WLCSP器件的板级跌落可靠性研究

摘要

随着电子封装器件不断向微型化、高密度、无铅化发展，焊点的可靠性已成为影响电子产品质量的关键因素之一。便携式电子产品在使用过程中易受跌落或其他冲击外力的影响而发生失效，因而提高封装的跌落可靠性显得尤为重要。据此，本论文主要研究了WLCSP器件和BGA器件的跌落可靠性问题。
　　本论文首先研究了基于JEDEC标准的1500g、0.5ms冲击条件下初始WLCSP样品跌落不同次数后的断裂模式及裂纹扩展行为，300次跌落次数之内损伤模式均为坑裂，在150次～200次跌落之间树脂坑裂裂纹开始萌生，随着跌落次数增加，相同位置的焊点裂纹长度呈线性增长。
　　WLCSP器件样品时效(125℃)、热循环(-55～125℃)后在1500g、0.5ms条件下跌落300次的研究发现:器件损伤模式为树脂坑裂，其他形式的断裂并未出现，说明时效、热循环150小时后不改变此种WLCSP芯片的断裂损伤模式;芯片侧和基板侧界面Cu6Sn5IMC层厚度增加，相同时间时效后IMC的生长比热循环后更为明显，而且，IMC层形貌更为平整;时效100小时、150小时后能够看到明显的Cu3SnIMC层，在热循环后的焊点中未发现明显的Cu3SnIMC层。
　　2900g、0.3ms冲击条件下跌落5000次后WLCSP器件出现的五种的断裂模式由易至难排序为:树脂坑裂、芯片侧再布线层(Redistributionlayer，RDL)与Cu焊盘之间开裂、RDL层断裂、钎料内部断裂或钎料内部混合IMC层界面断裂。
　　通过实验研究发现，此WLCSP器件样品的200次跌落寿命失效应变门槛值的范围约为2400～2500με，失效模式均为树脂坑裂，随着冲击条件变苛刻，PCB基板的应变值增大，相同位置焊点的裂纹扩展长度随之增加。峰值加速度相同脉宽不同时，脉宽越大，WLCSP器件边角位置处产生变形的时间越长，应变越大，跌落可靠性降低。
　　WLCSP芯片靠近PCB基板边缘的边角处焊球的破坏最大，且损伤程度与冲击的剧烈程度和跌落的次数正相关，中间位置焊点在本论文所有实验条件下均能保持结构的完整。因此WLCSP样品PCB基板树脂层的强度是影响其跌落可靠性的关键因素。靠近PCB基板边缘的A、D位置芯片比靠近PCB基板中心B、C位置芯片更易失效，且对跌落条件和跌落次数的变化更为敏感。