焊點形體與高度對熱疲勞壽命的影響

楊建生

(天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000)

焊點形體與高度對熱疲勞壽命的影響

楊建生

(天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000)

探討了焊點形體與高度對熱疲勞壽命的影響，采用加速溫度循環和粘附試驗，評定焊點疲勞壽命。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜儀（EDX）、掃描聲學顯微鏡（無損評價）和光學顯微鏡，檢查焊點完整性，并探測加速疲勞試驗之前及期間的裂紋和其他缺陷。加速溫度循環試驗清楚地表明，焊點疲勞失效過程包括三個階段：裂紋萌生、裂紋傳播和徹底失效。試驗結果表明，沙漏形體和大支座高度都可提高焊點疲勞壽命，支座高度為更有效因素。試驗數據說明，焊點形體是影響裂紋萌生時間的主要因素，而支座高度是影響裂紋傳播時間的關鍵因素。關鍵詞：焊點形體與高度；可靠性；焊料凸點；熱疲勞

當今芯片級互連最有前途的技術之一為倒裝芯片技術，已成為低成本、高密度和高性能的集成電路互連技術。球柵陣列（BGA）是作為更高I/O、更高性能和效率趨勢的一級、二級互連選擇，這些面陣列封裝（倒裝芯片、芯片規模封裝CSP和BGA），要求對芯片和基板表面形成焊點。然而，焊點疲勞是面陣列封裝的關鍵問題，CTE不匹配造成的熱應變和應力，是焊點互連失效的主要原因。影響焊點疲勞特性的因素很多，諸如焊點幾何構形、芯片尺寸、界面金屬化、下填充物和基板材料等。在這些因素中，焊點幾何構形起著很重要的作用[1]。數學計算和有限元模型表明，在溫度循環期間沙漏形焊點具有最低的塑料應變和應力，具有最長的壽命。通過傳統焊料凸點技術形成的焊點，呈現為球截形體。采取幾種方法來提高支座高度，控制焊點連接的形狀。成功研發疊層焊料凸點技術工藝，裝配3個疊層沙漏形焊點。

焊點形體是主要因素，支座高度更有效，但在提高沙漏形焊點中焊點的可靠性方面不清楚。幾何形體對可靠性影響的大多數研究沒有把形體和高度對焊點壽命的影響分開，理由是這些研究使焊料量保持不變，分析在不同焊點構形中的應力和應變分布，采用一些疲勞模型來預測不同焊點構形的壽命。顯然，對同樣的焊料量和同樣的焊盤尺寸而言，沙漏形焊點將具有最大的支座高度，圓柱形焊點其次，桶形焊點具有最低的高度，焊點支座高度也影響疲勞壽命，本文旨在研討形體和高度對焊點疲勞壽命的影響。對功率半導體芯片[如絕緣柵門極晶體管（IGBT），二極管]互連而言，不同形體和高度焊點的探討，作為原始動因，目的是提高功率電子封裝應用的焊點壽命。在有不同焊點構形的焊點裝配上，進行加速溫度循環試驗和拉伸試驗，評定焊點疲勞壽命。使用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜儀（EDX）、掃描聲學顯微鏡（SAM）和光學顯微鏡，檢查焊點的完整性，并在加速疲勞試驗前或期間，檢查裂紋和其他缺陷[1]。文章對壓焊焊盤的桶形和疊層沙漏形焊點的粘附強度進行了描述和分析，論述了熱循環試驗結果以及形體和高度對焊點熱疲勞壽命的影響。

1 試驗程序

通過粘附試驗和加速溫度循環試驗來評定焊點的可靠性，在作為加工的焊點裝配樣品及溫度循環樣品上，進行破壞性拉伸試驗，研討不同焊點構形的粘附強度，以及對于溫度循環這些焊點構形的粘附強度變化和斷裂特性[2]。在加速溫度循環試驗期間，實施進程中的電阻測量和諸如掃描聲學顯微鏡及光學顯微鏡的無損評定，檢查焊點失效特性。焊點互連電阻，采用4點探測法進行測量，作為失效標準。把評定標準設定為電阻增加20%，也就是說，當電阻存在20%的增加，認為焊料凸點互連失效。

1.1 試驗樣品

采用疊層焊料凸點工藝裝配焊點，試驗樣品的焊點構形如圖1所示。這些焊點構形為單個凸點桶形焊點、3個疊層桶形焊點和3個疊層沙漏形焊點。單個凸點桶形焊點由熔化溫度183℃的共熔Pb/Sn焊料（Sn63/Pb37）構成，3個疊層焊點結構由內帽、中間焊球和外帽構成，內帽和外帽均為Sn63/Pb37共熔焊料，中間焊凸為熔化溫度268℃的Sn10/Pb90焊料，凸點下金屬化（UBM）為Ti/Ni/Ag。

1.2 拉伸試驗

鋁焊盤和UBM膜、UBM膜和焊點以及焊點和基板焊盤界面之間的粘附，對倒裝芯片和BGA裝配是關鍵，由于這些界面最易損壞，測試焊點的壓焊強度是非常重要的，履行拉伸測試。

為了研討完整焊點的拉伸載荷特性以及樣品暴露于一定時間的溫度循環后的拉伸載荷特性，把焊料凸點式芯片用倒裝焊方式壓焊到剛性印制電路板。在800、1 200個溫度循環之前和之后，在疊層沙漏形焊點與單個桶形焊點上進行拉伸試驗。溫度循環狀況為：溫度范圍：-40℃和125℃，溫度提升率約為6℃/min，125℃時的停延時間2 min，溫度下降率約為6℃/min，-40℃時的停延時間2 min。圖2示出了拉伸試驗芯片構形，對每個試驗芯片而言，有7個焊盤。采用焊料掩模，確定焊料凸點接觸面積，并在7個焊盤上形成7個焊點。圖3示出了疊層沙漏形焊點和單個桶形焊點的拉伸試驗結構，以及拉伸樣品的照片。

圖1 試驗樣品的焊點構形

1.3 加速溫度循環試驗

溫度循環試驗是用于評定焊點互連可靠性最重要的試驗之一，溫度循環試驗的宗旨就是評定暴露在極端高低溫狀況下封裝結構的電阻和穩健性，以及在極端狀況下替代暴露的影響。在環測熱循環室里進行溫度循環試驗，環測熱循環室中的環境溫度定期從熱到冷變換。把試驗樣品從室內移出，進行試驗，定期描述完整性[3]。

每個芯片上有7個焊點，芯片尺寸和焊點位置如圖4（a）所示。所有的測試樣品采用倒裝焊粘貼到如圖4（b）所示的測試載具上。研討中所有的測試樣品都沒有下填充物，3個不同焊點構形，如圖1所示，它們為單個凸點桶形焊點、3個疊層桶形焊點和3個疊層沙漏形焊點。對每個構形，測試3個樣品，也就是說，測試21個焊點。溫度循環狀況計劃如下：溫度范圍：-40℃和125℃，溫度提升率為6.6℃/min，125℃時的停延時間5 min，溫度下降率為6.6℃/min，-40℃時的停延時間5 min。

圖2 拉伸及剪切試驗芯片構形

圖3 拉伸試驗結構簡圖與測試樣品照片

2 試驗結果

2.1 拉伸試驗結果

通過單個桶形焊點和疊層沙漏形焊點的拉伸試驗，弄清典型載荷位移與工程應力之間的關系。把焊點與芯片焊盤界面（與焊點和基板焊盤的面積一樣）總面積載荷分離，計算單個桶形焊點的工程應力。把中間焊球總圓形區域面積的載荷分離，計算疊層沙漏形焊點的工程應力?？煽闯?，單個桶形焊點失效載荷大于疊層沙漏形焊點的失效載荷，但是單個桶形焊點的失效應力低于疊層沙漏形焊點的失效應力。單個桶形焊點的失效應力低于疊層沙漏形焊點的失效應力，而失效載荷較高的原因在于單個桶形焊點和疊層沙漏形焊點的失效位置是完全不同的。對單個桶形焊點而言，失效要么在焊點和芯片焊盤界面（約80%）附近的焊料中發生，要么在焊點和基板焊盤界面之間（約20%）附近的焊料中發生。另一方面，疊層沙漏形焊點全體一致在焊點的中間頸項處失效，即中間高鉛焊料球斷裂。試驗表明，疊層沙漏形焊點比單個桶形焊點具有更大的粘附強度。

圖4 芯片尺寸和焊點位置

同樣，可得到在拉伸試驗下800和1 200個溫度循環后，單個桶形焊點和疊層沙漏形焊點的失效載荷。800個溫度循環后，單個桶形焊點的失效載荷高于疊層沙漏形焊點的狀況。但1 200個溫度循環后，單個桶形焊點的失效載荷低于疊層沙漏形焊點的狀況。對此兩種狀況，認為單個桶形焊點的失效應力低于疊層沙漏形焊點的狀況。800和1 200個溫度循環后，單個桶形焊點的失效位置仍要么在焊點對芯片焊盤界面附近，要么在焊點對基板焊盤界面附近，而拉伸試驗狀況下疊層沙漏形焊點的失效位置，不再全體一致在焊點的中間頸項處，也不再全體一致在焊點對芯片和基板焊盤界面處。疊層沙漏形焊點的大部分失效位置，從焊點的中間頸項處向更接近焊點和焊盤界面的位置，特別是1 200個循環后小部分完全轉移到焊盤界面的焊點。由于疊層沙漏形焊點的斷裂位置改變以及斷裂區域的不一致，計算溫度循環后的各種失效應力是非常困難的。隨著溫度循環數量的增大，單個桶形焊點和疊層沙漏形焊點的粘附強度降低，認為粘附強度的降低是溫度循環期間焊點退化的結果。顯然，單個桶形焊點的粘附強度比疊層沙漏形焊點的粘附強度下降得更快，這表明單個桶形焊點的可靠性低于疊層沙漏形焊點的可靠性。

2.2 溫度循環試驗結果

從溫度循環期間的單個桶形凸點、疊層桶形和疊層沙漏形焊點的電阻增加狀況可看出，3個不同的疲勞退化階段為裂紋萌生、裂紋傳播和徹底失效[3]。裂紋萌生階段確定為不存在電阻顯著增大（＜5%）的階段，而在裂紋傳播階段，電阻保持持續增大，在徹底失效階段電阻顯著增大，設定20%的電阻增大作為失效標準。單個桶形焊點的平均疲勞壽命約為2 200個循環，疊層沙漏形焊點的平均總疲勞壽命大約為3 500個循環，大于單個桶形焊點的狀況。疊層桶形焊點的平均總疲勞壽命大約為3 000個循環，大于單個桶形焊點但小于疊層沙漏形焊點的狀況?？晒烙嫼更c的裂紋萌生、裂紋傳播和徹底失效的時間，疊層桶形焊點的裂紋萌生時間大體上等于單個凸點桶形焊點的狀況，而裂紋傳播時間等于疊層沙漏形焊點的狀況。

在依次進行1 400、1 700、2 000、2 200和2 400個溫度循環之后，從圖5所示單個桶形焊點與芯片之間界面的典型C-SAM圖像可看出，對疊層桶形和疊層沙漏形焊點而言，得到的C-SAM圖像是一樣的，C-SAM的頻率為75 MHz，C-SAM圖像驗證了電阻增大是由于焊點裂紋現象，可看出1 400個溫度循環后，部分焊點逐漸消失或根本不存在，隨后越來越多的區域逐漸退化或消失，這清楚地表明了溫度循環期間裂紋傳播。對裂紋區域設定不同的顏色進行計算，在不同溫度循環狀況計算焊點裂紋面積，檢查裂紋增長過程。從計算情況來看，對在1 400、1 700、2 000、2 200和2 400個溫度循環狀況下，測試芯片上7個焊點的單個桶形焊點的部分裂紋區域和芯片焊盤界面而言，部分裂紋面積隨著溫度循環的增大而增大。

圖5 溫度循環期間單個桶形焊點與芯片之間界面的C-SAM圖像

圖6示出了失效的單個桶形和疊層沙漏形焊點熱疲勞的典型橫截面圖，大部分樣品在焊點和芯片焊盤之間界面處失效，小部分樣品在焊點和基板界面的角上有小裂紋。

圖7為失效的3個疊層焊點一個角疲勞的SEM和EDX映射圖，左邊EDX圖片表明Pb元素EDX映射，而右邊圖片表明Sn元素映射圖，EDX結果表明不同焊料組成成分的邊界輪廓清晰。

圖6 已失效熱疲勞典型截面圖

圖7 失效的3個疊層焊點的EDX映射

3 討 論

就疊層沙漏形焊點、疊層桶形焊點和單個凸點桶形焊點的平均總疲勞壽命而言，顯然，疊層沙漏形焊點具有最長的疲勞壽命，單個凸點桶形焊點具有最短的疲勞壽命，而疊層桶形焊點的疲勞壽命居于兩者之間，但更接近于疊層沙漏形焊點的疲勞壽命。疊層沙漏形焊點比傳統單個凸點桶形焊點的疲勞壽命提高約60%，可靠性的提高是由于焊點支座高度與形體。

就疊層沙漏形焊點、疊層桶形焊點和單個凸點桶形焊點的平均裂紋萌生、裂紋傳播和徹底失效時間而言，3個焊點構形的裂紋萌生和傳播時間是完全不同的。疊層桶形焊點和單個凸點桶形焊點的平均裂紋萌生時間幾乎一樣，而疊層沙漏形焊點的平均裂紋萌生時間較長。另一方面，疊層桶形焊點的平均裂紋傳播時間與疊層沙漏形焊點的狀況處于相同水平，而單個凸點桶形焊點的平均裂紋傳播時間最短。通過采用疊層沙漏形焊點，裂紋傳播時間比桶形焊點提高30%～40%，采用疊層高支座焊點，裂紋傳播時間可提高約100%。因此，增大焊點的支座高度，是比提高焊點疲勞可靠性更有效的方法。

通過電阻變化與溫度循環數目的比較，可看出，對單個凸點桶形、疊層沙漏形和疊層桶形焊點而言，裂紋傳播階段電阻的斜率上升[4]。單個凸點桶形的斜率為大于6×10-5，而疊層沙漏形和疊層桶形焊點樣品的斜率范圍為（3～4）×10-5。通過測試芯片中7個單個凸點桶形焊點、7個疊層沙漏形焊點和7個疊層桶形焊點電阻上升率的比較，顯然，單個凸點桶形焊點斜率的平均值高于疊層沙漏形焊點和疊層桶形焊點斜率的平均值。從計算的不同溫度循環焊點裂紋面積可看出，單個凸點桶形焊點和疊層沙漏形焊點溫度循環期間平均裂紋面積的增長率情況。顯然單個凸點桶形焊點的裂紋面積增長快于疊層沙漏形焊點的狀況，這與單個凸點桶形焊點的電阻增長率高于高支座疊層沙漏形焊點的狀況是一致的。

溫度循環試驗表明，疊層沙漏形焊點提高平均總疲勞壽命超過傳統單個凸點桶形焊點約60%，對總疲勞壽命改進的主要貢獻，在于延長的裂紋傳播時間。疊層桶形焊點的總疲勞壽命僅僅略低于疊層沙漏形焊點的狀況，疊層桶形焊點的平均裂紋傳播時間與疊層沙漏形焊點的狀況處于同樣的水平，但裂紋萌生時間低于疊層沙漏形焊點的狀況。疊層桶形焊點與疊層沙漏形焊點的總疲勞壽命之間的差異，主要在于這兩類焊點構形的裂紋萌生時間之間的不同。再者，從焊點結構來看，這兩類焊點構形之間的主要區別是具有3個疊層焊料層相同的形體（接觸角和形體因素）。表1為溫度循環試驗樣品每個焊點構形的平均幾何數據和標準偏差，測量接觸角、高度和中點直徑，形體因素確定為焊點中點直徑與焊盤直徑的比率。疊層桶形焊點與疊層沙漏形焊點的高度幾乎一樣，相比，單個凸點桶形焊點與疊層桶形焊點的形體是一樣的，它們具有幾乎相同的平均萌生時間?？偲趬勖兔總€疲勞損壞過程時間主要由焊點幾何結構、材料和測試狀況確定，因此焊點形體是確定裂紋萌生時間的關鍵因素。

表1 溫度循環樣品的幾何結構

盡管疊層桶形焊點具有更小的焊盤尺寸，但疊層桶形焊點的總疲勞壽命高于傳統的單個凸點桶形焊點的40%，疊層桶形焊點的裂紋傳播時間比單個凸點桶形焊點的更長，而兩者構形的平均裂紋萌生時間一樣。疊層桶形焊點與單個凸點桶形焊點總疲勞壽命之間的差異，在于其裂紋傳播時間的不同。從表1可看出，雖然兩個桶形焊點結構具有相同的形體，但是支座高度完全不同，再者，疊層桶形焊點與疊層沙漏形焊點具有相同的支座高度，其平均傳播時間幾乎一樣。因此，把焊點裂紋傳播時間差異的根源歸于支座高度的不同，但注意到疊層桶形焊點是由含有高鉛焊料材料的中間焊球的三個焊料層組成的，而單個凸點桶形焊點僅由共熔焊料組成。盡管疲勞失效通常發生于共熔焊料層與芯片/基板的界面，但中間高鉛焊球具有與共熔焊料不同的特性，也對裂紋傳播時間造成影響。

微裂紋增長與局部應力和循環應變有關，微裂紋生長成為大裂紋的時間受局部應力和應變的影響。確定裂紋萌生時間的主要因素是焊點形體，通常由于在那些粘附界面，特別是角上，高熱應力的集聚，在焊點與硅芯片、焊凸與基板之間的界面處首先發生焊點疲勞失效。有限元模型表明在焊點角上沙漏形焊點具有更低的應力，通過分析，雙材料焊接或接觸邊緣附近應力和應變場，顯示奇異特性，這可引發大于正常應力的較大的應力。沙漏形焊點結構較小的接觸角，降低了奇特性。拉伸和剪切試驗證明，沙漏形焊點具有比桶形焊點高的粘附應力。較小的接觸角和較少的奇異性，是沙漏形焊點具有較長裂紋萌生時間的原因。沙漏形焊點改進裂紋萌生時間的又一因素是，細長的形體可改變應力分布，在焊點角上存在較低的應力集聚。沙漏形焊點的縮腰構形更順從和柔韌，在焊凸與硅芯片、焊凸與基板之間的界面處施加的應力，小于桶形焊點的狀況[4]。在避免凸起焊點應變定位特性方面，沙漏形是有效的，最終影響失效模式。在沙漏形焊點中，降低的斷面位于PCB與芯片間的中部，變形部分發生于焊點的柔軟中部，此變形遠離焊點對芯片和板的脆弱界面。相比較，桶形焊點在焊點對芯片和板的界面處，具有降低的橫截面，機械性能弱。拉伸試驗表明沙漏形焊點在中間頸部點位斷裂，而桶形焊點通常在界面處失效。焊點裂紋傳播時間主要通過焊點支座高度確定。

在焊點中有效應變可表示為：有效應變= bΔαΔTa/h。這里b為有效因素，Δα為加入材料間熱膨脹系數差異，ΔT為溫度變化，a為加入材料中性膨脹點距離，h為焊點高度。高焊點支座將使有效應變降低，按照公式(1)降低有效應變，得出較低的裂紋傳播率。疊層焊點提高了支座高度，因此延長了裂紋傳播時間和總疲勞壽命。

高順從焊點增強了不匹配吸收能力，在溫度循環中可使高支座焊點失真，在構建焊點中釋放熱應力。而且，高焊點也改變焊點中應力和應變分布，保護焊點對芯片和基板的弱界面。

從上面討論可看出，增大焊點支座高度是提高焊點可靠性的更有效的方法，盡管焊點形體也是重要的。因此，對焊點可靠性最佳化而言，最重要的事情就是增大焊點支座高度到焊點制作工藝允許的最大值。不影響焊點節距、I/O密度和成本，要提高焊點高度是非常困難的。通常，要獲得可靠的焊點高度，需要大的焊點到焊點間隔。焊點高度最大化后，可靠性最佳化的下一步就是控制焊點形體。焊點形體改變焊點中應力分布，對桶形體而言，由于高奇異性，在界面處應力很高，特別是角上，而中點應力很低。對桶形焊點而言，界面失效是主要的失效模式，相反，如果形體率（中點直徑/焊盤尺寸）很小，中間頸部點的應力大大高于界面處的應力，結果有粘著力的失效成為主要的失效模式。求得能使焊點疲勞壽命最大化的最佳形體率，在此狀況下疲勞失效會任意分布在界面和中間頸部點。

4 結束語

采用拉伸試驗來測試熱循環桶形和疊層沙漏形焊點的粘附強度，試驗結果表明，疊層沙漏形焊點具有比桶形焊點更高的粘附強度。沙漏形焊點具有較小的接觸角，比桶形焊點具有較少的奇異性。溫度循環期間桶形焊點的拉伸載荷，比沙漏形焊點的拉伸載荷下降得更快。這說明桶形焊點退化得更早更快，具有更低的疲勞壽命。

通過加速溫度循環試驗來評定裝配焊點的可靠性，這些焊點包括低支座桶形焊點和桶形及沙漏形高支座疊層焊點。測試結果清楚地表明，高支座沙漏形焊點具有最高的疲勞壽命，高支座桶形焊點的疲勞壽命處于中間，低支座桶形焊點具有最短的疲勞壽命。焊點疲勞損壞過程，可分為與裂紋萌生、裂紋傳播和完全失效相一致的三個階段。電阻測量和掃描聲學顯微鏡圖像表明，桶形焊點中裂紋早于沙漏形焊點中出現，說明在低支座焊點中裂紋傳播快于高支座焊點。試驗表明，焊點形體是影響裂紋萌生時間的主要因素，焊點高度是確定裂紋傳播時間的關鍵因素。試驗結果顯示，高支座沙漏形焊點比低支座桶形焊點促進裂紋萌生時間的總疲勞壽命改進約30%，而獲益于裂紋傳播約65%。

[1] X.Liu，S.Xu，G.Q.Lu，and D.A.Dillard.Stacked solder bumping technology for improved solder joint reliability[J].J.Microelectron.Rel.，2001，(41)：1979-1992.

[2] B.Su，S.Hareb，and Y.C.Lee.Solder joint reliability modeling for a 540-I/O plastic ball-grid-array assembly [C].in Proc.Int.Conf.Multichip Modules High Density Packag.，1998.422-428.

[3] 中國電子學會生產技術學分會叢書編委會組編.微電子封裝技術[M].（第1版）.合肥：中國科學技術大學出版社，2003.

[4] 電子封裝技術叢書編委會編.集成電路封裝試驗手冊》[M].（第1版）.北京：電子工業出版社，1998.

Discussion for Effects of Solder Joint Shape and Height on Thermal Fatigue Lifetime

YANG Jiansheng

(Tianshui Huatian Technology Co.，Ltd.，Tianshui 741000，China)

In this paper，the effects of solder joint shape and height on thermal fatigue lifetime are studied.Solder joint fatigue lifetime was evaluated using accelerated temperature cycling and adhesion test.Scanning electron microscopy(SEM)，energy dispersive x-ray analysis(EDX)，scanning acoustic microscopy (nondestructive evaluation)and optical microscopy were utilized to examine the integrity of the joint and to detect cracks and other defects before and during accelerated fatigue tests.Our accelerated temperature cycling test clearly shows that solder joint fatigue failure process consists of three phases:crack initiation，crack propagation and catastrophic failure.Experimental results indicated that both hourglass shape and great standoff height could improve solder joint fatigue lifetime，with standoff height being the more effective factor.Experimental data suggested that shape is the dominant factor affecting crack initiation time while standoff height is the major factor influencing crack propagation time.

Solder joint shape and height；Reliability；Solder bump；Thermal fatigue

TG405

A

1004-4507(2017)03-0006-07

楊建生（1964-），男，工程師，主要從事半導體集成電路項目管理和科技情報信息工作，已發表半導體集成電路封測工藝技術論文數十篇。

2017-04-23