封装体叠层中堆叠焊球的可靠性研究

封装体叠层中堆叠焊球的可靠性研究

转自：半导体封装工程师之家；作者/来源于：海绵宝宝的耳朵

张旻澍宋复斌

（厦门理工学院材料科学与工程学院天弘科技有限公司）

摘要:

针对封装体叠层中的堆叠焊球进行了有限元建模和应力分析，评估了TMV堆叠焊球这种新型焊接方式可能带来的可靠性隐患。通过仿真结果发现，堆叠焊球的应力集中比底部焊球更加严重，这说明热疲劳失效更容易发生在塑封胶穿孔中的堆叠焊球上，而原本针对底部焊球的可靠性测试标准则需要做出新的调整。此外，在两种不同的堆叠焊球成型中，雪人式焊球的应力集中比较水桶状焊球更加严重。通过参数研究可以发现，紧缩区域的宽窄程度是造成雪人式焊球应力集中的关键因素。

封装体叠层（PoP）技术是目前工业界主流的三维封装技术之一，然而电子元器件本身的热翘曲容易造成PoP上层器件与下层器件之间的冷（虚）焊。因此，塑封胶穿孔式焊接（TMV）大量运用在PoP中。它一方面作为PoP上下层器件的主要连接方式，另一方面可以有效控制PoP的热翘曲。然而，比较传统球栅阵列器件（BGA）的焊球来看，这种新型的TMV堆叠焊球在成型过程、焊球形状和焊球体积等方面都有很大的区别。传统BGA焊球无论是在质量检测（如推拉力测试等），还是在长期可靠性分析上（如加速温循测试、跌落测试等），都有大量的研究数据和工业测试标准。可是PoP技术近年来才广泛应用于工业生产中，其TMV中堆叠焊球的可靠性报告很难找到。目前，工业界仍然沿用传统的可靠性测试标准，这大大增加了PoP的可靠性隐患。因此，为了弥补这方面空白，笔者选取了某款工业用PoP器件，并针对TMV堆叠焊球的可靠性进行初步而全面的分析。

1堆叠焊球的球型分析

运用了TMV技术的PoP示意图如图1所示，它的表面贴装过程如图2所示。首先，下层器件的底部焊球涂抹助焊剂后放置于PCB板上。其次，再在下层器件上堆叠上层器件，然后一起通过回流焊。其中，上层器件的底部焊球对应摆放在下层器件TMV中的焊球上，通过这样堆叠焊球的方式，完成上下器件的连接。最后，为底部器件注入填充胶。

TMV中的堆叠焊球在经历回流焊工艺后，由于上层器件的热翘曲，堆叠焊球呈现出不一致的焊接成型，如图3所示。结合图1来看，靠近器件角落的堆叠焊球由于热翘曲度相对最小，上下焊球的融合比较好，因此焊接成型呈现出水桶状（bucketsolderjoint）；而靠近器件中间的堆叠焊球由于热翘曲度相对最大，上下焊球的融合比较差，因此焊接成型呈现出雪人式的堆叠状态（snowmansolderjoint）。根据几何形状，可以将TMV焊球归纳为两类，如图4所示。其中，R1表示水桶状焊球的宽(W1)/高(h1)比例，R2表示雪人式焊球颈缩区宽(W2)/焊盘宽（Wp）的比例。从外观来看，水桶状焊球成型更加接近传统BGA器件的焊球成型，而雪人式焊球则多了一个颈缩区域。从固体力学的角度可以预判，几何畸形处（颈缩处）必然会造成应力集中，也因此会造成新的焊球可靠性隐患。

需要指出的是，为了便于读者阅读理解，图3的B-B截面示意图适当放大了器件的热翘曲度，并减少了焊球组数。实际中，PoP器件的热翘曲小于示意图中的变形量，而TMV的焊球数量也远不止7组,并且底部焊球还有填充胶的覆盖。

2雪人式焊球的仿真建模

由于在几何建模中预先构建PoP器件的热翘曲很难实现，在同一模型中建立不同焊接成型也非常复杂。因此，本文进行了如下几点模型简化：

（1）雪人式焊球的仿真建模选取A-A截面，因为雪人式焊球总是出现在TMV焊球的中段。

（2）省略了铜焊盘和芯片底部焊球的建模。

（3）利用器件的对称条件建立1/2模型，并假设模型热场分布均匀，可以施加整体热载荷。

（4）忽略PoP器件的初始热翘曲。

模型的材料属性如表1所示，A-A截面的有限元模型和边界条件等如图5所示。焊球的等效应力云图如图6所示。通过图6上下两排焊球的应力对比可以发现，雪人式焊球（上排）的应力集中比较底部焊球（下排）严重，而且最大等效应力出现在雪人式焊球与PoP上层器件的交界处。

3水桶状焊球的仿真建模

水桶状焊球的仿真亦采用了类似的简化：

（1）水桶状焊球的仿真建模选取B-B截面，并假设TMV中的焊球成型一致，因为无论TMV中段的焊球成型如何，总是最边缘焊球热变形最严重，而水桶状焊球总是出现在最边缘处。

（2）省略了铜焊盘的建模。

（3）利用器件的对称条件建立1/2模型，并假设模型热场分布均匀，可以施加整体热载荷。

（4）忽略PoP器件的初始热翘曲。

模型的材料属性见表1，B-B截面的有限元模型和边界条件见图7。焊球的等效应力云图见图8。通过图8上下两排焊球的应力对比可以发现，虽然最大等效应力出现在底部焊球与下层器件基底的交界处，但是以应力场整体的分布图来看，水桶状焊球（上排）的应力集中仍然比底部焊球（下排）严重。

4对比分析

对比上面的分析结果可以发现，最严重的应力集中出现在雪人式焊球中。这说明器件受热应力影响下，最容易发生失效的位置是在TMV中的雪人式焊球，这也意味着针对底部焊球的传统可靠性测试方法可能不再适用于TMV焊球。此外，通过对雪人式焊球紧缩区域的参数研究可以发现，当紧缩区域越来越窄的时候（即R2越来越小的时候），雪人式焊球的平均应力越来越大，应力集中现象越发严重，如图9所示。尤其当R2小于1/2时，最大应力集中位置发生了变化，由雪人式焊球与上层器件基底的交界处变为雪人式焊球的紧缩处。这说明雪人式焊球的紧缩程度是造成焊接失效的关键。

5结论

利用简化的有限元模型，对TMV堆叠焊球进行了应力分析和初步的可靠性评估。虽然仿真分析还不能精确预判PoP器件的热疲劳寿命，但是通过目前的研究，仍然发现了TMV焊球这种新型焊接方式造成的新可靠性隐患，总结如下：

（1）TMV堆叠焊球的应力集中现象比底部焊球更加严重，这说明热疲劳失效更容易发生在塑封胶穿孔中的堆叠焊球上，而原本针对底部焊球的可靠性测试标准则需要做出新的调整。

（2）在两种不同的堆叠焊球成型中，雪人式焊球的应力集中现象比水桶状焊球更加严重。

（3）紧缩区域越窄，雪人式焊球的应力集中现象越明显。因此雪人式焊球的紧缩程度，是造成失效的关键。

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