倒装芯片封装结构中SnAgCu焊点热疲劳寿命预测方法研究_李晓延

倒装芯片封装结构中SnAgCu 焊点热疲劳寿命预测方法研究
THERMO -FATIGUE LIFE PREDICTION METHODOLOGIES FOR
SnAgCu SOLDER JOINTS IN FLIP -CHIP ASSEMBLIES
李晓延 王志升
(北京工业大学材料学院,北京100022)
LI XiaoYan WANG ZhiSheng
(School of M ate rials Scienc e and Engineering ,Beijing Unive rsity of Technology ,Beijing 100022,China )
摘要　由于焊点区非协调变形导致的热疲劳失效是倒装芯片封装(包括无铅封装)结构的主要失效形式。

到目前为止,仍无公认的焊点寿命和可靠性的评价方法。

文中分别采用双指数和双曲正弦本构模型描述SnAgCu 焊点的变形行为,通过有限元方法计算焊点累积蠕变应变和累积蠕变应变能密度,进而据此预测倒装芯片封装焊点的热疲劳寿命。

通过实验验证,评价上述预测方法的可行性。

结果表明,倒装芯片的寿命可由芯片角焊点的寿命表征;根据累积蠕变应变能密度预测的焊点热疲劳寿命比根据累积蠕变应变预测的焊点热疲劳寿命更接近实测数据;根据累积蠕变应变预测的热疲劳寿命比根据累积蠕变应变能密度预测的热疲劳寿命长;采用双指数本构模型时,预测的焊点热疲劳寿命也较长。

关键词　热疲劳　寿命预测　倒装芯片焊点　无铅化中图分类号　TG407　O346.2　TB114.3
A bstract Thermal fatigue failure ,due to the fracture of solder joints which was caused by the mis match deformation ,is frequentl y encountered in flip chip (FC )assemblies .Unfortunately ,there is n o widel y accepted method to evaluate the reliability of solder joints ,especially for lead -free solder joints ,in s uch assemblies up to now .The constitutive models of double power law and the hyperbolic sine law were implemented to simulate the deformation of Sn AgCu solder joints in flip chip assemblies .The accumulated creep strain and ac -cu mulated creep strain energy dens ity of the solder joints were calculated ,via finite element method ,and were use to predict the thermal fatigue life of flip chip assemblies .The applicability of the above life prediction methods was evaluated through cross check of the present results with that of the literatures .It was found that the life of the FC assemblies could be estimated by the prediction of the life of the corner solder joints .The thermal fatigue life ,estimated according to accumulated creep strain energy density is closer to the test data than that of the life estimated according to accumulated creep strain .The life predicated according to accumulated creep strain shown a slightly high value than that predicated accordin g to accumulated creep strain energy density .The double power law constitutive equation results in a higher predicted life .
Key words Themo -fatigue ;Life prediction ;Flip chip ;Solder joint ;Lead free Corr es ponding autho r :LI Xiao Yan ,E -mail :xyli @bjut .edu .cn
The project supported b y the National Natural Science Foundation of China (No .50475043),Nature Science Foundation of Beijin g (2052006)and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (No .20040005012).
Manuscript received 20060712,in revised form 20060831.
1　引言
小型化和高密度组装是新一代电子产品的主要特征,倒装芯片(flip chip on board ,FCOB )封装结构的广
泛应用正是为了满足上述特征要求,在倒装芯片封装中,硅芯片通过焊点直接安装于玻璃环氧树脂印刷电路基板(printed circuit board ,PCB )上,以确保短的互连电路、高的集成密度和良好的噪音控制。

这类倒装芯
片封装结构的简图如图1所示。

一般来说,倒装芯片
封装结构包含四个主要部分,芯片、焊点、基板和填充胶。

在芯片制造和服役的温度循环中,封装材料的热物理性能,特别是热膨胀系数的差异引起芯片中非协调变形的发生,焊点中的应力和应变也随之升高。

研究表明,芯片的破坏与倒装芯片封装结构所经历的非协调形变历史密切相关。

由于倒装芯片封装结构的复杂性和修复的困难,一个焊点(特别是角点)
的破坏往
Journal of Mechanical Strength
2006,28(6):893～898
李晓延,男,1963年5月生,陕西省礼泉县人,汉族。

哈尔滨工业大学工学博士,芬兰拉彭兰塔工业大学科学博士,中国焊接学会常务理事,北
京工业大学教授,主要从事材料和结构全寿命周期的强度与可靠性研究。

20060712收到初稿,20060831收到修改稿。

本文研究得到国家自然科学基金(50475043)、北京市自然科学基金(2052006)和教育部博士点基金
(20040005012)的资助。

往导致整个封装结构的失效[1]。

从这一意义上看,倒装芯片封装结构的热疲劳寿命由其角焊点的热疲劳寿命决定。

图1　倒装芯片封装结构简图
Fig .1　Solder bumped flip chip on board ass embly
对SnPb 焊料焊点破坏行为及寿命的研究已有多年的基础,许多寿命预测方法被不同的研究者采用,以基于蠕变应变的的寿命方法[2,3]
和基于能量的方法
[4,5]
获得的应用最多。

对新一代电子产品,由于环境保护的压力和相关法规的要求,封装的无铅化是基本要求。

目前,虽然国内外有关无铅焊料开发、焊接工艺和焊点可靠性的研究已有不少报道,但能否将用于描述SnPb 焊料焊点破坏和寿命的规律直接应用到SnAgCu 系无铅焊料焊点上,仍无理论和实践的保证,其原因一方面是描述SnPb 焊料应力应变行为的本构关系并不一定适用于无铅焊料合金系统;另一方面,无铅焊料焊点的破坏行为与SnPb 焊料焊点的破坏行为并不完全相同。

无疑,开展无铅焊料焊点破坏行为和寿命规律的研究对于理解无铅焊料焊点的破坏机理、预测其可靠服役寿命有重要的理论和实际意义。

要进行焊点寿命的预测,通常首先应确定焊点应力应变分布,然后计算非弹性应变和非弹性应变能密度的累积,最后依据热循环过程中非弹性应变或非弹性应变能密度的累积估算焊点的热疲劳寿命。

基于上述思路,已有一些预测焊点可靠性和寿命的经验公式
被报道和应用[6～21]。

对本文的研究,由于尚无描述SnAgCu 系无铅焊料应力应变响应的公认的本构关系,在研究中,分别采用双指数本构模型和双曲正弦本构模型描述倒装芯片封装中SnAgCu 系合金焊点的应力应变行为,进而通过有限元方法计算焊点热循环过程中蠕变应变和蠕变应变能的累积,并据此估算焊点的热疲劳寿命。

本文研究的主要目的在于评价将用于SnPb 焊料焊点上的本构关系及寿命计算的经验公式应用于SnAgCu 无铅焊料焊点寿命预测的可行性。

2　应力应变分析
在电子封装领域,有限元分析广泛应用于模拟热循环条件下焊点失效的物理过程。

应用有限元方法研
究倒装芯片封装中热力耦合条件下的形变响应也有不
少文献报道,主要的研究集中在倒装芯片封装结构的应力分析[22～25]
、焊点界面的失效行为
[26～28]
、有限元参
量的研究[29]
等方面。

在本研究中,倒装芯片封装结构为尺寸9m m ×9mm ×0.51mm 的芯片通过121个SnAgCu 焊点安装于FR -4基板上,其具体尺寸如表1;封装结构中材料的弹性性能和热膨胀系数如表2;SnAgCu 焊料不同温度下的应力应变响应如表3
[30]。

表1　倒装芯片封装的尺寸
T ab .1　Dimensions of the FC (flip chip )assembly
mm
长度Length
宽度Width
厚度Thicknes s
芯片Die 9.09.00.51玻璃环氧基板Fla me res is tant 4(FR 4)
9.09.01.60直径Diameter
高度Hei ght 间距Space 焊点Solder joint
0.34
0.18
0.75
表2　材料性能
T ab .2　Properties of the materials
弹性模量Elastic modulus MPa
泊松比Pois son 's
ratio 热胀系数Coefficient of thermal
expansion (CTE )×106 K
硅片Slicon 1.31×1050.32.7玻璃环氧基板
FR41.6×104
0.28
16
底充胶Underfill (Hysol CNB 840-38)1.1×104
0.3
21
焊料SnAgCu
278K 41000323K 38000
0.38
20
表3　不同温度下SnAgCu 焊料的应力应变响应Tab .3　Stress and s train res ponse of Sn AgCu solder 温度Temperature K
278
323
应变Strain 1.40×10-34.00×10-3
1.001.40×10-34.00×10-31.00
应力Stress MPa
57.480250053.2721900
图2　有限元模型及网格划分Fig .2　Finite ele ment meshes of the model
在倒装芯片封装结构中,失效往往起源于芯片角
焊点的断裂。

本文的研究重点也在于分析芯片角焊点
　894
机 械 强 度2006年　
图3　芯片角焊点上下表面承受的剪切位移Fig .3　Shearing dis placement changes on the top s ide
and bottom s ide of the corner sol der j
oint
图4　单焊点模型及其有限元网格
Fig .4　Single joint model and its FE (finite ele ment )meshes
的应力应变状态,为此,首先分析芯片结构在热循环作用下的整体变形,以便确定芯片角焊点在热循环过程中实际承受的剪切位移载荷。

对正方形倒装芯片封装结构,四个角点处的焊点承受最恶劣的服役载荷,本文在芯片对角线方向上建立平面应变二维有限元模型,模拟芯片的整体变形行为。

由于结构的对称性,有限元分析对封装结构的一半进行。

有限元模型及网格划分如图2,有限元分析采用MARC 软件进行。

在进行倒装芯片封装结构的整体变形分析时,假设硅芯片、玻璃环氧树脂基板以及底填充胶遵循各向同性、线弹性形变规律,变形过程中材料的热物理性能和力学性能不随温度变化。

但对SnAgCu 焊料,认为材料变形遵循弹塑性形变规律。

温度载荷变化范围为125℃～-40℃。

在计算过程中,认为初始温度125℃时封装结构处于零应力状态,然后均匀降温到-40℃,结构中不存在不均匀温度梯度。

在上述条件下冷却时,角焊点上下表面所承受的剪切位移载荷如图3。

以上述整体分析中获得的剪切位移差为外加机械载荷,倒装芯片角焊点所经历的热力耦合形变过程可在图4所示的模型上采用三维有限元方法进行分析。

温度载荷如图5所示。

温度区间为-40℃～+
125℃,
图5　温度荷载循环
Fig .5　Profil e of temperature c ycling
图6　剪切位移循环
Fi g .6　Profile of shearing dis placement c ycling
加热 冷却速率为11℃ 分钟,保温时间为15分钟。

在上述温度循环条件下,倒装芯片封装结构整体分析所获得的芯片角焊点所承受的剪切位移载荷循环
如图6。

在进行单焊点的热力疲劳详细分析时,图5和图6所示的温度载荷和位移载荷同步施加,热力耦合为同相位耦合。

对大多数工程材料,在加载速率较小时,如果归一化温度(实际服役绝对温度 理论熔点绝对温度)大于0.5,蠕变将在变形中起重要作用。

对SnAgCu 系焊料合金,在-40℃时的归一化温度约为0.47,蠕变无疑是其服役中的主要形变。

在进行单焊点的热力耦合形变分析时,将以热弹塑性蠕变本构关系描述SnAgCu 焊点的形变行为。

在对SnAgCu 系无铅焊料的研究中,不同的学者已提出多种本构关系表达式来描述焊料的应力应变行为,其中Wise
[31]
提出双指数关系在描述焊料在低应力
条件下以位错攀移机制为主导的蠕变行为和高应力条
件下以滑移和攀移联合主导的蠕变行为上得到不少学者的认同,这一关系的表达式如方程(1)。

另一个得到认同的本构关系是Schubert
[32]
提出的双曲正弦模型,
这一关系可描述高应力条件下应力应变的指数规律,这一关系的表达式见方程(2)。

在本文的研究中,上述εcr =A 12
(1)
　第28卷第6期李晓延等:倒装芯片封装结构中SnAgCu 焊点热疲劳寿命预测方法研究895　
其中,A 1=4×10-7
s -1
,H 1 k =3223,n 1=3.0,
A 2=10
-12
s -1
,H 2 k =7348,n 2=12,σn =1MPa εcr =A 1[sinh (ασ)]n
exp
-H 1
kT
(2)
其中,A 1=277984s -1
,α=0.02447MPa ,n =6.41,H 1 k =6500
依据双指数本构关系和双曲正弦本构关系计算所得的蠕变回线分别如图7和图8。

可以看出,在经历第
一热力循环后,两种情况下的蠕变回线均趋于稳定。

从图7和图8可确定累积的蠕变应变,在采用双指数规律时,累积蠕变应变为0.
0102,在采用双曲正弦规律时,累积蠕变应变为0.0100。

图7　基于双指数规律的蠕变回线
Fig .7　Creep hysteresis loops according to double power law
图8　基于双曲正弦关系的蠕变回线
Fig .8　Creep hys teresis loops according to hyperbolic sine law
3　寿命预测
目前,对焊点破坏和寿命的研究已引起国内外学者的广泛关注,提出了SnPb 焊料和SnAgCu 焊料寿命的不同模型,这些模型或者以应变幅为表征参量,或者以累积蠕变应变为表征参量,或者以累积蠕变应变能密度为表征参量。

在这些模型中,美国Amkor 公司Syed
[33,34]
提出的基于累积蠕变应变和基于累积蠕变应
变能密度的寿命模型得到较多关注和应用。

根据Syed
模型,蠕变是控制SnAgCu 焊料损伤的主要机制,蠕变是描述焊料损伤行为的单一参量,因而寿命预测也应以蠕变变形为基础。

Syed 模型认为,循环载荷是蠕变的特殊形式,只不过蠕变是在顺序加载或重复加载的情况下发生。

这样,以累积蠕变应变为基础的寿命方程可简化为
N f =(C ′εacc )
-1
(3)
其中,N f 是失效时的循环数,εacc 是每一循环累积的蠕变应变,C ′=1 εf 是蠕变延性的倒数,εf 是表达蠕变延性的常数。

以累积蠕变应变能密度为表征参量的焊点寿命方程可简化为
N f =(W ′w acc )
-1
(4)
其中,N f 是失效时的循环数,w acc 是每一循环累积的蠕变应变能密度,W ′是失效时的蠕变应变能密度。

图9　根据双指数规律计算得到的蠕变应变能密度Fig .9　The creep strain energy density evaluated according
to double power law
图10　根据双曲正弦规律计算得到的蠕变应变能密度Fig .10　The creep strain energy density evaluated according
to hyperbolic sine law
在本文的研究中,分别按照双指数规律(方程(1))
和双曲正弦规律(方程(2))计算焊点的蠕变应变能历史,其结果如图9和图10。

从这两图上可获得稳定蠕变时蠕变应变能密度的幅值。

采用双指数材料模型时,每一循环的累积蠕变应变能密度为0.362MPa ,采用双曲正弦材料模型时,每一循环累积的蠕变应变能密度为
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机 械 强 度2006年　
0.295MPa。

在获得了累积蠕变应变和累积蠕变应变能密度后,可依据方程(3)和方程(4)计算焊点的热力疲劳寿命,材料常数采用文献[34]中相同材料的实验数据,其结果如表4。

从表4可以看出,依据累积蠕变应变预测的寿命较依据累积蠕变应变能密度预测的寿命长。

表4　SnAgCu焊点的预测寿命
Tab.4　Predicted life of SnAgCu solder joint
寿命模型Life model 寿命预测结果Predicted life
cycle
双指数规律Double power law
基于累积蠕变应变
According to accumulated
creep strain
2095
基于累积蠕变应变能密度
According to accumulated
creep strain energy density
1842
双曲正弦规律Hyperbolic
sine law
基于累积蠕变应变
According to accumulated
creep strain
1949
基于累积蠕变应变能密度
According to accumulated
creep strain energy density
1784
为了验证本文预测方法的可靠性,将本文的预测方法应用于文献[34]的CB GA(ceramic ball grid array)封装结构,并将预测结果与文献[34]的实验结果进行比较。

文献[34]的研究对象是一个CBGA实验样品,上层的陶瓷芯片为8mm×8mm,有64个SnAgCu焊料焊点,焊点下面与PCB相连,其材料为FR-4树脂,热循环加载条件为125℃～-40℃,该CB GA结构的尺寸如表5所示。

本文预测结果与文献[34]实验结果的比较如表6。

可以看出,在应用双曲正弦规律描述SnAgCu焊料的本构关系时,根据焊点累积蠕变应变能密度预测的倒装芯片热疲劳寿命与实验测量寿命良好吻合。

同时发现,依据累积蠕变应变所预测的寿命均高于依据累积蠕变应变能密度所预测的寿命,采用双指数规律的材料本构模型时,所预测的寿命高于采用双曲正弦本构模型所预测的寿命,也高于实验测得的寿命。

表5　CBGA封装的尺寸[34]
Tab.5　Dimens ions of the CBGA assemb l y[34]mm
厚度Thickness 芯片Die玻璃环氧基板FR4
1.01.6
焊点Solder joint 直径Diameter高度Height间距Space
0.460.30.8
表6　CBG A封装结构预测寿命与实验寿命的比较
Tab.6　Comparison of the predicted life of a CBGA assemble
with that of tes ted data
寿命模型
Life model
预测寿命
Predicted
life c ycle
实验寿命[34]
Life of test[34]
双指数
规律
Double
power
law
基于累积蠕变应变
According to accumulated
creep strain
514
基于累积蠕变应变能密度
According to accumulated
creep s train energy density
439
最短
寿命
1st
fail ure
Weibull
表征
寿命
Weibull
char.life
平均
寿命
M ean
life
双曲正
弦规律
Hyperbolic
sine law
基于累积蠕变应变
According to accumulated
creep strain
489
基于累积蠕变应变能密度
According to accumulated
creep s train energy density
318
445417417
4　结论
本文分别采用双指数材料本构关系和双曲正弦本
构关系,根据热力疲劳条件下的累积蠕变应变和累积
蠕变应变能密度对倒装芯片结构的热疲劳寿命进行预
测,考察以芯片角焊点寿命表征芯片寿命的合理性。

获
得如下主要结论:
1)倒装芯片的热疲劳寿命由其角焊点的寿命决
定,芯片的寿命预测可以通过对芯片角焊点寿命的预
测实现。

2)采用双曲正弦本构模型,依据累积蠕变应变能
密度所预测的热疲劳寿命与实际测试寿命最为接近。

3)依据累积蠕变应变所预测的寿命均高于依据
累积蠕变应变能密度所预测的寿命,采用双指数规律
的材料本构模型时,所预测的寿命高于采用双曲正弦
本构模型所预测的寿命,也高于实验测得的寿命。

致谢
本文的研究得到国家自然科学基金(50475043)、
北京市自然科学基金(2052006)和教育部博士点基金
(20040005012)的资助。

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