电子封装的跌落可靠性
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电子封装的跌落可靠性
drop-test
可靠性试验加载方式
循环载荷
热机械 循环弯曲、震动
动态机械载荷
跌落、弯曲、剪切、拉伸、冲击
电化学
温度、湿度、电压
手持电子产品的可靠性要求
动态机械可靠性
动态机械载荷
便携跌落危险 新功能（游戏、短信）键盘、按键的疲劳和弯曲 重量减轻紧凑包封机械保护 叠层封装封装体质量，总体尺寸 小型化互连尺度危险性（失效几率）
3. 不考虑焊点回流残余应力
4. 加载时间分两步：一是drop过程，二是 精确的瞬态动态分析
5. 20ms的阻尼过程，准静态分析，以消除 PCB板上的崩散效应
6. 接触的地方都有着关联约束
7. 材料性质为弹性，SAC105焊料合金的 三线性弹塑性行为以内插值法在图中显 示，铜为双线性，多晶硅认为是弹性正 交的。
的金属间化合物界面层
芯片级封装的表面处理剂与焊球对基于JEDEC标准的跌落可靠性的影响
• 回流焊过程：生成IMC薄层 厚，脆；薄了，结合不好
在使用及跌落试验中，薄层会逐渐变厚 ---------取决于：表面处理剂，基板，焊料 • 表面处理剂： electroplated Nickel/Gold (Ni/Au) 电镀镍/金 Electroless nickel electroless palladium immersion gold (ENEPIG)化学镀Ni+浸Au化学镀Pd（钯） 实验用： • 焊料：三种SAC-- The tin–silver–copper 锡银铜合金
冲击能被塑性好的树脂及焊点吸收。 其应变更为明显
关键区域应变大小对比柱状图
Fig. 16. Molding resin’s effects on the F2F components.
Fig. 17. Molding resin’s effects on the B2F components.
上两图分析
(a) ENEPIG + SAC125Sb versus Ni/Au + SAC125Sb
韦伯分布图
(b) ENEPIG + SAC125NiSb versus Ni/Au + SAC125NiSb
(c) ENEPIG + SAC105Pt versus Ni/Au + SAC105Pt
失效模式分析
焊点间距：400um，
焊点大小：250um，
长100um，厚4um的多晶硅 通道作为垂直连接，F2F中 铜骨架连接片1与片2。
有限元建模
几何对称，仅考虑1/4.局部图 进行网格化处理。
用作可靠性分析的焊点凸处 应变对金属间化合物，焊料Al 及填充树脂的网格密度非常 敏感。
跌落冲击加载：加速脉冲A
弹性模量给定值
实验与数值模拟法求解PCB板中心处最大位移与纵向应变 Fig. 6. Top view of the test board
PCB最大弯曲处在C6与C7之间，染色 渗透测试显示，焊点失效关键位置在C7 中心处
Fig. 7. Critical zones localization; (a) failure location by dye penetration test, and (b) critical area localization (numerical modeling).
• 智能手机，数码相机，平板电脑
轻、巧、薄、便携性。使用环境比一般固定产品更复杂恶劣
• 跌落、撞击意外事件。
--要求良好的抗冲击性
跌落试验分类
• 产品级跌落：
• 复杂不可控，不可重复性，因为跌落与很多因 素相关，如产品设计，跌落方位，产品尺寸材 料等。
• 板级跌落：
可控性好，实验简单
可靠性测试标准
• 比较两个最好情况，发现： B2F：1.62%，F2F：2.78%。
• --最佳结构：B2F结构TSV下无焊点，填充resin2树脂。
结论：
1；杨氏模量测量20%误差都可以不考虑的
2；高危险失效区在中心位置焊球处
3；无树脂填充时，关键区域在临近IMC层的芯片一边
4；No bump under TSVs比有更优异
Fig. 8. PCB bending during drop test. 硅片Die刚性
纳米压痕，通过微为悬臂梁弯曲观测-----弹性模量测试
对于USG，Si，Cu： 应变对弹性模量变化不敏感
对IMC，Al： 有极小幅变化，忽略不计， 即百分之二十误差不影响焊 点应变
对SAC合金：从1.43%1.48%变化 因此需要高精度的弹性模量 测量系统
5；resin1，中心位置有失效危险；resin2，PCB板面的焊点有更大 的危险
6；使用低杨氏模量环氧树脂，最大塑性形变会变低 7；B2F设计有着更可靠的抗冲击性，
最好搭配：B2F+No bump under TSVs+resin2
封装一面 测试板那面
Fig. 7. Failure mode definition. 1：衬垫剥离 2： IMC裂纹
3：焊料裂纹
1. 脆性界面上测试板端：A2,A3
说明板面比封装面的连接差
2. 失效焊点数目与IMC面厚度呈反向关系，En显著低于Ni/Au，
3. En+SAC125NiSb最佳，厚度适中：太厚易脆化，太薄界面连接弱
Fig. 12. The effect of internal architecture on the critical bump’s maximum plastic strain.
剪切弹性应变对比： TSV下非焊球时应变小于是焊球 即No bump更优异
对F2F：有没有差别很小
对B2F：差别很大，即TSV下有 无焊球对B2B结构的焊球弹性应 力影响比较大。
A 0=1500G，tw=1ms
Fig. 4. Drop impact shock input acceleration.
全局建模结果作为局部分析的边界条件
Fig. 5. SAC105 elasto-plastic behavior
• 几种假设：
1. 仅分析了PCB板中心处C2W部件
2. 再分配层也考虑了，假设它会对板级的 机械可靠性有一点影响
最好的情况： B2F结构，TSV下非焊球，有着 最好的抗跌落性。
• 为增加机械抗性，加入环氧树脂。
• 研究其保护作用： 两种，resin1的弹性模量是resin2三倍
局部模型，看到包裹着焊球的树脂最底部 对四种情况，F2F，B2F与TSV ,TSV+NO组合进行模拟，定性定
量比较
Fig. 13. Protect resin position.
• 16图：F2F的，没有树脂，应变更小，但不代表更可靠。 因为应变集中在IMC层附近，更易引发最初的裂纹。树脂 的添加并不影响TSV通孔对应变的影响--对1,2都是TSV下 无焊点时应变最小，resin2的塑性应变是resin1时的一半 。最好：TSV下无焊点结构加resin2.
• 17图：B2F，resin2应变最小。同上
SAC125Sb, SAC125NiSb, SAC105Pt • 封装： thin-profile fine-pitch ball grid array (TFBGA)
细间距球栅阵列
JESD22-B111
测试板：15个TFBGAs 每个：280个焊点
测试板材料： 0.28mm铜垫 -OSP（有机保焊膜） -0.43mm防焊漆 Sn3.0Ag0.5Cu (SAC305)—焊膏。
下面为对比实验，杨氏模量 误差不影响结果对比
两种硅通孔对比图
no bump under TSV
bumps under TSV
Critical bump maximum plastic strain
(a) F2F, bumps under TSVs, (b) F2F , no bumps under TSVs, (c) B2F, bumps under TSVs, (d) B2F, no bumps under TSVs critical region：接近金属间化合物层--坚硬脆性。裂纹产生于此并传播到焊球内引起微互 连失效。
• ABAQUS软件--有限元模拟 • 比较了两种设计下的行为： • F2F（face to face），B2F（back to face）
在不同 TSV通孔位置与成型树脂的机械性能。
• 可靠性评判标准：关键的焊凸点上的最大剪切塑性应变。
注意：Die1与die2
SAC105:49个（7×7）
49个SAC105焊点，
动态机械载荷下的可靠性非常重要
跌落、拉伸、剪切、弯曲、冲击和振动 焊点：
脆性断裂－－对应力集中更为敏感 影响因素：金属间化合物（IMC）、润湿性、…
PCB: 绝缘层/铜线裂开 封装:焊球、焊点大小
研究意义
• 工作环境越来越恶劣
承受载荷越来越苛刻，几百个重力加速度的冲击载荷很常见。
低银剂量的焊料（锡银铜合金）更好--有着更好的延展性 加入少量Sb，Ni，Pt增强浸润性与强度
回流焊后的界面合金层图
第一个失效与63.5%的失效率时跌落次数
1.ENEPIG的失效时坠落数更大 2.第一个失效时差别不大，63.2%时差别大 3.En+SAC125NiSb最佳，Ni/Au+SAC105Pt最差
3D有限元建模分析3D C2W跌落可靠性—--确定最优内部结构与材料
• 3D wafer level packaging (3D-WLSiP)WL：晶圆级封装 多个晶圆垂直堆叠粘合
• SiP系统级封装System In a Package • 分为：C2C ，W2W， C2W。 • 利用硅通孔技术：TSV（Through Silicon Vias）
填充树脂
Fig. 14. Plastic strain concentration area on the critical corner bump
(a) the 3D component without resin, (b) the 3D component with resin1, and (c) the 3D component with resin2.
板级跌落试验条件
8级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；
Байду номын сангаас
JESD22-B110
跌落产生冲击载荷：
1. 以惯性力形式直接作用于焊点
2. 另一方面能量转化为印刷电路板动能，使印刷电路板往复弯曲振动， 而印刷电路板刚度与元器件刚度不同，弯曲振动过程焊料微互连承受
一定应力应变作用。
互连失效机理：
• 沿着焊料焊盘界面层的脆性断裂，这过程与焊料硬化有关。 • 跌落过程焊料应变率高，会使焊料发生硬化，以至于裂纹发生在脆性
Fig. 15. The shear strain of the solder bump and the molding resin;
(a) the 3D component with resin1, resin1相对刚性，略微变形
(b) the 3D component with resin2.
• 美国电子工业协会(Electronic Industries Alliance) • EIA 的JESD标准：
测试用电路板的尺寸、元器件的布局、加载速度、跌落条件及测试步 骤做出了详细的规定
• JESD22-B110A JESD22-B111
分别指导电子部件冲击测试与手持类电子产品板级跌落测试
板级跌落试验设备(Drop Tester)
无铅回流焊工艺
JESD22-B104-B
Fig. 3. Schematic of a drop tower
Fig. 4. Acceleration versus time.
施加到线板的激励脉冲是加速度峰值1500g，延续时间0.5ms的半正弦脉冲。
莲须300次坠落试验或者到所有封装皆失效为止
焊料，表面处理剂成分图
drop-test
可靠性试验加载方式
循环载荷
热机械 循环弯曲、震动
动态机械载荷
跌落、弯曲、剪切、拉伸、冲击
电化学
温度、湿度、电压
手持电子产品的可靠性要求
动态机械可靠性
动态机械载荷
便携跌落危险 新功能（游戏、短信）键盘、按键的疲劳和弯曲 重量减轻紧凑包封机械保护 叠层封装封装体质量，总体尺寸 小型化互连尺度危险性（失效几率）
3. 不考虑焊点回流残余应力
4. 加载时间分两步：一是drop过程，二是 精确的瞬态动态分析
5. 20ms的阻尼过程，准静态分析，以消除 PCB板上的崩散效应
6. 接触的地方都有着关联约束
7. 材料性质为弹性，SAC105焊料合金的 三线性弹塑性行为以内插值法在图中显 示，铜为双线性，多晶硅认为是弹性正 交的。
的金属间化合物界面层
芯片级封装的表面处理剂与焊球对基于JEDEC标准的跌落可靠性的影响
• 回流焊过程：生成IMC薄层 厚，脆；薄了，结合不好
在使用及跌落试验中，薄层会逐渐变厚 ---------取决于：表面处理剂，基板，焊料 • 表面处理剂： electroplated Nickel/Gold (Ni/Au) 电镀镍/金 Electroless nickel electroless palladium immersion gold (ENEPIG)化学镀Ni+浸Au化学镀Pd（钯） 实验用： • 焊料：三种SAC-- The tin–silver–copper 锡银铜合金
冲击能被塑性好的树脂及焊点吸收。 其应变更为明显
关键区域应变大小对比柱状图
Fig. 16. Molding resin’s effects on the F2F components.
Fig. 17. Molding resin’s effects on the B2F components.
上两图分析
(a) ENEPIG + SAC125Sb versus Ni/Au + SAC125Sb
韦伯分布图
(b) ENEPIG + SAC125NiSb versus Ni/Au + SAC125NiSb
(c) ENEPIG + SAC105Pt versus Ni/Au + SAC105Pt
失效模式分析
焊点间距：400um，
焊点大小：250um，
长100um，厚4um的多晶硅 通道作为垂直连接，F2F中 铜骨架连接片1与片2。
有限元建模
几何对称，仅考虑1/4.局部图 进行网格化处理。
用作可靠性分析的焊点凸处 应变对金属间化合物，焊料Al 及填充树脂的网格密度非常 敏感。
跌落冲击加载：加速脉冲A
弹性模量给定值
实验与数值模拟法求解PCB板中心处最大位移与纵向应变 Fig. 6. Top view of the test board
PCB最大弯曲处在C6与C7之间，染色 渗透测试显示，焊点失效关键位置在C7 中心处
Fig. 7. Critical zones localization; (a) failure location by dye penetration test, and (b) critical area localization (numerical modeling).
• 智能手机，数码相机，平板电脑
轻、巧、薄、便携性。使用环境比一般固定产品更复杂恶劣
• 跌落、撞击意外事件。
--要求良好的抗冲击性
跌落试验分类
• 产品级跌落：
• 复杂不可控，不可重复性，因为跌落与很多因 素相关，如产品设计，跌落方位，产品尺寸材 料等。
• 板级跌落：
可控性好，实验简单
可靠性测试标准
• 比较两个最好情况，发现： B2F：1.62%，F2F：2.78%。
• --最佳结构：B2F结构TSV下无焊点，填充resin2树脂。
结论：
1；杨氏模量测量20%误差都可以不考虑的
2；高危险失效区在中心位置焊球处
3；无树脂填充时，关键区域在临近IMC层的芯片一边
4；No bump under TSVs比有更优异
Fig. 8. PCB bending during drop test. 硅片Die刚性
纳米压痕，通过微为悬臂梁弯曲观测-----弹性模量测试
对于USG，Si，Cu： 应变对弹性模量变化不敏感
对IMC，Al： 有极小幅变化，忽略不计， 即百分之二十误差不影响焊 点应变
对SAC合金：从1.43%1.48%变化 因此需要高精度的弹性模量 测量系统
5；resin1，中心位置有失效危险；resin2，PCB板面的焊点有更大 的危险
6；使用低杨氏模量环氧树脂，最大塑性形变会变低 7；B2F设计有着更可靠的抗冲击性，
最好搭配：B2F+No bump under TSVs+resin2
封装一面 测试板那面
Fig. 7. Failure mode definition. 1：衬垫剥离 2： IMC裂纹
3：焊料裂纹
1. 脆性界面上测试板端：A2,A3
说明板面比封装面的连接差
2. 失效焊点数目与IMC面厚度呈反向关系，En显著低于Ni/Au，
3. En+SAC125NiSb最佳，厚度适中：太厚易脆化，太薄界面连接弱
Fig. 12. The effect of internal architecture on the critical bump’s maximum plastic strain.
剪切弹性应变对比： TSV下非焊球时应变小于是焊球 即No bump更优异
对F2F：有没有差别很小
对B2F：差别很大，即TSV下有 无焊球对B2B结构的焊球弹性应 力影响比较大。
A 0=1500G，tw=1ms
Fig. 4. Drop impact shock input acceleration.
全局建模结果作为局部分析的边界条件
Fig. 5. SAC105 elasto-plastic behavior
• 几种假设：
1. 仅分析了PCB板中心处C2W部件
2. 再分配层也考虑了，假设它会对板级的 机械可靠性有一点影响
最好的情况： B2F结构，TSV下非焊球，有着 最好的抗跌落性。
• 为增加机械抗性，加入环氧树脂。
• 研究其保护作用： 两种，resin1的弹性模量是resin2三倍
局部模型，看到包裹着焊球的树脂最底部 对四种情况，F2F，B2F与TSV ,TSV+NO组合进行模拟，定性定
量比较
Fig. 13. Protect resin position.
• 16图：F2F的，没有树脂，应变更小，但不代表更可靠。 因为应变集中在IMC层附近，更易引发最初的裂纹。树脂 的添加并不影响TSV通孔对应变的影响--对1,2都是TSV下 无焊点时应变最小，resin2的塑性应变是resin1时的一半 。最好：TSV下无焊点结构加resin2.
• 17图：B2F，resin2应变最小。同上
SAC125Sb, SAC125NiSb, SAC105Pt • 封装： thin-profile fine-pitch ball grid array (TFBGA)
细间距球栅阵列
JESD22-B111
测试板：15个TFBGAs 每个：280个焊点
测试板材料： 0.28mm铜垫 -OSP（有机保焊膜） -0.43mm防焊漆 Sn3.0Ag0.5Cu (SAC305)—焊膏。
下面为对比实验，杨氏模量 误差不影响结果对比
两种硅通孔对比图
no bump under TSV
bumps under TSV
Critical bump maximum plastic strain
(a) F2F, bumps under TSVs, (b) F2F , no bumps under TSVs, (c) B2F, bumps under TSVs, (d) B2F, no bumps under TSVs critical region：接近金属间化合物层--坚硬脆性。裂纹产生于此并传播到焊球内引起微互 连失效。
• ABAQUS软件--有限元模拟 • 比较了两种设计下的行为： • F2F（face to face），B2F（back to face）
在不同 TSV通孔位置与成型树脂的机械性能。
• 可靠性评判标准：关键的焊凸点上的最大剪切塑性应变。
注意：Die1与die2
SAC105:49个（7×7）
49个SAC105焊点，
动态机械载荷下的可靠性非常重要
跌落、拉伸、剪切、弯曲、冲击和振动 焊点：
脆性断裂－－对应力集中更为敏感 影响因素：金属间化合物（IMC）、润湿性、…
PCB: 绝缘层/铜线裂开 封装:焊球、焊点大小
研究意义
• 工作环境越来越恶劣
承受载荷越来越苛刻，几百个重力加速度的冲击载荷很常见。
低银剂量的焊料（锡银铜合金）更好--有着更好的延展性 加入少量Sb，Ni，Pt增强浸润性与强度
回流焊后的界面合金层图
第一个失效与63.5%的失效率时跌落次数
1.ENEPIG的失效时坠落数更大 2.第一个失效时差别不大，63.2%时差别大 3.En+SAC125NiSb最佳，Ni/Au+SAC105Pt最差
3D有限元建模分析3D C2W跌落可靠性—--确定最优内部结构与材料
• 3D wafer level packaging (3D-WLSiP)WL：晶圆级封装 多个晶圆垂直堆叠粘合
• SiP系统级封装System In a Package • 分为：C2C ，W2W， C2W。 • 利用硅通孔技术：TSV（Through Silicon Vias）
填充树脂
Fig. 14. Plastic strain concentration area on the critical corner bump
(a) the 3D component without resin, (b) the 3D component with resin1, and (c) the 3D component with resin2.
板级跌落试验条件
8级别分别对应不同的使用环境或者加速因子；
Байду номын сангаас
JESD22-B110
跌落产生冲击载荷：
1. 以惯性力形式直接作用于焊点
2. 另一方面能量转化为印刷电路板动能，使印刷电路板往复弯曲振动， 而印刷电路板刚度与元器件刚度不同，弯曲振动过程焊料微互连承受
一定应力应变作用。
互连失效机理：
• 沿着焊料焊盘界面层的脆性断裂，这过程与焊料硬化有关。 • 跌落过程焊料应变率高，会使焊料发生硬化，以至于裂纹发生在脆性
Fig. 15. The shear strain of the solder bump and the molding resin;
(a) the 3D component with resin1, resin1相对刚性，略微变形
(b) the 3D component with resin2.
• 美国电子工业协会(Electronic Industries Alliance) • EIA 的JESD标准：
测试用电路板的尺寸、元器件的布局、加载速度、跌落条件及测试步 骤做出了详细的规定
• JESD22-B110A JESD22-B111
分别指导电子部件冲击测试与手持类电子产品板级跌落测试
板级跌落试验设备(Drop Tester)
无铅回流焊工艺
JESD22-B104-B
Fig. 3. Schematic of a drop tower
Fig. 4. Acceleration versus time.
施加到线板的激励脉冲是加速度峰值1500g，延续时间0.5ms的半正弦脉冲。
莲须300次坠落试验或者到所有封装皆失效为止
焊料，表面处理剂成分图