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 FORSnAgCu 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 TB114.3A 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 .cnThe 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 Strength2006,28(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 )assemblymm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 joint0.340.180.75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 'sratio 热胀系数Coefficient of thermalexpansion (CTE )×106 K硅片Slicon 1.31×1050.32.7玻璃环氧基板FR41.6×1040.2816底充胶Underfill (Hysol CNB 840-38)1.1×1040.321焊料SnAgCu278K 41000323K 380000.3820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 K278323应变Strain 1.40×10-34.00×10-31.001.40×10-34.00×10-31.00应力Stress MPa57.480250053.2721900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。