基于有限元模擬的微銅柱互連點熱失效分析

賈東生 李海柱 馬玉琳 秦進功 田野

摘 要：采用有限元模擬法，研究了微銅柱互連點在熱沖擊載荷條件下的應變和應力，并分析了微互連點的裂紋生長情況。結果表明，封裝結構最外側的微互連點為最易失效互連點（關鍵互連點）。累積塑性應變能密度主要集中在芯片側銅焊盤附近，且由外向內逐漸遞減，這表明裂紋形成在芯片側，并沿著焊盤由外向內擴展，最終貫穿整個互連點。試驗結果與模擬分析一致，進一步驗證了模擬結果對裂紋生長的分析的合理性。

關鍵詞：微銅柱互連點;熱循環;有限元分析

中圖分類號：TG454 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0041-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.009

Thermal Failure Analysis of Micro-Copper Pillar Interconnect Solder Based on Finite Element Simulation

JIA Dongsheng1 ? ?LI Haizhu2 ? ?MA Yulin2 ? ?QIN Jingong1 ? ?TIAN Ye1

（1. Henan University of Technology， Zhengzhou ?450000，China; 2. Henan Costar Group Co.， Ltd.， Nanyang 473004，China）

Abstract： The stress and strain of micro-copper column interconnect solder under thermal shock load were studied by finite element simulation method， and the crack growth of micro-copper column interconnect solder was analyzed. The results show that the interconnect solder located at the outermost of the packaging structure is the most vulnerable interconnect solder （ key interconnect solder ）. The cumulative plastic strain energy density is mainly concentrated near the copper pad on the chip side， and gradually decreases from the outside to the inside， indicating that the crack is formed on the chip side， and expands from the outside to the inside along the pad， and finally runs through the entire interconnection solder . The experimental results are consistent with the simulation analysis， which further verifies the rationality of the simulation results for the analysis of crack growth.

Keywords： micro-copper pillar interconnection solder ;thermal cycle ; finite element analysis

0 引言

微電子產品朝著微小化、高功能化、便攜化方向發展，導致芯片的輸入/輸出端（I/O端口）數量急劇增加，這要求封裝間距及互連點尺寸迅速縮小。傳統的互連點由于尺寸縮小引起的橋連短路問題使其已經不能滿足當前要求，倒裝微銅柱互連點能夠減小橫向面積，解決了上述瓶頸問題[1]。然而，互連結構的轉變將誘發出較多的可靠性問題。因此，在大規模應用前仍須對其可靠性進行研究。由于在互連點可靠性中，熱疲勞可靠性問題最為顯著，因此研究熱循環下倒裝微銅柱互連點的應變和力具有極其重要的意義[2]。

目前，己有部分學者開展了在熱沖擊條件下微銅柱互連點的可靠性研究。武秋石等[3]在溫度循環下采用全模型-子模型技術對器件的服役壽命進行預測，發現銅柱互連點在溫度循環下最易失效。J. R. Jhou等[4]研究了在熱沖擊條件下銅柱互連點的變形以及最終的失效方式。綜上，雖然部分文獻研究了大尺寸倒裝互連點，但是目前國內外對熱循環條件下微銅柱互連點的失效機理、壽命評估等方面仍需要做進一步的系統研究。

文中建立簡化的倒裝微銅柱互連點的幾何模型和有限元模型，并對其進行熱沖擊模擬試驗，分析熱沖擊載荷下的微銅柱互連點的應力應變，研究微銅柱互連點在熱沖擊條件下的失效方式和機理，為微銅柱互連封裝技術研究提供相關的可靠性依據。

1 試驗方法

本試驗中FC器件（包含80×82微銅柱互連點）為有限元模擬的實體模型。硅芯片尺寸為10 mm×10 mm×0.2 mm，微互連點高度為45 μm，間距為100 μm;銅焊盤的直徑約為45 μm，高度約為5 μm。雙馬來酰亞胺三嗪（Bisma-Leimidetriazene，BT）基板尺寸為15 mm×15 mm×0.24 mm;焊料為Sn-3.0Ag-0.5Cu（質量分數，%）（SAC305）。采用鍵合機實現芯片和基板間的互連，條件為熔點溫度以上60 s，峰值溫度245 ℃。利用Hysol 4531填充膠在165 ℃溫度條件下固化5 min，并對組裝芯片依次進行 X-ray、超聲和電阻檢測，篩選出互連優良的組裝芯片為試驗樣品。熱沖擊試驗中，低溫-55 ℃，高溫125 ℃，且高低溫轉換時間在5 s以內，樣品間隔一定的循環次數后取出并觀察互連點中裂紋生長情況。金相樣品制備中，采用600目～3 000目型號的砂紙進行磨制，再利用1 μm和0.05 μm的拋光液（成分為Al2O3）進行拋光。最后，試驗采用體積分數為10%HNO3-90%C2H5OH腐蝕溶液，對樣品進行3 s的腐蝕后，使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electronicmicroscopy，SEM）對樣品橫截面微觀形貌進行觀察。

2 模型建立和計算

2.1 模型的建立

圖1為微銅柱互連點回流之后的橫截面微觀組織結構SEM圖，從下往上結構依次是BT板、Cu焊盤、焊料、銅柱、硅芯片。由于FC器件中微銅柱互連點數量多并且具有排列對稱性，因此在保證有限元模擬準確性和節約計算時間的前提下，需要簡化構建FC器件的三維條狀有限元模型來分析微互連點的熱失效。

由于條狀模型在文獻中被一些學者使用[5]，并被證實該簡化方法的科學合理性，因此為了高效、準確地分析在熱沖擊條件下微銅柱互連點的應變和應力情況，本文基于自由劃分和體掃略相結合的思想對連續實體模型離散化，得到FC器件整體有限元模型，如圖2（a）所示;又因為微銅柱互連點體積較小，在整體結構圖中難以看清其具體形狀，特提取出局部放大圖，如圖2（b）所示。

2.2 參數選取和載荷施加

微銅柱互連點中采用Sn-3.0Ag-0.5Cu（質量分數，%）（SAC305）焊料，一般使用基于塑性和蠕變統一的Anand模型來表達SAC焊料的力學本構行為[6]。銅一般使用服從Mises屈服準則的雙線性等向強化材料得本構模型描述其在熱循環條件下的金屬塑性行為[7]。在構建倒裝微銅柱互連點二維有限元模型時，相關材料參數見表1。

本文利用ANSYS軟件模擬微銅柱互連點實際生產使用所經歷的溫度循環條件，熱循環加載參考美國軍用標準MIL-STD-883選取，分為升溫、高溫保溫（125 ℃）、降溫、低溫保溫（-55 ℃）四個階段。降溫階段時間為3 min，高低溫保溫均為15 min，經歷8次循環（結果趨于穩定）。確定好加載條件后，在ANSYS有限元軟件中輸入相關命令流即可進行施加載荷。

3 結果與分析

3.1 封裝結構整體位移分析

在有限元分析的熱沖擊加載過程中，由于微銅柱互連點封裝體內各材料之間的熱失配，導致不同材料之間膨脹或收縮程度也不相同。由表1可知，微銅柱互連點中BT基板的熱膨脹系數約是芯片熱膨脹系數的2.28倍。因此，互連點下部的BT基板與上部的芯片在溫度發生變化時會產生不同程度的形變，這將導致互連點產生剪切應力和應變，經多次溫度循環后最終會引起微銅柱互連點的失效。

在有限元模型中，微銅柱互連點封裝體各組成部分的變形程度的大小是通過位移數值來體現的。圖3為微銅柱互連點在熱沖擊第8個循環125 ℃整體位移云圖?？梢钥闯?，模型整體從左至右顏色由藍變紅。其中，最左端為深藍色，表示此處位移最小，最右端為深紅色，表示此處位移最大，變形程度最大。

3.2 所有互連點應力及應變分析

已知材料的形變達到一定程度后就會發生屈服，但應力應變值仍然在不斷變化。Von Mises應力以及Von Mises塑性變形能夠在材料屈服后準確表達出應力及應變在有限元模型中的變化情況[8]。

Von Mises應力及應變的計算公式為式（1）（2）。

[a=22（a1?a2）2+（a2?a3）2+（a3?a1）2]

（1）

式中：a表示Von Mises等效應力，a1、a2、a3分別表示在X、Y、Z軸上的分量。

b[=22（b1?b2）2+（b2?b3）2+（b3?b1）2]

（2）

式中：b表示Von Mises等效應變，b1、b2、b3分別表示在X、Y、Z軸上的分量。

圖4為所有微銅柱互連點在熱沖擊最后一個循環高溫125 ℃時應變分布圖。MX表示應變最大的位置，可以看出，最外側的邊角微銅柱互連點應力值最大。

3.3 關鍵互連點的確定

從以上兩小節的分析得出，微銅柱互連點在經受熱沖擊載荷時互連點所產生的應變從中心到外側逐漸增大，最外側的微銅柱互連點產生的應變最大，在經歷多次循環后容易產生疲勞裂紋而失效。因此，邊角微銅柱互連點是封裝體中最易失效的互連點，定義為關鍵互連點。由于一個互連點的失效就會導致整個封裝體的失效，因此，本文通過分析關鍵互連點的可靠性來研究微銅柱互連點整體的可靠性。

3.4 關鍵互連點的應力及應變能分析

圖5（a）和（b）分別為熱沖擊第8個循環125 ℃時關鍵互連點Von Mises應力云圖和應變能密度云圖。已知關鍵互連點上方區域代表關鍵互連點與芯片的交界處，下方則代表互連點與BT板的交界處。由圖5（a）可見，右下角應力最大，可以看出應力主要集中基板側焊料基體中，由微銅柱互連點外邊角向焊料內部延伸時逐漸減小。三個邊角處應力較大，其中基板側焊料外邊角處最大。這表明在熱循環條件下，基板與微銅柱互連點接觸位置的最外側會首先產生疲勞裂紋。

圖5（b）為熱沖擊結束后第8個循環125 ℃時關鍵互連點Von Mises塑性應變能密度云圖?？梢钥闯?，關鍵互連點的兩個邊角顏色較深，表明塑性應變能密度較大。其中右下角顏色最深，表明右下角塑性應變能密度值最大，這與應力最大所在區域相對應，證明了基板側焊料外邊角最容易產生裂紋而失效。

3.5 關鍵互連點可靠性試驗結果驗證

圖6為倒裝微銅柱互連點的裂紋擴展圖，可以看出，裂紋萌生于微銅柱互連點的右下角，即基板側焊料外邊角，并沿著基板側焊盤向內擴展。這與上文模擬推測的結果相一致，進一步驗證了有限元模擬結果的合理性。

4 結論

①根據有限元分析的結果，封裝體的邊緣微銅柱互連點是封裝體內部裂紋開始萌生和擴展的危險區域，定義為最易失效互連點（關鍵互連點）。

②關鍵互連點的應力、塑性應變以及塑性應變能密度最大值都集中于基板側焊料外邊角處，且由外向內逐漸遞減，這說明熱疲勞導致的裂紋易在基板側焊料的邊角位置形成并由外向內擴展。

參考文獻：

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[3] 武秋石.倒裝封裝組件工藝-服役可靠性研究[D].廣州：華南理工大學，2020.

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