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 FC封裝通過芯片凸點將芯片和基板鍵合在一起。一方面，F(xiàn)C封裝體具有種類繁多的材料，芯片、凸點和基板中不同材料之間的性能差異尤其是CTE的差異會導致諸多的可靠性問題，造成FC封裝體在各類載荷作用下的分層與破裂。

      另一方面，F(xiàn)C封裝體中還存在幾個結合面，如芯片與凸點的結合面及凸點和基板的結合面等，這些結合面也是封裝體使用過程中的薄弱環(huán)節(jié)，尤其在細節(jié)距以及極細節(jié)距的條件下，結合面的面積更小，更容易發(fā)生可靠性問題。十分有必要對FC封裝的可靠性問題進行深入研究，并根據(jù)研究結果進行優(yōu)化設計。

1、封裝過程對FC可靠性的影響

      于晶圓上制作焊錫凸點最成熟的方法是電鍍工藝，較好的參數(shù)選擇可以制造出大小均勻的焊錫凸點。在微凸點鍵合過程中，兩個微凸點之間的雜質會影響微凸點的鍵合可靠性，加速失效。

      此外，鍵合過程中溫度壓力等工藝參數(shù)的錯誤選擇也會使微凸點鍵合不良，導致焊點更快失效。在回流焊過程中，由于助焊劑的揮發(fā)會導致在各界面處的產生焊接空洞，而細節(jié)距和極細節(jié)距凸點的可靠性更容易被焊接空洞影響。

2、熱載荷作用下FC封裝的可靠性

      FC封裝體在經歷溫度變化如熱疲勞和熱沖擊的過程中，會由于結構中材料CTE的不匹配而在結構中產生熱應力。影響封裝體熱機械性能的CTE不匹配主要發(fā)生在芯片與焊料凸點之間、基板與焊料凸點之間以及Sn基焊料凸點的c軸和a軸之間。

      諸多文獻都表明在熱疲勞作用下，封裝體中芯片與凸點的界面、基板與凸點的界面最容易產生疲勞裂紋并最終斷裂，在此不做過多贅述。Sn晶體中c軸和a軸CTE不匹配也對焊點熱疲勞性能有重要影響，這是一個重要的現(xiàn)象，由材料的顯微形貌直接影響結構的可靠性，需要深入的探討。

      通過計算不同取向的兩個晶粒在熱疲勞過程中對晶界產生的應力，可以解釋焊點表面產生晶界滑移的驅動力是不同取向晶粒之間的CTE不匹配。

      在PBGA芯片倒裝焊點的熱疲勞失效和晶體取向的關系研究中，發(fā)現(xiàn)c軸平行于基板時更容易在芯片側界面處形成裂紋，這可能是由于從單個焊點取向考慮。當c軸平行于基板時，基板平面上各方向的CTE差異較大，在１.５×１０－５ ／ Ｋ～３×１０－５ ／ Ｋ范圍內波動；而當c軸垂直于基板時，基板平面上CTE表現(xiàn)為各向同性，約為１.５×１０－５ /K。因此，c軸平行于基板時，存在較為嚴重的CTE不匹配。

      在熱載荷過程中除了CTE不匹配造成的熱應力，在互連結構中由于不同金屬擴散速率的不同產生的Kirkendall空洞也會對封裝體的可靠性產生影響。

      當FC封裝用到了TSV轉接板時，就不得不考慮轉接板的熱機械可靠性問題。TSV具有特殊的高深寬比結構以及多層界面結構，在Cu填充TSV中，各層材料之間的CTE差異會導致受熱過程中TSV結構中的熱應力的產生，進而造成Cu相對于基體的脹出或縮進。

      如圖13所示，變形會使TSV周圍結構或器件發(fā)生變形和失效，從而導致整個電路的失效。在產生Cu脹出或Cu縮進的同時，還會伴隨著裂紋和空洞的產生。隨著TSV直徑的不斷減小，空洞與裂紋的負面作用越來越明顯，會嚴重影響器件的性能，甚至導致TSV的開路。

3、力的作用下FC封裝的可靠性

      FC封裝在力的作用下的失效主要表現(xiàn)為在跌落沖擊作用下的失效。隨著移動式電子器件的普及，焊點的跌落沖擊可靠性被認為是關鍵的可靠性問題。在跌落測試中，凸點和芯片以及基板的連接位置同樣是薄弱環(huán)節(jié)。

      而且由于凸點焊料會與芯片及基板的金屬層發(fā)生反應生成硬脆的IMC層，所以在跌落測試中還可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的裂紋產生于IMC層，并且會沿著IMC層進行擴展，如圖14所示。

4、電遷移作用下FC封裝的可靠性

      理論上，金屬原子在電子風力作用下的遷移會導致互連結構的一端（電子流入端）發(fā)生由于物質消耗產生的空洞現(xiàn)象，另一端（電子流出端）發(fā)生由于物質堆積產生的小丘現(xiàn)象，這就是物質的電遷移現(xiàn)象。FC封裝體的電遷移失效主要發(fā)生在互連結構處，即芯片-凸點-基板結構之間，如圖15所示。

      除此之外，由于封裝中多采用Sn基焊料作為凸點材料，Sn晶體的各向異性造成的可靠性問題必須有所研究。錫晶體中c軸的擴散系數(shù)遠大于a軸，對擴散相關的可靠性問題產生顯著影響。

      在電遷移過程中，當c軸平行于電流方向時，電遷移速率顯著加快，促進物質從負極向正極遷移。從動力學分析和實驗兩方面均可驗證當錫晶體的c軸和電子流動方向一致的時候可以極大的促進IMC的遷移，縮短焊點的電遷移壽命。

      與電子流動方向一致的c軸晶粒前方如果存在與電子流動方向一致的a軸晶粒，則IMC在二者界面處累積，該現(xiàn)象是由于沿a軸晶粒的遷移速率遠小于c軸晶粒，阻擋了IMC進一步向前方推移。采用同步輻射Laue衍射方法原位分析了焊點在電遷移過程中的晶粒轉動情況，可以發(fā)現(xiàn)部分晶粒存在微小轉動，偏轉角在0.5°范圍內。