集成電路封裝中焊球強度及可靠性研究.pdf

1、在超深亞微米集成電路技術中，由于工藝日趨微小，技術發(fā)展日新月異，對可靠性的要求也約來越高，而作為后端技術的封裝工藝對產品可靠性的影響也變得越來越大。因為隨著集成電路特征尺寸的減小，IC封裝的焊墊間距正變得越來越小，為此，半導體生產廠家不得不減少焊球的尺寸。焊球尺寸的減小導致了焊球強度也隨之降低。為了提高產品的可靠性，不僅要保證起始的焊接強度，而且還應該避免過度的、不均衡的合金層生長，避免產品在終端用戶中出現(xiàn)薄弱的界面層。因此，研究集成電

2、路封裝中合金生長對焊球強度的影響及其可靠性具有重要的應用價值和學術意義。 本文針對目前IC封裝中最常用的金焊球、無鉛和含鉛焊球，通過高溫儲存、溫度循環(huán)、冷熱沖擊和壓力蒸煮等各種加速試驗方法，研究了合金生長對焊球推力的影響，以及相關的微觀結構變化和失效機理。 研究發(fā)現(xiàn)金球焊接的質量是由合金相覆蓋面積決定的。覆蓋面積大的結合強度也會大，隨著熱老化的實施，結合強度進一步增加，這種焊接結合在經過長時間試驗后，拉力測試仍然穩(wěn)定。試

3、驗表明，初始推力強度為5.5g/mil<'2>，覆蓋面積為63％的樣品被認為是保持焊接穩(wěn)定的最低條件。 高焊接強度的2N樣品在試驗中顯示了比4N樣品的更好的特性。在5000小時后，2N的空洞顯示比4N的空洞更聚集。單純焊接后的高推力(>5.5g/mil<'2>)并不能保證長期的可靠性。因為能達到>5.5g/mil<'2>推力的并不能保證合金相的覆蓋面積，因此需滿足兩者才能保證產品的長期的可靠性。Kirkendall空洞是合金相生

4、長的固有特性。焊接不良的樣品在Au-合金相的界面有高聚集度的大空洞，從而導致熱處理后焊球推力的下降。而焊接良好的樣品則呈現(xiàn)了很少的空洞，并且在長期的試驗后仍然保持了好的穩(wěn)定性。 高溫儲存試驗、溫度循環(huán)試驗、冷熱沖擊試驗和壓力蒸煮試驗結果證實，封裝以后和前處理以后，無鉛和有鉛的錫焊球推力數(shù)值相接近。在可靠性加速試驗過程中，無鉛和有鉛兩種焊球的推力數(shù)值都有不同程度的衰減。但是加速試驗表明有鉛焊球的衰減更為嚴重，因此試驗結束后，無鉛焊

5、球的推力比有鉛焊球的推力數(shù)值高21％～38％。 SEM分析表明，脆化失效模式是錫球推力嚴重衰減的關鍵失效模式，裂化發(fā)生在最弱的界面。在焊接點上有鉛的金-錫-鎳合金層的形成減弱了錫球的推力，但在無鉛產品中卻沒有這種現(xiàn)象。分析表明有兩種可能的原因使得無鉛產品在焊點附近不能生成金-錫-鎳合金。一個是在純錫系統(tǒng)中金的擴散速率比錫-鉛系統(tǒng)的擴散速率要慢很多。另一個是金-錫合金被Ag-Sn或Cu-Sn顆粒俘獲，在長時間的可靠性試驗中，在焊接點上重新