把無鉛焊點(diǎn)倒裝芯片(FC)封裝技術(shù)引入半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域可以滿足高速和多功能要求。移動(dòng)電話和數(shù)碼相機(jī)等便攜式FC產(chǎn)品要求其封裝外形越來越小，厚度越來越薄。此外，許多FC封裝還使用塑料作為封裝材料。本文對(duì)采用有限元法計(jì)算出的薄型倒裝芯片球柵陣列封裝的熱-機(jī)械可靠性參數(shù)進(jìn)行了分析，其中包括室溫和回流溫度下的翹曲特性以及溫度循環(huán)試驗(yàn)中的焊點(diǎn)疲勞特性。我們認(rèn)為，通過在計(jì)算過程中充分考慮底部填充材料的粘彈性，可以改進(jìn)計(jì)算精度。

　　文中對(duì)考慮了底部填充材料粘彈性的計(jì)算結(jié)果與只考慮底部填充材料彈性的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，并把計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照。文章對(duì)薄型可靠性倒裝芯片封裝底部填充材料的最佳特性提出了參考意見。研究結(jié)果同時(shí)還證明，使用熱膨脹系數(shù)(CTE)較小且硬度較高的襯底是實(shí)現(xiàn)薄型高可靠倒裝芯片封裝的必要條件。

　　FC封裝的熱-機(jī)械特性與可靠性的關(guān)系

　　在FEM分析中，為闡明FC封裝的熱-機(jī)械可靠性，需要對(duì)多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。選擇的分析對(duì)象是FC球柵陣列(FC-BGA)封裝。此外，根據(jù)FC-BGA封裝材料的特性，計(jì)算出室溫和回流溫度下的翹曲特性以及溫度循環(huán)過程中的焊點(diǎn)疲勞特性。

　　圖1是分析模型的FC-BGA封裝結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在這里，底部填充材料通常用做焊點(diǎn)的包封材料。Si芯片的尺寸為15mm15mm725μm。封裝襯底包括一個(gè)中間核芯層及其上面的6個(gè)堆疊層。中間核芯層的厚度為400μm，襯底尺寸為50mm50mm。底部填充材料邊緣倒角長1.7mm。采用FEM法對(duì)所有封裝材料的物理特性與溫度的相關(guān)性，以及底部填充材料的粘彈性和焊點(diǎn)的彈性-塑性-蠕變特性進(jìn)行了分析。

　　UF特性

　　通過FEM法計(jì)算出A類底部填充材料(A、AE1H、AE1L、AE2H、AE2L)和B類底部填充材料(B、BE1H、BE1L、BE2H、BE2L)的彈性模量與溫度的相關(guān)性，分別在圖2(a)和圖2(b)中表示。A類和B類底部填充材料的CTE與溫度的相關(guān)性在圖2(c)中表示。A類材料的Tg為45℃，B類材料為75℃。

　　粘彈性計(jì)算模型

　　圖2(a)和2(b)中所示的底部填充材料的馳豫彈性模量與溫度的關(guān)系是參根據(jù)材料的儲(chǔ)能模量與溫度的關(guān)系判斷出來的。例如，圖3表示對(duì)FC-BGA封裝使用的A、B兩類底部填充材料進(jìn)行彈性分析和粘彈性分析后計(jì)算出的整體翹曲值，并對(duì)這些值進(jìn)行了比較。采用這兩種分析方法計(jì)算出的室溫下的翹曲值相差很大，我們可以確認(rèn)，采用粘彈性分析法計(jì)算出的翹曲值與實(shí)際FC-BGA封裝實(shí)驗(yàn)中獲得的值基本一致。

　　翹曲分析

　　圖4(a)是25℃時(shí)計(jì)算出的底部填充材料的整體翹曲值。圖中沒有顯示出材料的翹曲特性與彈性模數(shù)的關(guān)系，但顯示出與Tg的相關(guān)性。通過深入分析我們發(fā)現(xiàn)，底部填充材料邊緣倒角的應(yīng)力馳豫特性極大地影響著FC封裝的整體翹曲值。圖4(b)表示在260℃時(shí)計(jì)算出的整體翹曲值，這個(gè)溫度相當(dāng)于組裝工藝使用的最高溫度。260℃時(shí)的整體翹曲值不僅與底部填充材料的Tg相關(guān)，也與彈性模數(shù)相關(guān)。這時(shí)底部填充材料A的整體翹曲值比AE2H或AE2L高，但當(dāng)溫度高于Tg時(shí)，AE2H的彈性模數(shù)比底部填充材料A高，而AE2L的彈性模數(shù)比A材料低。底部填充材料B的情況也大體相同。當(dāng)溫度達(dá)到260℃時(shí)，翹曲特性與底部填充材料特性之間的關(guān)系比較復(fù)雜。

　　溫度循環(huán)過程中的焊點(diǎn)疲勞度分析

　　圖5(a)和5(b)表示在-55℃～125℃溫度循環(huán)測(cè)試過程中計(jì)算出的FC-BGA封裝中焊點(diǎn)的最大非彈性應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)這些數(shù)據(jù)我們可以判斷，底部填充材料A和B進(jìn)行粘彈性分析后獲得的非彈性應(yīng)變值比彈性分析后獲得的值要大3-5倍。圖6表示計(jì)算出的兩類底部填充材料的非彈性應(yīng)變范圍。

　　在一個(gè)溫度循環(huán)周期中，隨著非彈性應(yīng)變值的增大，可以確定非彈性應(yīng)變值的范圍。具有較大Tg值，且當(dāng)溫度高于Tg時(shí)彈性模數(shù)值較大的底部填充材料的非彈性應(yīng)變范圍較小。通過分析得出的結(jié)論為，具有較小Tg，且當(dāng)溫度高于Tg時(shí)彈性模數(shù)較大的底部填充材料更適用于薄型FC封裝。

　　襯底特性對(duì)封裝可靠性的影響

　　FC封裝的可靠性還受到封裝襯底特性的影響。圖7表示計(jì)算出的傳統(tǒng)薄型襯底(中間核芯層厚度為0.1mm)FC-BGA封裝的整體翹曲值，并與中間核芯層厚度為0.4mm的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。傳統(tǒng)襯底材料FC-BGA封裝的翹曲值隨襯底厚度的縮小而增大。圖中還表示了具有較小CTE和較高硬度中間核芯層的薄型襯底FC-BGA封裝的翹曲特性。在這種具有較小CTE和較高硬度中間核芯層襯底的封裝中，隨著中間核芯層厚度的下降，翹曲值增長平緩。

　　圖8表示具有較小CTE和較高硬度的薄中間核芯層封裝的焊點(diǎn)的疲勞特性。在這種具有較小CTE和較高硬度的中間核芯層的封裝中，非彈性應(yīng)變范圍并沒有隨著中間核芯層厚度的縮小而增大。

　　結(jié)論

　　本文使用FEM法，通過考慮底部填充材料的粘彈性，對(duì)無鉛焊接凸點(diǎn)薄型倒裝芯片封裝中封裝材料的物理特性對(duì)熱-機(jī)械可靠性的影響進(jìn)行了參量分析。結(jié)果表明，考慮底部填充材料的粘彈性可以對(duì)封裝可靠性進(jìn)行更加精確的分析。在倒裝芯片封裝中，通過使用較小CTE和較高硬度的襯底，可以在不降低底部填充材料Tg的前提下改進(jìn)封裝的可靠性。（作者：Hiroyuki Tanaka，Sumitomo Bakelite Co. Ltd.）