊松比變化影響翹曲量的變化Fig. 2 The changes in warpage caused by EMC Poisson’s ratio
表2 其他芯片仿真參數(shù)設(shè)置Table 2 Other chip simulation parameter settings
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)[20]。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(jiàn),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。
圖3 芯片尺寸變化影響 EMC 翹曲量的變化Fig. 3 The changes in EMC warpage caused by chip size
界面應(yīng)力過(guò)大往往會(huì)造成芯片界面開(kāi)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(guò)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(guò)大將會(huì)導(dǎo)致 EMC 和基板的接觸面發(fā)生開(kāi)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(guò)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。
圖4 泊松比變化影響 A 點(diǎn)應(yīng)力變化Fig. 4 Poisson’s ratio causes stress change at point A
圖5 泊松比變化影響 B 點(diǎn)應(yīng)力變化Fig. 5 Poisson’s ratio causes stress change at point B
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(wú)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。
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。
行業(yè)內(nèi)針對(duì) BGA 焊點(diǎn)壽命預(yù)測(cè)主要基于 4 種壽命模型進(jìn)行,分別是基于應(yīng)變的模型、基于能量的模型、基于斷裂的模型和基于損傷的模型[21],其中基于應(yīng)變壽命模型的應(yīng)用十分廣泛。焊點(diǎn)主要失效表現(xiàn)為低周疲勞失效,業(yè)界主流使用的基于應(yīng)變壽命模型為 Coffin-Manson 方程。Coffin-Manson 方程描述了等效塑性應(yīng)變范圍( )對(duì)疲勞壽命(Nf)的影響,本文采用 Engelmaier[22-23]修正系數(shù)的 Coffin-Manson 方程,具體如公式(4)所示。
其中,f為以天為單位時(shí)間的熱循環(huán)頻率;Tm為熱加載過(guò)程中的平均溫度(Tmax、Tmin分別為溫度循環(huán)過(guò)程中的最高和最低溫度)。
圖6 (a)板級(jí)封裝模型;(b)1/4 板級(jí)封裝模型Fig. 6 (a)Board-level packaging model; (b)1/4 board-level packaging model
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??紤]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[24]采用黏塑性本構(gòu)模型(Unified Creep-plasticity Constitutive Model,UCP)來(lái)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[24]、Long 等[25-26]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)[27],其中,溫度循環(huán)加載如圖 7 所示。
圖7 溫度循環(huán)曲線Fig. 7 Temperature cycle curve
通過(guò)觀察焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D(圖 8(a))可知: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(guò)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=92 068;EMC 泊松比為 0.35 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(guò)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。
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[12]通過(guò)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[12]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[13]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%)。
圖8 EMC 泊松比變化影響焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變的變化Fig. 8 EMC Poisson’s ratio causes the equivalent plastic strain change of the solder joint
隨著業(yè)界對(duì)可靠性的要求越來(lái)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(guò)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(guò)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。