密间距CSP组装工艺研究

fordies1

摘要:

本文主要研究了细间距CSP （ChipScale Packages）器件的组装工艺以及可靠性，包括不同焊盘类型、undeRFill的应用以及焊球成份等几个因素。试验结果显示，设计的试验因子对可靠性均有一定程度的影响，其中所选择的underfill材料对锡铅共晶焊接情况下的可靠性有一定程度提高，但是对于混装情况下的可靠性却有一定降低，而且采用underfill后器件的失效模式也明显发生改变。

关键词:CSP、 underfill、板级可靠性、失效分析

0 引言

随着PCBA（Print Circuit Board Assembled）组装密度的日益提高，密间距CSP器件及其应用得到了持续发展，0.8、0.5甚至0.4 mm引脚间距的CSP器件在产品上的应用也越来越多，但是也由于焊球尺寸的持续减小带来了其组装以及可靠性方面的风险，在一些可靠性要求较高的产品上就尤其值得注意。

本文主要研究了几种业界最常用类型的0.4 mm引脚间距CSP器件的组装及可靠性，考虑到出线设计的局限性，分别设计采用SMD（Solder Mask Define）、NSMD（Non Solder Mask Define）焊盘，并对有铅和无铅器件均采用锡铅锡膏组装，并在此基础上分析对比了一种可返修的underfill材料的可靠性表现。

1 试验设计

1.1 试验板设计

试验板设计如图1所示，板上分别设计有0.4和0.5CSP，单板尺寸为440 mm x 360 mm x 2 mm ，采用FR4 材料和OSP表面处理。

Figure 1. 试验板设计，绿色框中为0.4CSP器件

试验板上设计了SMD和NSMD的两种焊盘尺寸，分别见图2所示，焊盘之间的走线互联主要采用dog-bone 通孔以及盘中孔的形式。

Figure2 0.4CSP焊盘设计

1.2 器件选择

选择的器件如表1所示，其尺寸封装形式以及焊球成份等有所不同，所有器件均为带有菊花链的假件，分别来自Amkor和高通公司。

Table1 0.4 mm CSP器件选择.

1.3 组装工艺

钢网采用4 mil厚的激光切割+电抛光工艺，开口为10mil方形，试验采用的为Indium 3号粉锡铅共晶锡膏，印刷试验过程中注意试验钢网的清洗以保证有效的一致性，由于试验板采用有铅锡膏组装无铅器件，回流参数按照混装要求，回流温度如图3所示；

Figure3. 回流曲线

1.4 UNDERFILL

本文采用Emerson &Cuming E1159的可返修underill材料，采用AsymtekCentury 720进行底部灌胶，采用软件计算[1]和人工目检的方法确定器件获得足够的underfill胶量。

2 试验结果分析

2.1 组装试验结果及分析

试验后所有器件均进行Xray和电性能测试以确保是否连锡和开路，在本文设计的试验方案中出现的缺陷主要我为连锡，实验组装的器件数目和缺陷情况如表2所示，通过数据分析发现，影响缺陷最显著的因子为焊盘的类型，其中SMD型焊盘更易产生连锡缺陷，分析认为，SMD之所以产生更多的缺陷可能是由于阻焊定义的焊盘导致在印锡时更多的锡膏体积，同时焊料可铺展空间的减小进一步增加了连锡的风险。

Table2 组装试验结果

2.2可靠性试验结果及分析

试验板采用IPC标准的0/100℃可靠性试验参数进行ATC试验，如图4所示，采用event detector进行通断的检测，对于电阻大于300欧姆的器件视为失效，本文所用的可靠性试验数据均为检测到开路的循环数，采用weibull曲线进行试验结果分析。

Figure 4 温循试验参数 IPC-9701

2.2.1 Underfill对锡铅共晶焊接情况下的可靠性影响

对于A6 器件的可靠性数据进行分析见图5所示，其中有两个器件可靠性结果显示异常高，使得整个曲线并不符合weibull分布，所以实际分析中去除了两个样本的结果，图中绿线红绿线分别为A6 器件添加和不添加Underfill材料的试验结果，从图中可明显看出，对于A6 器件的ATC特征寿命，underfill的添加几乎使其特征寿命增加了3.5倍。在其他类型的器件和0.5CSP中得到类似的试验结果。

Figure 5 有无Underfill对锡铅共晶焊点0/100 ℃ATC可靠性结果的影响

2.2.2 Underfill对混装焊接情况下的可靠性影响

对A2器件组装在10mil的NSMD焊盘上的试验结果进行分析见图6所示，在截至2300试验周期的情况下，添加 Undefill的16个器件中15个发生了失效，而未施加underfill材料的器件均未发生失效，试验结果明显显示试验中选择的underfill材料降低了混装焊点的可靠性。

Figure 6 有无Underfill对混装焊点0/100 ℃ATC可靠性结果的影响

对于另一个封装的器件A4 进行分析发现了类似的结果，试验结果见图7所示，对于WLCSP封装的器件，underfill降低了大约12%的特征寿命。.

Figure 7 有无Underfill对WLCSP混装焊点0/100 ℃ATC可靠性结果的影响

2.2.3焊盘类型的影响

对于器件A4和A7在添加underfill的情况下的两种类型焊盘的可靠性结果进行分析，结果见图8所示，组装在10milNSMD盘上的可靠性稍好于SMD情况，对于未施加underfill的器件来说，其结果也是类似的。

Figure 8 SMD及NSMD焊盘设计对焊点0/100 ℃ ATC可靠性结果的影响

2.2.4不同焊点成份的器件可靠性差异

显而易见，焊点成份会显著影响焊点可靠性，在为添加underfill的情况下，在0/100℃的可靠性测试条件下一般来说混装焊点的ATC寿命会稍好于有铅情况，本研究也得出类似结果，如图9所示。

Figure 9 焊球成份对0/100℃ATC可靠性结果的影响—无underfill，A3锡铅，A4为混装

但是对于添加underfill情况下的可靠性进行分析，我们却得出截然相反的结论，锡铅共晶焊接情况下的可靠性寿命远大于混装焊点，如图10所示，结合前面的分析，我们认为，主要是由于本研究中所选择的underfill材料可显著增强共晶焊点的可靠性却降低了混装焊点的可靠性。

Figure 10 焊球成份对0/100℃ATC可靠性结果的影响—underfill，A6锡铅，A7为混装

3 失效分析

3.1 无underfill的焊点失效分析

对失效焊点进行了切片分析，对比在同种试验参数情况下的SMD型焊盘和NSMD型焊盘的失效情况，发现SMD型焊盘失效位置主要在PCB侧而NSMD型焊盘的失效主要在器件侧，如图11所示。

Figure11 无underfill情况下的失效样品切片分析

对焊点在温循中的受应力情况进行1/8模型的仿真分析，对比A4器件在SMD和NSMD情况下的应力分布，如图12所示，从图中可以看出，基于本文工艺设计，对于SMD焊点，最大应力出现在焊盘侧，而对于NSMD的情况，最大应力出现在器件侧，最大应力集中点均沿器件的对角线方向，这就解释了为何器件呈现规律性的失效模式。

* e' _. D) ]: f$ `

Figure12 无underfill情况下的焊点应力仿真分析

分析对比相同应力情况下的有铅和无铅焊点断口，对比其裂纹扩展和疲劳辉纹条带，如图13所示，有铅焊点失效位置全部在焊点中，结合高倍显微分析发现，多为沿晶断裂并伴随晶粒的蠕变，疲劳辉纹也呈现出随焊点晶粒蠕变而变形。

Figure 13 共晶焊点温循后的断口扫描分析

而混装焊点的断口会有部分穿越IMC（向心侧），断裂多为沿晶断裂，断口表面晶粒的疲劳辉纹条带显示出比共晶焊点更为整齐规则，而辉纹之间间距也更细，晶粒蠕变明显不如有铅焊点严重，如图14所示。

Figure 14 混装焊点温循后的断口扫描分析

两者的失效断口分析表明，混装焊点更趋向于脆性断裂而共晶焊点多表现出任性断裂的特征，这本身也是两者材料性能不同的表现。

3.2 有underfill的焊点失效分析

试验结果显示，对于添加underfill的情况，器件的失效模式发生了显著改变，对于共晶焊点，针对余NSMD的焊盘设计，部分失效位置移到PCB侧，并伴随焊点得变形，如图15所示，对于混装情况下，焊点变形情况不如有铅明显，对于NSMD的焊盘设计，不但出现PCB侧的失效而且还有呈45度方向的失效，如图16所示。

对于焊点在温循过程中的应力进行简单分析，在没有underfill的情况下，焊点所受应力主要为水平方向的剪切力和垂直方向的应力，其中水平方向剪切力大于垂直方向，但随着高模量低CTE的underfill材料添加，焊点的应力情况发生改变，垂直方向的应力增加，但由于焊点本身在器件中所属位置的不同，应力大小和方向会各有所不同，造成失效模式的显著改变。

Figure 15 有underfill情况下共晶焊点温循后的切片分析

Figure 16 有underfill情况下混装焊点温循后的切片分析

Figure 17 有无underfill情况下焊点应力分析对比示意图

观察温循后器件焊点的Xray图片（图18），发现这种较多的焊点变形，且对于锡铅共晶焊点变形更为严重，分析发现焊点变形并无明显方向性及规律。

Figure 18 有underfill情况下共晶焊点温循后的Xray图片

针对共晶焊点的焊点温循后变形在业界也并非一个新课题，对于在underfill中存在空洞情况下的ATC试验后的焊点变形问题，业界[2]之前也有先例，在一些极端的情况下，锡铅共晶的FC器件ATC后出现了大量的连锡（图19）。underfill的添加显著改变了焊点的受力情况，高模量低CTE的underfill材料使得器件在热循环中受到更多的挤压应力，温度越高这种压应力越大，而温度的升高同时也使得材料变软，当焊点周围的这种力不对称的情况下，焊点就容易发生一些变形。

Figure 19 已报道的FC焊点温循后的变形情况 [2]

在本研究中，在对比了四种级别的空洞含量的underfill后的焊点后发现，underfill中的空洞数量明显的影响了焊球变形的多少，在underfill中很少空洞的情况下，焊球仍保持原来形状，在可靠性试验后，underfill中出现了较多的裂纹，但是随着空洞的增多，特别是相邻焊球附近的underfill空洞贯穿使得焊料在温循中受到应力作用向空洞中扩展，空洞数量越多，这种焊球变形就越明显，而且由于空洞分布本身的不对称性，使得焊球变形方面并无明显规律。

Figure 19 几种不同underfill空洞含量的焊点的变形情况

Underfill中出现空洞的原因是多方面的，材料本身兼容性，因为underfill工艺造成的流体流动以及固化等都是可能的原因。

4 结论

本文中主要对比了几种试验因子对0.4CSP组装和热循环可靠性的影响，主要结论如下：

(1)某些种类的可返修underfill材料可显著增加有铅焊点的温循可靠性；

(2)本文试验条件下的结果显示NSMD焊盘相对SMD焊盘有更低的缺陷率；

(3)本文的温循参数条件下，基于本文所选择的underfill材料，在没有underfill的情况下，混装焊点可靠性稍好于共晶，但在有underfill情况下，共晶焊点可靠性则明显好于混装；

(4)underfill材料和助焊膏以及绿油等之间的兼容性及本身的工艺控制非常重要，underfill后形成的空洞有可能导致器件在使用过程中的焊点变形甚至连锡，特别对于锡铅共晶焊点更为突出。

; j6 `! c; a) i) Y6 P: b6 B

reasonant-j

只见过那种短路连锡的