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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-04-22 01:54
從互連技術(shù)角度，SiP可分為兩大類：①通過傳統(tǒng)的芯片組裝技術(shù)實現(xiàn)多芯片或器件的封裝，如引線鍵合、載帶自動焊(TAB) 、倒裝焊等；②通過直接互連實現(xiàn)芯片堆疊，如通過硅通孔(TSV) 技術(shù)實現(xiàn)將一個芯片直接連接到另一個芯片上。
圖1為國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS) 總結(jié)的當(dāng)前 SiP的主要封裝結(jié)構(gòu)。可以看出，系統(tǒng)級封裝已經(jīng)不再是一種單一的封裝技術(shù)，這種技術(shù)包括引線鍵合、倒裝焊、TAB、封裝堆疊(PoP) 、封裝嵌入(PiP) 、芯片堆疊(CoC) 、圓片級封裝(WLP) 、硅通孔(TSV) 、埋入式基板等封裝工藝的混合開發(fā)和集成。SiP綜合了多種封裝工藝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用材料多樣，這導(dǎo)致了其面臨著更加復(fù)雜的可靠性問題。
經(jīng)過多年努力，人們已對SiP的可靠性開展了大量的研究工作，并已取得了一定的成果。筆者將介紹SiP產(chǎn)品在熱應(yīng)力、機械應(yīng)力和電磁干擾下的可靠性研究現(xiàn)狀和主要失效機理，并針對航天領(lǐng)域使用的SiP產(chǎn)品，分析可靠性方面依然存在的問題，并提出相關(guān)建議。
1、SiP 的可靠性研究現(xiàn)狀
相比單片集成電路，SiP內(nèi)部復(fù)雜的封裝結(jié)構(gòu)以及多種芯片、元件的組合構(gòu)造導(dǎo)致其對熱應(yīng)力、機械應(yīng)力以及電磁干擾更加敏感，易出現(xiàn)失效。
1.1熱應(yīng)力
當(dāng)芯片、元件高度集成時，產(chǎn)品在組裝焊接時會造成溫度分布不均勻；在工作時，隨著內(nèi)部芯片、組件產(chǎn)熱的增加，溫度會不斷增加，尤其是功率型器件的存在。溫度的不均勻分布以及異常高溫的出現(xiàn)，都會對SiP內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)造成損傷，不同材料之間因熱膨脹系數(shù)不一致將產(chǎn)生熱失配，界面會出現(xiàn)分層、裂紋等失效現(xiàn)象。
SiP在設(shè)計過程中主要通過熱仿真的方法分析其熱應(yīng)力的分布情況，可能存在的熱點等，據(jù)此通過更改SiP設(shè)計改善其熱設(shè)計。中電29所的季興橋利用有限元分析方法對SiP中芯片堆疊和倒裝焊接兩種高密度芯片組裝做了熱仿真分析，發(fā)現(xiàn)在同等環(huán)境下倒裝焊芯片的溫度要高于芯片堆疊封裝。
臺灣成功大學(xué)的Deng等利用計算流體動力學(xué)軟件建立了回流焊爐子的熱分布模型，通過數(shù)值模擬的方法建立SiP的共軛傳熱模型，進(jìn)一步研究了SiP在回流焊過程中的熱行為，并通過實驗驗證了模擬的有效性。
張旻澍等研究了在經(jīng)歷回流焊工藝后堆疊焊球的形狀，發(fā)現(xiàn)在回流焊過程由于上層器件的翹曲，堆疊焊球會呈現(xiàn)出不一致的焊接成型，如圖2所示，并通過模擬發(fā)現(xiàn)雪人式焊球的應(yīng)力集中現(xiàn)象比水桶狀焊球更加嚴(yán)重，同時認(rèn)為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)無法對堆疊焊球的可靠性進(jìn)行合適的測試評估。
針對內(nèi)部缺陷對熱應(yīng)力的影響，日本Toyama Prefectural 大學(xué)的 Takahiro Kinoshita 等開展了相應(yīng)的研究。他們通過有限元方法分析了硅通孔(TSV) 結(jié)構(gòu)中存在空洞時熱應(yīng)力大小及分布情況，發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力主要集中在空洞周圍，如圖3所示。
在高溫狀態(tài)，如果有高濕度條件的引入，塑封的SiP產(chǎn)品更容易出現(xiàn)腐蝕、爆米花、熱濕應(yīng)力失效。華南理工大學(xué)廖小雨研究了SiP在濕熱環(huán)境下應(yīng)力的分布，發(fā)現(xiàn)濕應(yīng)力主要集中在芯片與其他材料相接觸的界面處，其原因是芯片不吸濕，塑封料的濕膨脹較大以及粘結(jié)層處于基板和芯片、芯片與芯片之間。相同的濕熱環(huán)境下，雙芯片SiP封裝可靠性受頂層芯片的影響更顯著。
該課題組還通過有限元軟件 Abaqus 對雙芯片 SiP封裝整體在溫度循環(huán)條件下進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，發(fā)現(xiàn)底層芯片、粘結(jié)層與塑封體相互接觸的4個邊角承受最大的應(yīng)力應(yīng)變。在熱載荷作用下，芯片越薄，SiP封裝體所承受的熱應(yīng)力越大; 黏結(jié)層越薄，SiP封裝體所承受的熱應(yīng)力越小。當(dāng)芯片厚度小于200μm時，熱應(yīng)力會明顯增加，同時，SiP封裝體的熱應(yīng)力受塑封體材料屬性影響明顯。
1. 2 機械應(yīng)力
隨著SiP在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，芯片或器件的堆疊帶來的機械方面的可靠性挑戰(zhàn)也逐漸成為人們非常關(guān)心的一個問題。SiP在機械應(yīng)力方面的可靠性主要涉及堆疊封裝的厚度和尺寸、熱失配、焊點可靠性和包封體的硬度等。
當(dāng)SiP產(chǎn)品中堆疊的薄芯片通過引線鍵合實現(xiàn)互連時，由于鍵合過程會對芯片引入很大的應(yīng)力，內(nèi)部互連時需要對鍵合絲的跨度尺寸特別關(guān)注。當(dāng)堆疊芯片厚度在75μm左右，很少進(jìn)行引線鍵合，以避免芯片碎裂; 當(dāng)堆疊芯片厚度增加到150μm或更大時，鍵合絲的跨度可達(dá) 2mm。目前，通過TSV、微凸點技術(shù)等先進(jìn)堆疊工藝的應(yīng)用，國內(nèi)堆疊封裝實現(xiàn)的堆疊芯片數(shù)量已經(jīng)達(dá)到128層。
由于硅基芯片存在壓阻效應(yīng)，SiP封裝引入的機械應(yīng)力會影響產(chǎn)品的性能。由于硅晶圓、襯底、模塑化合物和粘接材料之間存在熱失配，SiP在使用過程存在熱－機械應(yīng)力。因此選擇合適的封裝材料以及采用合理的工藝流程，有利于減少熱－機械應(yīng)力。仿真技術(shù)的引入，可對新設(shè)計的SiP產(chǎn)品的熱失配應(yīng)力進(jìn)行模擬，有利于減少產(chǎn)品的熱－機械應(yīng)力。
SiP產(chǎn)品有復(fù)雜的互連系統(tǒng)，焊點的可靠性關(guān)系到異質(zhì)材料間電氣與機械連接的可靠性，在很大程度上決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。SiP在循環(huán)彎曲、跌落等機械應(yīng)力作用下，主要的失效點集中在焊點位置，特別是當(dāng)包封體的硬度較大時。高硬度的包封體會將更多的力傳遞到焊球上，加速互連失效。
除此之外，傳遞到內(nèi)部的力會引起基板變形、翹曲，導(dǎo)致芯片的破碎、基板粘接分層、封裝和基板間的焊接脫落等失效現(xiàn)象。
新加坡的Lee等在有限元仿真分析的基礎(chǔ)上，考慮蠕變、彈性、塑性應(yīng)變等多種失效機理，應(yīng)用Cofin-Manson 疲勞壽命定律，成功預(yù)測各種封裝焊點的疲勞強度; Kimiko Mishiro 等預(yù)測了 BGA /CSP 跌落試驗的可靠性，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，對焊球跌落過程中受到的形變做詳細(xì)的分析。
西安電子科技大學(xué)的韓培宇通過對SiP進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)振動分析及可靠性計算實現(xiàn)了SiP系統(tǒng)上的芯片位置和尺寸的優(yōu)化。
1. 3電磁干擾
SiP作為高度集成的封裝技術(shù)，存在高速、高密度、高功耗、低電壓和大電流的發(fā)展趨勢，產(chǎn)品的抗電磁干擾能力對新產(chǎn)品的成敗起到關(guān)鍵性的作用，其中電源分布網(wǎng)絡(luò)(PDN) 設(shè)計和電源完整性(PI) 研究的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。
理想的電源供給系統(tǒng)提供的電壓是一個恒定值，但是，實際的供電系統(tǒng)并不是穩(wěn)定的。這是因為供電網(wǎng)絡(luò)是一個分布式網(wǎng)絡(luò)，存在大量的寄生電阻、寄生電感、寄生電容以及導(dǎo)納等。
圖4顯示了一個串聯(lián)反相器示意圖。其中，晶體管的柵極為輸入端，漏極為輸出端。而晶體管的柵極可以等效成一個MOS電容( 金屬－氧化物－半導(dǎo)體襯底) 。
在電路開關(guān)時，電容包括兩個過程：達(dá)到“1”電平的充電過程和達(dá)到“0”電平的放電過程。電路運行速度的快慢是由開關(guān)時電容充放電的速度決定的，而電源和地引線上的寄生電阻和寄生電感會降低電容的充放電速度。
因此設(shè)計低阻抗的供電系統(tǒng)能有效保障為芯片提供穩(wěn)定的電壓和電流。而數(shù)字電路的開關(guān)電路或模擬電路工作中的瞬態(tài)電流經(jīng)由PDN產(chǎn)生瞬態(tài)開關(guān)噪聲(SSN) 引起的電壓波動會嚴(yán)重影響晶體管的工作狀態(tài)：
① 當(dāng)芯片電源引腳間的電壓過小時，會阻止晶體管的翻轉(zhuǎn)；
② 當(dāng)芯片電源引腳間的電壓過大時，也會產(chǎn)生芯片工作可靠性問題；
③ 電壓波動耦合到靜止的晶體管電路，可能會引起信號的誤觸發(fā)；
④ 電壓波動會引起的驅(qū)動器輸出波形延時，嚴(yán)重時也會產(chǎn)生信號的時序問題，表現(xiàn)為數(shù)字電路中的抖動。
隨著芯片堆疊數(shù)量的增加，I /O互連密度的增加，SiP產(chǎn)品在設(shè)計過程中需要著重研究電源完整性、信號完整性和電磁干擾(EMI) 。
其中，電源完整性涉及電源分布網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中功率噪聲的降低、電壓波動的抑制等；信號完整性(SI) 主要是經(jīng)由 PND傳導(dǎo)引起的系統(tǒng)噪聲問題；電磁干擾主要來源于電源/地平面間諧振引起的邊緣輻射和三維混合芯片堆疊芯片間電感性耦合。
圖5為一種典型的三維系統(tǒng)級封裝示意圖，清楚地描繪了系統(tǒng)級封裝中存在的電源完整性、信號完整性和電磁干擾問題。通過SiP中疊層順序的變化、縮短敏感芯片的鍵合絲長度、減少鍵合絲等技術(shù)改進(jìn)不僅能改善信號完整性，而且能削弱電磁干擾。
針對電磁干擾對SiP可靠性的影響，目前大多數(shù)是從產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝改進(jìn)等技術(shù)手段提升其電磁兼容能力，外部電磁環(huán)境干擾對SiP可靠性影響的文獻(xiàn)研究相對較少。
2、SiP 的失效機理
失效機理是指引起電子產(chǎn)品失效的物理、化學(xué)過程。導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的機理主要包括疲勞、腐蝕、電遷移、老化和過應(yīng)力等物理化學(xué)作用。失效機理對應(yīng)的失效模式通常是不一致的，不同的產(chǎn)品在相同的失效機理作用下會表現(xiàn)為不一樣的失效模式。
SiP 產(chǎn)品引入了各類新材料和新工藝，特別是越來越復(fù)雜與多樣化的界面和互連方式，這也必然引入新的失效機理與失效模式。SiP的基本組成包括芯片、組件和互連結(jié)構(gòu)。不同功能的芯片通過粘接等方式安裝在基板上，電學(xué)連接是通過鍵合絲鍵合、倒裝焊、粘接、硅通孔等方式實現(xiàn)的。
根據(jù)SiP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，圖6展示了其主要的失效機理。
隨著電子產(chǎn)品向高密度集成、功能多樣化、小尺寸等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的失效分析方法已不能完全適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的需要。為了滿足SiP產(chǎn)品的失效分析，實現(xiàn)內(nèi)部互連結(jié)構(gòu)和芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)中失效點的定位，分析技術(shù)必須向高空間分辨率、高電熱測試靈敏度以及高頻率的方向發(fā)展。
目前，半導(dǎo)體器件失效分析的試驗項目及相關(guān)設(shè)備主要有以下幾種。
① 外部目檢: 光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和電子探針。
② 電特性測試: 器件功能測試機臺和半導(dǎo)體參數(shù)分析儀。
③ 無損分析: X-ray、掃描聲學(xué)顯微鏡(C-SAM) 、密封性檢查以及粒子碰撞噪聲測試儀(PIND) 。
④ 內(nèi)部目檢及失效定位: 酸腐蝕開蓋機、機械探針測試臺等。
為了更好地滿足SiP產(chǎn)品的失效定位，3DX-ray、同步熱發(fā)射(LIT) 和磁顯微術(shù)等非破壞性缺陷檢測及定位技術(shù)以及液晶熱點檢測、紅外成像、微光顯微術(shù)(EMMI) 、激光束電阻異常偵測技術(shù)(OBIＲCH) 、聚焦離子束等破壞性缺陷檢測及定位技術(shù)不斷被開發(fā)應(yīng)用。
來源：旺材芯片
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