倒装芯片装联工艺及多载荷条件下焊点可靠性评估研究

摘要

在电子封装领域，倒装芯片技术在移动电子产品，多芯片模组，高频通信和平板显示模块有重要的应用。在所有的2D封装形式中，芯片采用倒装焊接直接贴装于基板(flip chip on board，FC0B)提供了最高的封装密度，然而，倒装焊焊接工艺、材料选择与可靠性仍需要进一步研究和改进。此外，电子产品的在实际服役环境会经历环境温度的变化和电流载荷的冲击，这说明电迁移和热机械疲劳会发生交互作用，因此单一模型不能解释实际焊点的失效，因此有必要对焊点在电流和热冲击耦合载荷下的可靠性进行评估。
　　本文基于一款无铅SAC305焊料凸点裸片，通过开展正交实验获得最佳的工艺条件组合，该工艺条件可实现芯片与基板最高互连强和最小的焊点空洞率。芯片剪切测试后样品焊点的断口位置主要位于芯片侧焊料体中，表明焊点在剪切测试中的主要失效形式为韧性断裂。
　　对无铅SAC305倒装焊点在热冲击载荷、电流载荷以及热冲击和电流耦合载荷下的可靠性进行了测试。统计分析得到热冲击和电流耦合载荷时焊点平均失效时间显著低于单一载荷条件下焊点的平均失效时间，耦合载荷测试可减小测试时间。
　　焊点在热冲击载荷下的失效与焊点应力集中区域发生再结晶改变微观组织密切相关。实验发现热冲击使SAC305焊点局部微观组织因再结晶发生了改变，在再结晶区域原始Sn晶界消失，原始Sn晶界之间的金属间化合物颗粒粗化。室温环境的电流加载(1.1×104 A/cm2)以及热冲击条件和电流耦合加载下，观察到的失效焊点的主要失效形式均为焊点熔断、焊盘 Cu消耗导致的断路。电流拥挤效应和焦耳热对及阴极焊盘Ni、Cu原子和阴极钎料Sn原子的消耗起到重要作用。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1研究背景和意义

1.2倒装芯片

1.3倒装焊点可靠性研究进展

1.4论文研究目的

1.5研究内容

2 实验材料、设备和研究方法

2.1实验材料

2.2 主要实验设备

2.3互连工艺实验研究方法

2.4多载荷下倒装焊点可靠性评估研究方案

3 芯片互连工艺实验结果和分析

3.1芯片互连过程及测试说明

3.2测试结果数据分析

3.3分析与讨论

3.4本章小结

4 各载荷条件下焊点可靠性统计分析

4.1可靠性特征量

4.2 Weibull分布模型

4.3热冲击载荷下焊点寿命数据分析

4.4电流载荷下焊点寿命数据分析

4.5热冲击和电流耦合加载时焊点寿命数据分析

4.6本章小结

5 各载荷条件下焊点的失效机制探讨

5.1电流载荷下温度和电流密度分布

5.2电流加载下样品电流密度分布的数值计算

5.3热冲击载荷下焊点应力分布

5.4焊点组织结构显微观察及失效机制探讨

5.5本章小结

6 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录