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

       當(dāng) FC 封裝用到了 TSV 轉(zhuǎn)接板時，就不得不考慮轉(zhuǎn)接板的熱機械可靠性問題。TSV 具有特殊的高深寬比結(jié)構(gòu)以及多層界面結(jié)構(gòu)，在 Cu 填充 TSV 中，各層材料之間的 CTE 差異會導(dǎo)致受熱過程中TSV 結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力的產(chǎn)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(jié)構(gòu)或器件發(fā)生變形和失效，從而導(dǎo)致整個電路的失效。在產(chǎn)生 Cu 脹出或 Cu 縮進的同時， 還會伴隨著裂紋和空洞的產(chǎn)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(yán)重影響器件的性能，甚至導(dǎo)致 TSV 的開路［14］。

(a)     TSV-Cu 脹出

(b)    TSV-Cu 縮進

圖 13 TSV 在熱載荷作用下的變形行為

Fig. 13 Deformation behavior of TSV under thermal loads

4. 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(guān)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(yīng)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(chǎn)生于 IMC 層，并且會沿著 IMC 層進行擴展，如圖 14 所示［15］。

圖 14 跌落測試中產(chǎn)生的裂紋

Fig. 14 Crack formed under drop test

4. 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(fēng)力作用下的遷移會導(dǎo)致互連結(jié)構(gòu)的一端 ( 電子流入端) 發(fā)生由于物質(zhì)消耗產(chǎn)生的空洞現(xiàn)象，另一端 ( 電子流出端) 發(fā)生由于物質(zhì)堆積產(chǎn)生的小丘現(xiàn)象，這就是物質(zhì)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(jié)構(gòu)處，即芯片－ 凸點－ 基板結(jié)構(gòu)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(guān)的可靠性問題產(chǎn)生顯著影響。在電遷移過程中，當(dāng) c 軸平行于電流方向時， 電遷移速率顯著加快，促進物質(zhì)從負極向正極遷 移。從動力學(xué)分析和實驗兩方面均可驗證當(dāng)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(zhuǎn)動情況，可以發(fā)現(xiàn)部分晶粒存在微小轉(zhuǎn)動，偏轉(zhuǎn)角在 0. 5°范圍內(nèi)［13］。

圖 15 FC 封裝中的電遷移現(xiàn)象

Fig. 15 Electromigration in FC assemly

5    結(jié)論

       微系統(tǒng)集成技術(shù)的飛速進步持續(xù)推動著 FC 技術(shù)的發(fā)展。發(fā)明至今，F(xiàn)C 技術(shù)在新材料、新工藝上的不斷創(chuàng)新擴展了技術(shù)的應(yīng)用范圍，也降低了技術(shù)的工藝成本。從C4 焊料凸點到 C2 凸點是對細節(jié)距工藝的探索，從傳統(tǒng)倒裝形式到扇入扇出型封裝是 芯片尺寸限制下對更高 I / O 端口數(shù)和更可靠封裝的追求，從陶瓷基板到有機層壓基板和 Si 基板是在降低成本的驅(qū)動下實現(xiàn)更復(fù)雜信號的傳輸。接下來， FC 技術(shù)的前沿發(fā)展仍然會沿著更細節(jié)距、更細線寬以及更多層布線的方向前進。在芯片凸點方面，純 Cu 凸點的制作及 Cu-Cu （晶圓鍵合機）直接鍵合將成為發(fā)展目標(biāo)， 同時大熱的扇出型封裝仍有工藝改進空間; 在基板方面，去 TSV 轉(zhuǎn)接板將會成為主流，如何解決去TSV 轉(zhuǎn)接板在應(yīng)用過程中的翹曲、屈服等可靠性問題迫在眉睫; 底填充方面，仍需對細節(jié)距和超細節(jié)距FC 芯片的底填充新工藝進行開發(fā); 可靠性方面， 在不斷追求更小尺寸和更細節(jié)距的趨勢下，傳統(tǒng)的失效機理已經(jīng)無法解釋小尺寸下結(jié)構(gòu)的失效行為， 更微觀尺度的結(jié)構(gòu)失效機理以及多物理場耦合作用下的失效形式需要更深入的研究。