机械专业中文翻译晶体薄片封装工艺电平可靠性评估.docx

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机械专业中文翻译晶体薄片封装工艺电平可靠性评估

晶体薄片封装工艺电平可靠性评估

摘要

各种不同类型晶体薄片封装工艺（CSP）的电平可靠性已经开始在工程中广泛研究。

本文记录了六种不同的封装工艺，其中包括嵌入式柔性绝缘线薄片封装工艺、嵌入式硬性绝缘线晶体薄片封装工艺、晶圆电平组合装置薄片封装工艺和铅结构封装工艺。

封装工艺是在两片不同厚度的FR4电路板上被装配，进行温度测试，即在很短的15min时间内温度迅速从-40℃上升到+125℃。

该测试证明温度的急剧变化可以导致所有类型的封装失效。

失效标准是依据电阻值的改变来确定的，并且利用Weibull分配功能对每种封装工艺失效周期进行了分析。

被挑选出的封装在85℃/85%RH之下的温度/湿气室进行1000h的测试。

一些集成的封装会在振动情况被测试。

在这些测试中，各种封装的电阻变化被连续监控测试。

试验样本在扫描电子的显微镜（SEM）监控下进行跨区段分析，并定义了不同封装的失效机制。

需要注意的是一些封装是在内部失效，另外一些封装在焊接剂关节失效,这与包装设计和过程有关。

1介绍

近几年来，很多类型的封装工艺被不同的公司设计。

然而，对这些封装工艺电平可靠性的说明数据却十分有限，但是这种可靠性是评价封装工艺在产品中使用性的关键因素。

大多数公布的封装工艺的电平可靠性数据只给出了在一个特定湿热条件下的非失效率。

比如Fjelstad报道的有188个I/O接口的µBGA装在FR4板上,通过了1163从0℃上升到100℃的湿热循环测试。

对于46接口、40接口、152接口、172接口的封装有同样的报导。

RobertLanzone报告显示：

有220个I/O接口操作系统和1mm沥青的连接盘网格栅排列（LGA）晶体薄片封装工艺在温度迅速从-40℃上升到+125℃的前500次循环测试中并没有表现出失效。

Tessier以及其他报告显示：

Motorola，JACSPak在温度迅速从-40℃上升到+125℃的湿热循环实验中表现很好，没有失效迹象。

Kim以及其他报告显示：

底部铅塑封（BLP）晶体薄片封装工艺通过了温度从-30℃上升到85℃湿热测试中的1200次循环。

但是晶圆电平组合装置薄片封装工艺显示的效果非常差。

然而，依据这些数据很难比较不同封装在不同环境下的测试结果，并且大部分情况下信息都不能彻底的给出。

在本文中记录了六种不同的封装工艺，其中包括嵌入式柔性绝缘线薄片封装工艺、嵌入式硬性绝缘线晶片薄片封装工艺、晶片电平组合装置晶片薄片封装工艺和铅的结构封装工艺。

这些工艺被集成在相同类型的PCB板上并且对每种工艺在相同条件下进行测试。

不同的封装同TBGA（音频球网格栅排列）和TSOP（小体积薄壁封装）等因素一起进行比较。

2测试装置

所有的封装测试是循环进行的。

每种测试的装置主要结构如图1（a）～（f）所示。

图1：

（a）Tessera公司的Ubgatv46

（b）Hitachi公司的CSP152

（c）Matsushita公司的CSP117

（d）Kyocera公司的DBGA228

（e）Hitachi公司的Loc44

（f）ChipScale公司的Msmt78

封装符号中的个数显示了封装中的插销计数。

在这八个封装中,µBGATV46和CSP152是嵌入式柔性绝缘线薄片封装工艺；CSP117和DBGA228是嵌入式硬性绝缘线晶片薄片封装工艺；LOC44是铅的结构封装工艺；mSMT8是晶片电平组合装置类型。

在测试中设计了两种实验装置：

一种是单个封装可靠性的测试，另一种是安装在相同的板上各种类型的板的可靠性比较。

我们把它们分别规定为类型1与类型2。

对于类型1的测试来说，24个分量的最大值与作为参考的TSOP一起被装在所提供的FR4电路板上。

电路板的厚度是1.0mm。

表面应用了完全封装。

非焊接剂标记表明填充物可以应用与各个模型中。

对于不同的模型程度大小，焊接剂接点大小,填补物大小和模型开口大小都显示在表1中。

焊接接点对于BGAs（mBGATV46，CSP152,DBGA228和TBGA240）来说是焊接剂的球的直径,对于LGA封装（CSP117）来说是填充物直径的大小，对于LOC44，mSMT8和TSOP48来说是在PCB板上焊接区域的大小。

在第一种测试装置中CSP152、CSP117和DBGA228应用了牵动具填充物，µBGATV46利用了直径的和0.175mm的填充物。

在组合装置过程，对于类型1的测试装置用的模板是用0.127mm（5个千分之一寸）厚的不锈钢做成的。

开口为激光削减。

在封装的组合装置方面的详细讨论可以在注释10中找到。

类型2对于下列各种封装来说有三种因素，各种封装包括µBGATV46，CSP152，CSP117，mSMT8,TBGA249和TSOP48，它们都被集成在PCB板上。

有7种封装集成在板上进行湿热测试，还有两种进行振动测试。

IBM的TBGA240用240个1.27mm的插销计数器。

FR4电路板是1.6mm厚的。

BGA和LGA的封装类型应用圆形填充物。

模板开口与类型1中各集成的封装相同，如表1所示。

表1：

填充物尺寸和模板开口尺寸

3电平可靠性测试

封装工艺在两片不同厚度的FR4电路板上被装配，进行温度测试，即在很短的15分钟时间内温度迅速从-40度上升到+125度。

这种温度测试将作为电平可靠性的评估标准。

电阻环里的每一个因素都进行连续监控测试。

在每个温度循环记录中有两个读数器读数：

一个读最高温度，一个读最低温度。

在数次温度测试循环中发现电阻值有两组变化方式，一组是电阻值上升10%后仍然有显著增加直到电阻环破裂。

如图2（a）所示的µBGATV46。

图2：

电阻值变化的典型模型（分别在高温点和低温点测试）

（a）ubgatv46（初始电阻值为15.74）

（b）DBGA228（初始电阻值为4.24）

显然这种封装一旦达到这个变化值就无法正常工作。

因此这种封装的失效标准定义为当电阻值在最高温度测试时上升超过10%的一点。

这种标准适用与µBGATV46，CSP152，CSP117，LOC44和mSMT8。

第二组显示封装的电阻在一些阶段增加仅仅超过10%的起始值然后稳定不再变化，如图2（b）所示的DBGA228。

对于这种封装,当电阻环裂来是就认为是失效了。

这种标准适用于DBGA228,TBGA240,和TSOP48。

4测试结果

为了分析失效行为，定义Weibull积累的分配函数（CDF）为F（t）

式中F（t）是失效分数，t为失效周期，η对63%失效的寿命特性,β为Weibull的斜率或形状参数。

每种封装类型的失效数据用最小二乘法拟合为Weibull曲线。

在曲线中，积累分配函数依据主要的测试数据建立

式中i=1,2,3,4,…是失效序列数字，n是样本大小。

在类型1装置中，结果显示除了mSMT8其余所有的封装都在第一次测试时超过500个循环才失效。

Weibull对这些封装的分配曲线和参数显示在图3、图5和图7中。

图3：

嵌入式柔性薄板封装工艺电平可靠性Weibull分配曲线

在图3中Weibull对嵌入式柔性绝缘线薄片封装工艺的两种类型进行了湿热疲劳失效实验表明CSP152的表现比较好。

CSP152的第一次测试进行了大约1000个循环，而μBGATV46只进行了500个循环。

SEM对μBGATV46湿热循环测试的跨区域分析表明：

主要导致这种封装疲劳失效的原因是粘和失效。

失效主要发生在填充物的粘和部分，如图4所示。

图4：

在μBGA中，在粘合填充物出易发生断裂

另一方面，同时也没有明显的裂纹在焊接处产生，说明这些压力被转移到弹性体和填充物上，这些填充物是涂上一层铜的金做成。

为了提高性能，要求压力释放中心的提前或者提高铅材质的使用寿命。

实验表明电线损坏率降低会大大提高封装的可靠性。

在前面的测试表明改进型的封装也没有一种可以承受1800个循环的湿热实验。

所有这些封装的实验结果不久都会报导出来。

对于嵌入式硬性绝缘线晶片薄片封装工艺，Weibull分析了CSP117和DBGA228的分配曲线，这两条曲线几乎是平行的，如图5所示，

图5：

嵌入式硬性薄板封装工艺电平可靠性Weibull分配曲线

说明它们有很相似的疲劳失效特性。

两种封装在失效时都在焊接处有很明显的裂纹出现，如图6所示。

图6：

裂缝发生在焊接剂附垫的焊接点处

（a）CSP117在1000个循环后的连接点

（b）DBGA228在1000个循环后的连接点

这些裂缝主要发生在焊接处或焊接填充物的表面。

很明显，压力导致的陶瓷底质与PCB板的错误的温度匹配是导致封装失效的主要原因。

在凹陷的球网格栅排列（DBGA228）方法中高处的断裂说明与相同型号的连接盘网格栅封装相比前者在焊接处有更低的压力和更长的疲劳失效寿命。

在CSP117中焊接接点是集成时印刷电路板的焊接剂单独组成的。

因此DBGA228有了更久的使用疲劳寿命。

并且显示了，如果利用更多种填充物与更厚的电子板，CSP117的可靠性将会提高。

Weibull对于铅的结构封装工艺，LOC44，在图7中给出。

图7：

铅材质封装工艺电平可靠性Weibull分配曲线

这种封装是在超过500循环的时候开始失效。

需要注意的是Weibull分配公式与μBGATV46相似，虽然两者的失效机制是不同的。

对于LOC44来说，失效的位置主要发生在焊接接点处，如图8所示。

图8：

750次循环后LOC44的焊接点

这些断裂主要发生在焊接点的开口和结尾并且增长大致是平行于整个焊接点的填充物。

在mSMT8中，失效开始在九个循环时发生。

到第100个循环时70%的封装结构都已经失效。

失效实验说明，在镍/金镀层与矽镀层之间材质比较差的会导致失效，如图9所示。

图9：

mSMT8在的膜上的裂缝

因此，为了使这种封装工艺有足够的使用可靠性需要改进镀层工艺。

对于类型2，除了μBGATV46其余的封装失效性都与前述一致。

大量的μBGATV46封装集成在第二种测试装置中可承受的测试为300个循环，如图10所示。

图10：

在类型2装置上的振动测试Weibull分配曲线

这些失效的位置往往与包装过程中结合填充物的地方。

大量的分散的数据导致了错误的Weibull曲线。

因此，拟合的曲线只能作为集成失效趋势的例子。

对于集成在相同PCB板上的CSP152，CSP117，DBGA228，TSOP48和TBGA240的Weibull分配曲线以μBGATV46的曲线作为对比，如图10所示。

这些曲线显示出正常和很好的失效性能。

如果TSOP48组合装置被当作参考使用，可以从图10中看出CSP152和DBGA228可靠性更强。

CSP117与TBGA240十分接近并且都在TSOP48的左边。

CSP117和DBGA228封装都在一个很窄的温度变化范围内失效，说明这种失效是很容易被预见的。

正如前面所讨论的，在焊接处的裂缝是导致失效的主要原因。

对于TBGA240来说，裂缝的位置主要是在焊接接点与焊接填充物之间的焊接表面出现。

对于TSOP48，失效主要发生在焊接接点处，与LOC44相似。

5温度/湿度测试和振动测试

对集成在类型1装置上的μBGATV46和LOC44进行湿热测试表明85ºC/85%RH之下可以承受1000h。

并且发现这两种封装在测试中电阻值变化不足2%。

所有的封装工艺，除了mSMT8以外都进行了类型2装置的振动测试。

振动测试的条件为在自动化装置中间隔振动，并且沿着三个方向中的任意一个振动两小时时间。

等同与对一个机动车辆进行10年的振动测试。

所有的集成封装都通过了这项测试。

6结论

嵌入式柔性绝缘线薄片封装工艺