把無鉛焊點倒裝芯片(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。移動電話和數(shù)碼相機等便攜式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。本文對采用有限元法計算出的薄型倒裝芯片球柵陣列封裝的熱-機械可靠性參數(shù)進行了分析，其中包括室溫和回流溫度下的翹曲特性以及溫度循環(huán)試驗中的焊點疲勞特性。我們認為，通過在計算過程中充分考慮底部填充材料的粘彈性，可以改進計算精度。

　　文中對考慮了底部填充材料粘彈性的計算結(jié)果與只考慮底部填充材料彈性的計算結(jié)果進行了比較，并把計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了對照。文章對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)果同時還證明，使用熱膨脹系數(shù)(CTE)較小且硬度較高的襯底是實現(xiàn)薄型高可靠倒裝芯片封裝的必要條件。

　　FC封裝的熱-機械特性與可靠性的關(guān)系

　　在FEM分析中，為闡明FC封裝的熱-機械可靠性，需要對多項參數(shù)進行計算。選擇的分析對象是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)過程中的焊點疲勞特性。

　　圖1是分析模型的FC-BGA封裝結(jié)構(gòu)和焊點結(jié)構(gòu)。在這里，底部填充材料通常用做焊點的包封材料。Si芯片的尺寸為15mm15mm725μm。封裝襯底包括一個中間核芯層及其上面的6個堆疊層。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的彈性-塑性-蠕變特性進行了分析。

　　UF特性

　　通過FEM法計算出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)材料的儲能模量與溫度的關(guān)系判斷出來的。例如，圖3表示對FC-BGA封裝使用的A、B兩類底部填充材料進行彈性分析和粘彈性分析后計算出的整體翹曲值，并對這些值進行了比較。采用這兩種分析方法計算出的室溫下的翹曲值相差很大，我們可以確認，采用粘彈性分析法計算出的翹曲值與實際FC-BGA封裝實驗中獲得的值基本一致。

　　翹曲分析

　　圖4(a)是25℃時計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℃時計算出的整體翹曲值，這個溫度相當(dāng)于組裝工藝使用的最高溫度。260℃時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，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)溫度達到260℃時，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)過程中的焊點疲勞度分析

　　圖5(a)和5(b)表示在-55℃～125℃溫度循環(huán)測試過程中計算出的FC-BGA封裝中焊點的最大非彈性應(yīng)變與時間的關(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表示計算出的兩類底部填充材料的非彈性應(yīng)變范圍。

　　在一個溫度循環(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的計算結(jié)果進行了對比。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，對無鉛焊接凸點薄型倒裝芯片封裝中封裝材料的物理特性對熱-機械可靠性的影響進行了參量分析。結(jié)果表明，考慮底部填充材料的粘彈性可以對封裝可靠性進行更加精確的分析。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的前提下改進封裝的可靠性。（作者：Hiroyuki Tanaka，Sumitomo Bakelite Co. Ltd.）