晶圆级尺寸封装微焊点结构在冲击剪切载荷下的失效研究

摘要

晶圆级芯片尺寸封装(简称WLCSP)是目前最先进也是最重要的封装形式之一，它具有高密度、体积小、可靠性高，电热性能优良等优点。WLCSP器件通过焊球与PCB连接以形成更高级的功能模块。因此，焊球是WLCSP器件失效的关键部位。近年来，在绿色环保的要求下，焊球材料从原先的Sn-Pb转向Sn-Ag-Cu等无铅焊料。由于装配及使用过程中的机械力、振动，封装工艺过程中WLCSP焊球金属层间化合物(IMC)的存在，焊接引起的焊球空洞等原因，常常导致WLCSP焊球破坏，进而使WLCSP封装器件失效。尤其是焊球采用新的无铅化工艺后，WLCSP焊球的失效研究尚不充分。因此，研究无铅焊料所制备的WLCSP封装器件的失效性能对实际应用具有指导意义。
　　 焊球界面层开裂失效是微电子封装器件的主要失效模式之一。文中针对微电子封装器件的界面层失效问题，对两种无铅WLCSP封装结构焊点进行了在不同速率下的焊球剪切实验测试。研究了剪切速率的变化对焊球剪切失效形式的影响，并观察分析了焊球断面的微观组织结构、断裂形式。针对IMC层对焊球剪切失效形式的影响，本文重点研究IMC层厚度对焊球剪切强度的影响。利用电子显微镜测量IMC层厚度，结合剪切测试数据，定性分析了IMC层厚度对焊球连接界面强度的影响。在剪切实验数据的基础上，采用有限元法对焊球剪切过程进行仿真分析，运用内聚力模型法模拟焊球剪切实验，并利用仿真模型观察分析在焊球剪切过程中应力应变的分布情况，归纳了三种失效形式的形成机理。通过改变焊球直径、焊球高度和IMC层部分结构尺寸来观察研究尺寸改变对焊球剪切失效形式的影响。
　　 本文研究表明，焊球剪切强度随着剪切速率的增加而上升，原因是随着剪切速率的提高，断裂模式由韧性断裂向脆性断裂转变，重点分析了三种焊球失效模式的发生机理，以及部分结构尺寸的改变对剪切强度的影响。为进一步研究整个器件在生产、制造、测试及使用过程中界面层裂的产生与扩展奠定基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 封装技术的可靠性问题

1.2.1 热应力失效

1.2.2 机械应力失效

1.2.3 焊料空洞失效

1.3 本课题的研究背景

1.4 本课题的研究内容及意义

第2章 内聚力单元法基本原理

2.1 前言

2.2 内聚力单元法基本介绍

2.2.1 刚度降阶准则

2.2.2 失效准则

2.3 内聚力模型的数值实现

2.4 小结

第3章 焊球剪切实验

3.1 前言

3.2 IMC层对焊球可靠性的影响

3.3 焊球剪切实验

3.4 断裂模式分析

3.5 剪切实验结果分析

3.6 小结

第4章 剪切实验仿真

4.1 前言

4.2 有限元模型

4.2.1 模型结构尺寸

4.2.2 材料属性

4.2.3 加载与边界条件

4.2.4 单元选择与网格考虑

4.3 焊球剪切数值模拟

4.3.1 试样1仿真结果及分析

4.3.2 试样2仿真结果及分析

4.3.3 焊球应力分布

4.4 误差分析

4.5 小结

第5章 焊点尺寸分析研究

5.1 前言

5.2 IMC厚度改变对焊球剪切强度的影响

5.3 焊球直径改变对焊球剪切强度的影响

5.4 焊球高度改变对焊球剪切强度的影响

5.5 小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.1.1 实验结论

6.1.2 仿真结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果