在熱載荷過(guò)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(kuò)散速率的不同產(chǎn)生的Kirkendall 空洞也會(huì)對(duì)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(shí)，就不得不考慮轉(zhuǎn)接板的熱機(jī)械可靠性問(wèn)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(huì)導(dǎo)致受熱過(guò)程中TSV 結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而造成 Cu 相對(duì)于基體的脹出或縮進(jìn)。如圖13 所示，變形會(huì)使 TSV 周?chē)Y(jié)構(gòu)或器件發(fā)生變形和失效，從而導(dǎo)致整個(gè)電路的失效。在產(chǎn)生 Cu 脹出或 Cu 縮進(jìn)的同時(shí)， 還會(huì)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(fù)面作用越來(lái)越明顯， 會(huì)嚴(yán)重影響器件的性能，甚至導(dǎo)致 TSV 的開(kāi)路［14］。

(a)     TSV-Cu 脹出

(b)    TSV-Cu 縮進(jìn)

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(dòng)式電子器件的普 及，焊點(diǎn)的跌落沖擊可靠性被認(rèn)為是關(guān)鍵的可靠 性問(wèn)題。在跌落測(cè)試中，凸點(diǎn)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(diǎn)焊料會(huì)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(cè)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(huì)沿著 IMC 層進(jìn)行擴(kuò)展，如圖 14 所示［15］。

圖 14 跌落測(cè)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(huì)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(diǎn)－ 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(diǎn)材料，Sn 晶體的各向異性造成的可靠性問(wèn)題必須有所研究。錫晶體中 c 軸的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于 a 軸，對(duì)擴(kuò)散相關(guān)的可靠性問(wèn)題產(chǎn)生顯著影響。在電遷移過(guò)程中，當(dāng) c 軸平行于電流方向時(shí)， 電遷移速率顯著加快，促進(jìn)物質(zhì)從負(fù)極向正極遷 移。從動(dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)兩方面均可驗(yàn)證當(dāng)錫晶 體的c 軸和電子流動(dòng)方向一致的時(shí)候可以極大的促進(jìn) IMC 的遷移，縮短焊點(diǎn)的電遷移壽命。與電子流動(dòng)方向一致的 c 軸晶粒前方如果存在與電子流動(dòng)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(yuǎn)小于 c 軸晶粒，阻擋了 IMC 進(jìn)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(diǎn)在電遷移過(guò)程中的晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)情況，可以發(fā)現(xiàn)部分晶粒存在微小轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jìn)步持續(xù)推動(dòng)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(kuò)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(diǎn)到 C2 凸點(diǎn)是對(duì)細(xì)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(duì)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(jī)層壓基板和 Si 基板是在降低成本的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜信號(hào)的傳輸。接下來(lái)， FC 技術(shù)的前沿發(fā)展仍然會(huì)沿著更細(xì)節(jié)距、更細(xì)線寬以及更多層布線的方向前進(jìn)。在芯片凸點(diǎn)方面，純 Cu 凸點(diǎn)的制作及 Cu-Cu （晶圓鍵合機(jī)）直接鍵合將成為發(fā)展目標(biāo)， 同時(shí)大熱的扇出型封裝仍有工藝改進(jìn)空間; 在基板方面，去 TSV 轉(zhuǎn)接板將會(huì)成為主流，如何解決去TSV 轉(zhuǎn)接板在應(yīng)用過(guò)程中的翹曲、屈服等可靠性問(wèn)題迫在眉睫; 底填充方面，仍需對(duì)細(xì)節(jié)距和超細(xì)節(jié)距FC 芯片的底填充新工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā); 可靠性方面， 在不斷追求更小尺寸和更細(xì)節(jié)距的趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的失效機(jī)理已經(jīng)無(wú)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(jī)理以及多物理場(chǎng)耦合作用下的失效形式需要更深入的研究。