扇出型封裝結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)方法及驗(yàn)證

摘要:

基于可靠性試驗(yàn)所用的菊花鏈測(cè)試結(jié)構(gòu)，對(duì)所設(shè)計(jì)的扇出型封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整的菊花鏈芯片制造及后道組裝工藝制造，并對(duì)不同批次、不同工藝參數(shù)條件下的封裝樣品進(jìn)行電學(xué)測(cè)試表征、可靠性測(cè)試和失效樣品分析。通過(guò)菊花鏈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及超聲波掃描顯微鏡 (SAM) 等工具，對(duì)失效樣品進(jìn)行失效定位分析，并通過(guò)掃描電子顯微鏡 (SEM) 和能量色散 X 射線光譜儀(EDX) 等失效分析工具進(jìn)行失效分析。通過(guò)對(duì)不同批次的樣品進(jìn)行通斷電測(cè)試、可靠性預(yù)處理、可靠性試驗(yàn)和失效分析，總結(jié)不同工藝方法對(duì)封裝整體結(jié)構(gòu)翹曲、芯片偏移、金屬層分層等失效模式的影響。為晶圓扇出型封裝的整體封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝流程搭建、封裝材料選擇等工作提供了指導(dǎo)意見(jiàn)。

0 引言

扇出型封裝具有布線密度高、引腳間距小、封裝厚度薄和高頻傳輸損耗小等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已逐漸發(fā)展成為封裝主流技術(shù)，但是，扇出形封裝也面臨著很多技術(shù)問(wèn)題亟待解決。

扇出型封裝技術(shù)主要面臨著兩項(xiàng)關(guān)鍵工藝挑戰(zhàn): 翹曲和芯片偏移。在扇出型封裝中，如果塑封工藝、重布線層 (redistribution layer，ＲDL) 工藝以及焊球工藝等任何一項(xiàng)工藝出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片封裝發(fā)生物理或化學(xué)失效。

翹曲問(wèn)題主要是由于不同材料間的熱膨脹系數(shù)不匹配造成的。芯片的保護(hù)材料以環(huán)氧樹(shù)脂類材料為主，在溫度變化時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹和收縮，當(dāng)和其他材料熱膨脹系數(shù)失配時(shí)，接觸界面會(huì)發(fā)生分層或者斷裂等失效問(wèn)題。對(duì)于翹曲問(wèn)題，很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)做過(guò)相關(guān)研究。一種方法是從工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，重點(diǎn)是圍繞著環(huán)氧塑封料 (epoxy mold-ing compound，EMC) 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)研究的，通過(guò)在 EMC 內(nèi)部添加一些金屬支撐結(jié)構(gòu)來(lái)改善整體的應(yīng)力分布。如 Y. Lin 等人在 EMC 周圍通過(guò)印刷、電鍍和涂覆等工藝形成一層熱膨脹系數(shù)小于 EMC的材料，這種處理方式能夠通過(guò)具有較小的熱膨脹系數(shù)值的材料控制晶圓的翹曲程度，或者在 EMC之間通過(guò)金屬化工藝形成垂直的金屬結(jié)構(gòu)。金屬結(jié)構(gòu)能夠緩解 EMC 之間的應(yīng)力，減輕翹曲程度。另外，F(xiàn). Z. Hou 等人通過(guò)熱學(xué)和力學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行仿真，從材料匹配、工藝優(yōu)化及設(shè)備調(diào)試方面解決這一問(wèn)題。

芯片偏移是指在貼片、塑封等過(guò)程中，由于材料特性、設(shè)備精度、工藝參數(shù)等因素使芯片偏離原設(shè)計(jì)位置。在如何解決芯片偏移問(wèn)題，有很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)做過(guò)一些研究，Y. Lin 等人采用凹凸結(jié)構(gòu)的凸點(diǎn)制作，避免芯片偏移。而 C. Bishop 等人采用中間工藝表征的方法來(lái)預(yù)判斷芯片偏移。本文采用芯片貼片補(bǔ)償?shù)姆桨附鉀Q芯片偏移問(wèn)題，并通過(guò)一系列的可靠性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為高可靠性的扇出型封裝解決方案提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

1 扇出型封裝可靠性測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于扇出型封裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及菊花鏈的測(cè)試原理，針對(duì)扇出型封裝的可靠性測(cè)試設(shè)計(jì)了菊花鏈測(cè)試鏈路。設(shè)計(jì)該鏈路的目的是用來(lái)反映待測(cè)封裝產(chǎn)品的可靠性，如果鏈路發(fā)現(xiàn)失效，能夠依據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)失效位置進(jìn)行定位，再進(jìn)行后續(xù)的失效分析。測(cè)試鏈路的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。其中，金屬層之間采用聚酰亞胺 (polyimide，PI) 材料。

圖 1 中不同下標(biāo)的 P 點(diǎn)和 Q 點(diǎn)分別代表不同的焊球，直流電阻測(cè)試探針可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)焊球之間的阻值來(lái)判斷鏈路是否導(dǎo)通。根據(jù)對(duì)扇出型封裝結(jié)構(gòu)的分析，A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)是代表結(jié)構(gòu)中兩類可能失效的位置。其中，A 點(diǎn)指的是包括焊球與沉積凸點(diǎn)下金屬層 (under ball metal，UBM) 連接位置以及 UBM 與第一層 ＲDL 連接位置，B 點(diǎn)指的是芯片的引腳與引腳上的過(guò)孔連接的位置。

基于菊花鏈可靠性測(cè)試原理，設(shè)計(jì)的菊花鏈測(cè)試結(jié)構(gòu)的版圖如圖 2 所示，其中扇出型封裝尺寸為8 mm × 8 mm，芯片尺寸為 6 mm ×6 mm。

對(duì)應(yīng)的測(cè)試鏈路信息如圖 2 所示。版圖中有 4條測(cè)試鏈路，即 L 1 ，L 2 ，L 3 和 L 4 ，一條鏈路的兩個(gè)端子由起點(diǎn)焊球和終點(diǎn)焊球構(gòu)成。鏈路上任何一處互連結(jié)構(gòu)的橫截面積、電阻率以及互連線的長(zhǎng)度發(fā)生變化，都會(huì)引起電阻值的變化，但變化的幅度有所不同，因此通過(guò) 4 條鏈路的電阻值 Ｒ L 1 ，Ｒ L 2 ，Ｒ L 3 和 Ｒ L 4 的變化情況能夠反映封裝可靠性。

扇出封裝采用傳統(tǒng)嵌入式晶圓級(jí)球柵陣列(embedded wafer level BGA，EWLB) 封裝方案，采用單層金屬布線，封裝層疊結(jié)構(gòu)如圖 3，各層的厚度信息如表 1 所示。

2 第一批次芯片可靠性驗(yàn)證及失效分析

菊花鏈的失效值規(guī)定依照標(biāo)準(zhǔn)各有不同，暫無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。但是有兩點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)是明確的，一是隨著電路阻值增大，產(chǎn)品越接近失效。二是當(dāng)菊花鏈斷開(kāi)時(shí)，電阻值趨向無(wú)窮大，必然導(dǎo)致失效。

由于行業(yè)缺乏評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，本文采用功能公司內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行失效評(píng)判，將通斷測(cè)試的失效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為 15 Ω。試驗(yàn)準(zhǔn)備了兩個(gè)批次的菊花鏈芯片，其中，第一批次芯片為 850 顆，采用開(kāi)/短路的測(cè)試方法判斷可靠性。在對(duì)第一批次芯片失效問(wèn)題改善的基礎(chǔ)上，進(jìn)行第二批次芯片加工制造，取 240顆芯片，以鏈路的實(shí)際阻值大小是否超過(guò) 15 Ω 為標(biāo)準(zhǔn)判斷失效情況。

2. 1 第一批次芯片的電測(cè)試驗(yàn)

第一批次芯片的電測(cè)試驗(yàn)以通斷測(cè)試為標(biāo)準(zhǔn)。最終封裝實(shí)物及鏈路端口如圖 4 所示。本方案采用 JEDEC MSL3 的預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)。在預(yù)處理試驗(yàn)之前進(jìn)行第一次電性測(cè)量，預(yù)處理試驗(yàn)后重新進(jìn)行第二次測(cè)量，分析兩次測(cè)試之間的差異，用以評(píng)判封裝的可靠性。采用萬(wàn)用表的蜂鳴檔作為測(cè)試設(shè)備。表 2 統(tǒng)計(jì)了第一次電測(cè)的結(jié)果。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，由于封裝翹曲及芯片偏移的因素，L 1 ～ L 4 的 4 條鏈路完全導(dǎo)通的芯片數(shù)量較少，只占總數(shù)的 10%。但是 L 4 號(hào)鏈路導(dǎo)通的所有芯片的數(shù)量為 200 顆，因此決定以 4 條鏈路中的 L 4 鏈路的通斷，作為判斷芯片電測(cè)是否通過(guò)的依據(jù)。

選擇 150 顆已知 L 4 鏈路導(dǎo)通的芯片進(jìn)行 MSL3預(yù)處理試驗(yàn)后，進(jìn)行第 2 次電測(cè)。第 2 電測(cè)后 L 4鏈路導(dǎo)通的芯片為 90 顆，有 60 顆失效，接著進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)預(yù)處理測(cè)試后，將未失效的 90顆芯片分三類，每類 30 顆，分別進(jìn)行了溫度循環(huán)(TC) 試驗(yàn) 500 循環(huán)，高溫存儲(chǔ) ( HTS) 試驗(yàn)1 008 h和高壓加速壽命 (HAST) 試驗(yàn)144 h 試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如表 3 所示。

從表 3 可以看到，測(cè)試通過(guò)率高低與不同試驗(yàn)項(xiàng)目所施加的應(yīng)力大小有直接關(guān)系，試驗(yàn)應(yīng)力越大，失效芯片比例越大，測(cè)試通過(guò)率就越低。

2. 2 第一批次芯片的失效分析

基于菊花鏈定位失效位置的原理，對(duì)電測(cè)失效芯片的失效位置進(jìn)行定位以及相應(yīng)的失效分析。在本次試驗(yàn)中，主要是對(duì)失效的截面和表面進(jìn)行觀察，以及對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行能譜分析 (EDS)。

2. 2. 1 預(yù)處理試驗(yàn)后的失效分析

預(yù)處理試驗(yàn)后，確定芯片的失效位置如圖 5，失效位置的截面掃描電子顯微鏡 (SEM) 結(jié)果如圖 6。根據(jù)觀察到的截面 SEM 圖可知，由于芯片引腳和第一層互連線之間存在類似斷裂的情況，導(dǎo)致導(dǎo)體之間產(chǎn)生斷層，引起鏈路斷路。為了確定失效原因，對(duì)斷裂層進(jìn)行 EDS 能譜分析。圖 7 是采用能譜儀對(duì)斷裂部分的分析結(jié)果。能譜分析結(jié)果顯示，位置 10 和位置 11 的主要成分是碳元素，因此，確定在ＲDL 和芯片引腳之間產(chǎn)生了斷裂部分。根據(jù)所采用的扇出型封裝流程，初步判斷為 PI 層在進(jìn)行完開(kāi)口處理后，金屬表面任然留有殘余 PI材料。

在第一批次試驗(yàn)中，還出現(xiàn)了芯片偏移問(wèn)題，芯片偏移的截面圖和正面圖如圖 8 所示。由圖 8(a) 和 (b) 中可以看出，正常沒(méi)有芯片偏移的情況時(shí)，過(guò)孔的位置是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的晶圓版圖布置，芯片引腳的中心是和過(guò)孔的中心重合的。由于晶圓封裝各個(gè)材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，產(chǎn)生材料漲縮，發(fā)生翹曲，從而影響芯片位置。初步判斷為貼片精度與材料漲縮所影響，后期擬通過(guò)在貼片階段預(yù)補(bǔ)償?shù)姆绞?，最大化地減少芯片位移對(duì)ＲDL 的影響。

2. 2. 2 第一批次可靠性試驗(yàn)的失效分析

經(jīng)過(guò) TC，HTS 和 HAST 可靠性試驗(yàn)后，用SEM 對(duì)失效芯片進(jìn)行分析，其開(kāi)裂形貌照片如圖 9所示。

從圖 9 可以看出，介質(zhì)和導(dǎo)體之間的連接界面雖然存在分層，但是并沒(méi)有導(dǎo)致導(dǎo)體斷裂，這是由于溫度循環(huán)導(dǎo)致材料在承受高/低溫沖擊時(shí)產(chǎn)生膨脹和收縮，從而導(dǎo)致材料間界面開(kāi)裂。因此為了能夠抵抗引起界面分層的應(yīng)力，需要提高界面材料的韌度和粘接強(qiáng)度。

在對(duì)第一批次的失效分析中認(rèn)為導(dǎo)致鏈路斷開(kāi)的主要原因是芯片位移和導(dǎo)體斷層。在下一批次的封裝會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的工藝改善。

3 第二批次芯片可靠性驗(yàn)證及失效分析

3. 1 第二批次芯片的電測(cè)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)第一批次的可靠性測(cè)試和失效分析，針對(duì)失效問(wèn)題進(jìn)行了物理氣相沉積 (PVD)、濺射、芯片貼片等工藝改善，進(jìn)行了第二次封裝流片。為了更準(zhǔn)確地反映該結(jié)構(gòu)的可靠性問(wèn)題，第二次的電性測(cè)試檢測(cè)了 4 條鏈路的實(shí)際阻值大小，采用探針臺(tái)配合萬(wàn)用表的方式進(jìn)行測(cè)試。

在第二批次的芯片中選擇 242 顆芯片進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。首先進(jìn)行無(wú)損超聲波掃描，掃描結(jié)果如圖10 所示。

SAM 掃描結(jié)果顯示未發(fā)現(xiàn)芯片分層。在 MSL3預(yù)處理試驗(yàn)之前，首先對(duì) 4 條鏈路的初始阻值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 11 所示。

由圖 11 中的結(jié)果顯示，L 1 鏈路的平均阻值約為 5. 07 Ω，L 2 鏈路的平均阻值約為 5. 2 Ω，L 3 鏈路的平均阻值約為 4. 6 Ω，L 4 鏈路的平均阻值約為5. 4 Ω。

隨后對(duì)這 242 顆芯片進(jìn)行預(yù)處理測(cè)試，測(cè)試后芯片的 4 條鏈路的電阻值如圖 12 所示。

根據(jù)15 Ω 的阻值失效標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)有33 顆阻值異常的芯片，其中有 6 顆芯片的阻值超過(guò)了15 Ω，判斷為失效。將這些阻值異常的芯片標(biāo)記后進(jìn)行相應(yīng)的失效分析。經(jīng)過(guò) MSL3 預(yù)處理后的芯片 4 條鏈路阻值的平均值分別為 8. 06，9. 3，8. 24和 7. 3 Ω。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理測(cè)試后，分 3 組進(jìn)行可靠性試驗(yàn):第一組選擇 77 顆阻值正常的芯片進(jìn)行 96 h，144 h的加速老化試驗(yàn); 第二組選擇 46 顆阻值正常的芯片進(jìn)行1 008 h 的高溫存儲(chǔ)試驗(yàn); 第三組選擇77 顆芯片進(jìn)行 500 個(gè)循環(huán)的溫度循環(huán)試驗(yàn)。4 條鏈路在每次試驗(yàn)前后平均阻值的對(duì)比結(jié)果如圖 13 ～ 15所示。

根據(jù)鏈路平均阻值的數(shù)據(jù)分析可知，每條鏈路經(jīng)過(guò)預(yù)處理試驗(yàn)后，鏈路阻值都會(huì)有一定程度的上升。對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的分析如表 4 所示。

3. 2 第二批次芯片的失效分析

針對(duì)第二批次芯片封裝的失效分析，主要關(guān)注阻值變化的原因和封裝結(jié)構(gòu)是否有缺陷。為了對(duì)比試驗(yàn)前后的阻值變化，首先在經(jīng)過(guò)預(yù)處理試驗(yàn)之前，使用 SEM 設(shè)備對(duì)阻值正常的芯片的 L 2 鏈路的兩個(gè)端子的焊球進(jìn)行截面分析，SEM 照片如圖16 所示。

通過(guò)對(duì)焊球的截面分析發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題: 在第一批次中存在的芯片偏移問(wèn)題已經(jīng)解決，這是通過(guò)在貼片階段對(duì)芯片偏移進(jìn)行反向補(bǔ)償?shù)姆椒?，?duì)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果有明顯改善; 焊球和 UBM結(jié)合的金屬間化合物存在空洞，而且焊球并未完全塌落，由于空洞的位置在金屬間化合物 (IMC) 的晶界處，并且從焊球的形態(tài)上觀察，考慮是由于助焊劑覆蓋不均勻，導(dǎo)致回流過(guò)程中潤(rùn)濕性不充分，從而導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生。

3. 2. 1 第二批預(yù)處理試驗(yàn)后的失效風(fēng)險(xiǎn)

經(jīng)過(guò)預(yù)處理的試驗(yàn)后，從阻值測(cè)試結(jié)果可以看出，所有鏈路的平均阻值都變大。繼續(xù)對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理試驗(yàn)的芯片進(jìn)行截面分析，結(jié)果如圖 17 所示。

由圖 17 可以看出，經(jīng)過(guò)預(yù)處理試驗(yàn)后空洞出現(xiàn)得更多，并且焊球和焊盤接觸的部分產(chǎn)生斷裂。根據(jù)空洞產(chǎn)生的原理可知，在經(jīng)歷預(yù)處理 (預(yù)處理含 3 次回流) 試驗(yàn)的高溫及回流焊測(cè)試后，焊料內(nèi)晶粒長(zhǎng)大和粗化。焊料的塑性變形導(dǎo)致在焊料與焊盤之間的晶界處產(chǎn)生微小空洞。之后，隨著熱循環(huán)的進(jìn)行，空洞擴(kuò)大并且增多，形成空洞的聚集，直至產(chǎn)生微裂紋，并且隨著微裂紋的增多產(chǎn)生宏觀裂紋，從而導(dǎo)致界面的空洞變大，對(duì)阻值的影響更大。

3. 2. 2 第二批次可靠性試驗(yàn)的失效分析

經(jīng)過(guò) HAST 試驗(yàn) 144 h 后，4 條鏈路的平均阻值上升了 5 Ω 左右。經(jīng)過(guò) TC 試驗(yàn) 500 個(gè)循環(huán)后，鏈路的平均阻值上升了約 5 Ω。經(jīng)過(guò) HTS 試驗(yàn)1 008 h后，阻值也上升了 5 Ω 左右。為了分析導(dǎo)致阻值上升的原因，對(duì) TC 和 HTS 試驗(yàn)后的焊球結(jié)構(gòu)和分層情況進(jìn)行觀察，觀察到的結(jié)果如圖 18所示。

由圖 18 可以看出，在經(jīng)過(guò)溫度試驗(yàn)后，觀察發(fā)現(xiàn)在焊盤和焊球之間 IMC 明顯變厚，因此導(dǎo)致阻值變大。經(jīng)過(guò)超聲波掃描后，發(fā)現(xiàn)有幾顆芯片產(chǎn)生了分層，觀察結(jié)果的超聲波掃描顯微鏡 (SAM)如圖 19。

從超聲波掃描結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)溫度試驗(yàn)后，從芯片正面看進(jìn)去，第二層出現(xiàn)分層，分層位置在 PI 和 EMC 上。雖然經(jīng)過(guò) 500 個(gè)循環(huán)后，在 PI和 EMC 之間分層并沒(méi)有影響到鏈路的通斷，但后續(xù)如果繼續(xù)溫度循環(huán)試驗(yàn)，則有可能會(huì)造成更加嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，引起ＲDL 的斷裂。

對(duì)比兩批次可靠性電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，以鏈路阻值超過(guò) 15 Ω 作為判斷芯片失效的條件，對(duì)兩個(gè)批次的可靠性驗(yàn)證結(jié)果分析如下: 經(jīng)過(guò)對(duì)芯片偏移和導(dǎo)體斷層的工藝問(wèn)題改善后，預(yù)處理試驗(yàn)的電測(cè)通過(guò)率明顯提高，從 60%提高到了 97. 5%; TC 試驗(yàn)500 個(gè)循環(huán)后，通過(guò)率從 86. 7% 提高到了 93. 5%，有一些改善。HTS 試驗(yàn) 1 008 h 以后，通過(guò)率從90. 0%提高到了 91. 3%，改善不明顯，HAST 試驗(yàn)的通過(guò)率 93. 3%提高到了 93. 5%，幾乎沒(méi)有改善，這是由于焊球空洞和 IMC 結(jié)合不穩(wěn)定等問(wèn)題，在第二批次工藝仍然存在引起的。

4 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了用于封裝可靠性測(cè)試的菊花鏈結(jié)構(gòu)，研究了基于扇出型封裝結(jié)構(gòu)的芯片失效位置定位方法，針對(duì)芯片偏移、ＲDL 分層兩個(gè)主要失效問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的工藝改善。經(jīng)過(guò)可靠性試驗(yàn)對(duì)封裝的工藝進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)菊花鏈的通斷測(cè)試和阻值變化，對(duì)失效位置定位進(jìn)行了相應(yīng)的失效分析。在第二次封裝流片中通過(guò)部分工藝上的改善，提高了封裝的可靠性。在預(yù)處理試驗(yàn)后，芯片的通過(guò)率由 60% 提高到了 97. 5%，可靠性有了明顯改善。

審核編輯：劉清