【文章內容簡介】 更為嚴格；無法維修等。 (2)Flip chip 技術Flip chip，又稱為倒裝片，與COB相比，芯片結構和I/O端(錫球)方向朝下，由于I/O引出端分布于整個芯片表面，故在封裝密度和處理速度上Flip chip已達到頂峰，特別是它可以采用類似SMT技術的手段來加工，故是芯片封裝技術及高密度安裝的最終方向。90年代，該技術已在多種行業(yè)的電子產品中加以推廣，特別是用于便攜式的通信設備中。然而裸芯片技術是當今最先進的微電子封裝技術。隨著電子產品體積的進一步縮小，裸芯片的應用將會越來越廣泛。電子封裝的機械失效是指由機械振動、機械應力和熱應力等引起的封裝體材料的彈性變形和塑性變形、翹曲、脆性斷裂和形變斷裂、疲勞裂紋萌生和擴展、蠕變和蠕變斷裂等導致的失效。其中熱應力引起的失效顯得尤為重要，是大家研究的重點。電子封裝是由不同的材料構成的，它們的熱膨脹系數(shù)(CTE:Coefficinet of ThermalExPansion)各不相同。電子封裝器件在實際的工作過程中，頻繁的開和關以及環(huán)境的變化會使電子封裝的溫度頻繁的升高和降低，進而，電子封裝材料CTE的不匹配會在封裝體內產生交變的壓應力、張應力和剪切應力，如果電子封裝的材料選擇和結構設計不合理，交變的應力會導致塑封料和底充膠分層開裂、芯片斷裂和焊點蠕變疲勞斷裂等，其中最主要的是焊點的失效。蠕變是指材料在長時間的恒溫、恒應力作用下，即使應力小于屈服強度也會慢慢地產生塑性變形的現(xiàn)象。這種變形引起的斷裂稱為蠕變斷裂。一般認為，在較高溫度和較低應力水平的條件下，晶界斷裂導致的蠕變斷裂比較普遍，其模型主要為空位聚集，即在受拉伸的晶界處，由晶界內到晶界外有空位勢能梯度存在，使周圍的晶界或晶粒內部的空位趨于沿晶界流動和聚集(在三晶交點和晶界夾雜處尤為明顯)，空洞慢慢地穩(wěn)定長大到不穩(wěn)定擴展成裂紋而斷裂。不同的材料出現(xiàn)蠕變的溫度不同。一般來說，才出現(xiàn)較明顯的蠕變。而錫鉛焊料在室溫下也有蠕變現(xiàn)象。而從器件的頻繁開關來看，由于CTE的失配，同時，周期性的溫度改變，散熱的變化以及環(huán)境溫度的改變都會引起機械應力，這部分應力由蠕變釋放出來，從而引起每次溫度改變時的塑性形變。這種累積的破壞性影響將可能最終導致焊點的疲勞斷裂。疲勞斷裂過程分疲勞裂紋的萌生和擴展期。實驗表明，疲勞裂紋起源于應變集中的局部顯微區(qū)域，即疲勞源區(qū)。循環(huán)塑性應變的主要方式是局限于某些晶粒內的滑移，這些滑移首先在試樣的表面形成，然后逐漸擴展到內部。試樣表面形成微裂紋后，其擴展分為兩個階段。第一階段，在較大應力水平下，萌生的微裂紋數(shù)可能增多，并沿有最大切應力的滑移平面上擴展，過程中絕大多數(shù)會稱為不擴展裂紋，只有個別微裂紋會擴入一個晶粒的范圍，并逐漸轉入第二階段，即由拉應力控制，并沿垂直于拉應力的方向擴展并形成主裂紋。疲勞裂紋通常是穿晶擴展的，在多數(shù)塑性較好的材料中，第二階段的顯微斷口上可以觀察到疲勞條紋，而且一般認為條紋間距相當于載荷循環(huán)一個周次的裂紋增長量。所以說，蠕變失效和疲勞失效是焊點的兩種失效機制。倒裝焊SnPb焊點可靠性分析的基礎是焊點的應力和應變分析。對于無底充膠倒裝焊系統(tǒng)，焊點的剪切變形處于主導地位，主要是由于芯片和基板的CTE不匹配產生的水平位移差造成的，焊點的可靠性直接與焊點剪切應變相關。其中芯片的大小、焊點的高度和直徑等參數(shù)對焊點的壽命影響較大，:芯片越小，越薄，焊點越高，焊點的壽命越大。2 多芯片模塊MCM MCM發(fā)展的現(xiàn)狀隨著計算機工業(yè)及各種用途的微處理器(CPU)、微控制器(MCU)和微外圍電路(MPR)的飛速發(fā)展，人們對于小容量、高密度、小型化、高性能、高可靠性的電子器件和部件的需求日趨迫切。實踐證明：封裝對系統(tǒng)性能的影響已經變得與芯片本身的影響同等重要。MCM(多芯片組件)技術是九十年代封裝技術的一次深刻革命。MCM由于有著提高系統(tǒng)性能和縮小系統(tǒng)體積等優(yōu)點而被廣泛地用于計算機、通訊、軍事和航夭等領域。據(jù)報導，目前世界上一些主要的系統(tǒng)公司已掌握了這種技術，一些計算機大公司把MCM作為內部模塊使用已經有十多年歷史了。IBM公司的Tieone報告，到目前IBM已經生產了500多萬塊MCM，其運行失效率為零。IBM生產了世界上最快的MCM，該組件安裝在IBMsystem390計算機的內部，包括121塊IC電路。這些芯片直接裝貼在IBM發(fā)明的玻璃—陶瓷襯底上。在IBMRISC6000工作站中。把8個總共包含500多萬晶體管的芯片封裝在一個60義60mm的組件中。在IBMES/3090熱傳導模塊中，在一個120義120mm的區(qū)域里封裝了大約一百萬個晶體管。數(shù)字設備公司大批量生產MCM也已經有很長一段時間了，該公司主要從事銅聚酞亞胺薄膜襯底，稱為高密度信號載體(HDSC)。它包括模塊、多種電源、多種信號連接器，可提供50A以上電源和800條I/0通道，其MCU的時鐘速度超過了600MHz。 MCM技術優(yōu)點MCM的突出優(yōu)點是：(1)采用高密度互連技術，互連長度大大縮短，信號的傳輸延遲時間減少，與單芯片SMT比較，速度高出4倍多，能滿足1OOMHz的時鐘速度要求。(2)采用多層基板，因而尺寸、焊點數(shù)量減少、I/O數(shù)量增加，組裝效率達到80~90%，同一能的部件，重量減輕10倍，軍用尤其有利。(3)集LSI、VLSI、電容、電阻等元器件于體，避免了元件和器件級組裝，簡化了系統(tǒng)的組裝層次，大大降低了最終產品的成本。計證明，電子產品的失效大約90%是由封裝和電路板互連引起的，組裝層次越少，最終產品的可靠性越高。MCM的可靠性優(yōu)勢顯而易見。(4)能將數(shù)字電路、模擬電路、光電器件、微波器件合理地組合在一個封裝體內，形成多功能的部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)，線路之間的串小、阻抗易控，因而性能提高。(5)技術含量高。MCM集中了半導體集電路的微細加工技術、混合集成電路(HIC)的薄厚膜技術、PCB的多層基板技術，是典型的高技術產品。有人認為它是HIC與刷電路板(PCB)的中間產品，也有人認為是混合形式的全片規(guī)模集成(WSI)，還有人認為它是最有發(fā)展前途的微電子組裝技。(6)MCM技術與傳統(tǒng)的厚膜混合集成電路和薄膜混合集成電路技術有著密切的聯(lián)系，但也有一個很大的區(qū)別。混合集成在很大程度上是為了提高組裝效率，縮小體積，而MCM更重要的是出于性能方面的考慮。例如，對于信號傳播時間、受控阻抗的考慮，芯片到芯片互連通路的考慮。 MCM中襯底片、電介質以及金屬導體的選擇技術當一個子系統(tǒng)或系統(tǒng)的技術方案確定后，確定構成這一子系統(tǒng)或系統(tǒng)MCM性能、指標、可靠性的關鍵技術有三個方面：襯底的選擇技術、電介質選擇技術、金屬導體的選擇技術?？晒㎝CM選擇的兩種主要襯底是陶瓷和硅，設計中選取哪一種材料作為襯底要從三個方面來考慮，即：機械性能、導熱性能、兼容性能。陶瓷和硅的區(qū)別在于硅比較脆，陶瓷比較堅硬。硅導熱性能好且與IC芯片兼容性好。最好將硅用在高性能、高功耗以及芯片連接要求用倒裝焊的情況下。陶瓷或共燒陶瓷集成電路公司(ICE)認為“MCM是一個多芯片功能單元”。數(shù)字設備公司將MCM稱為MCU(Muti Chip unit)，在這里，我們把它定義為：“MCM是在常用的襯底片和管殼中組裝兩個以上的IC芯片所形成的互連結構?！辈袽CM稱為多芯片組件。通常人們以MCM的基板構成和材料來區(qū)分MCM的類別。MCM的類型有：(1)MCML：高密度PWB基板，L——多層金屬布線板。(2)MCMC：共燒陶瓷基板，C——共燒陶瓷。(3)MCMSi：以硅工藝為主的薄膜布線基板，Si——硅。(4)MCMD：采用其它新絕緣材料的薄膜布線基板(DI，BCB)，D——半導體淀積工藝。(5)MCMD/C：在共燒陶瓷上形成薄膜布線基板，D/C——共燒陶瓷上淀積薄膜。MCM的性能與電介質材料的類型密切相關。理想的電介質材料，它的介電常數(shù)和損耗系數(shù)要小，粘著力要強。二氧化硅、聚酞亞胺等有機聚合物目前已被廣泛選用。BCB(苯環(huán)丁烷)也已被證明是有效的介質。有良好的導熱性能，它比聚酞亞胺要好10倍，且有利用在半導體工藝設備上進行大規(guī)模生產。聚酸亞胺吸濕性強，化學上屬中性，不易龜裂。與上面兩種電介質相比，BCB綜合了它們的特性，在已有的介質中最小，吸濕性也很低，%。一般說來，在MCM中，導體金屬都選銅或鋁，選用鋁更多一些，眾所周知，這種冶金工藝可以在標準的半導體設備上濺射。另外，它和IC上的壓焊點兼容性好。當線條太長時，最好選用銅，因為銅比鋁引線電阻小，然而，選擇銅時必須在聚酞亞胺上做過渡層。在多層基板中最頂層往往有三種金屬導體可供選擇，即錫、金或金一錫混合物。用哪一種取決于芯片焊接方法。如果采用倒裝焊選用錫，如果用TAB技術選用金一錫焊料。需熱壓焊時選擇金。 MCM的芯片裝連技術目前比較成熟的MCM的芯片連接技術主要有三種即：芯片熱壓焊技術，TAB技術，倒裝焊技術。芯片熱壓焊技術一直是MCM芯片裝連技術的主要技術，它是用熱壓焊的辦法將芯片上的電極與襯底上的導帶連接起來，它具有成本低，可靠性高(一般情況下其引線拉力大于5g)，設計靈活，易于檢查和返工，且組裝密度高。，有望很快達到4密耳，芯片到襯底片的引線最長為40密耳。PMC聲稱他的熱壓焊長度減小到了3密耳，拉力達到10g。 TAB技術不少專家認為TAB是芯片一襯底裝連技術的發(fā)展方向。在這一技術中，用腐蝕出的引線框架作為集成電路芯片與襯底間的連接。一般情況下，觸點處有塊形焊料，用戶使用時還要經過激光回流或者紅外回流技術，把從原來帶上的切下來的芯片焊在相應的位置上，TAB工藝有以下特點：(1)引線密度大。(2)可對芯片進行預先測試和老化。(3)引線強度高。(4)成本低。(5)更適應LSI/VLSI的大規(guī)模組裝。 芯片倒裝焊技術它的基本工藝過程是在芯片電極上制出金屬凸點，然后用專門設備將芯片電極面朝下，使芯片上的凸點對準基板上的焊區(qū)，通過加熱或加壓，使二者牢固互連起來。這種裝焊技術具有引線短，分布參數(shù)小，組裝密度高，可靠性高等優(yōu)點。另外一種最新的芯片裝連技術是APS公司發(fā)明的稱為：BIP(Bonded Internectpius)熱壓焊引線互連技術。它是在芯片電極上熱壓金絲球焊、然后在垂直豎起的引線20mil長度處截斷以形成引腳，再將芯片對準倒扣到包含有刻蝕的小錫球的襯底上進行回流焊。3 MCM產熱和散熱分析 MCM的可靠性可靠性是指產品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。這里規(guī)定的條件所指內容很廣，可以是產品的各種外部氣候環(huán)境，也可以是產品承受的一定的熱、電工作應力。可靠性研究設計到失效物理、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)學模型、化學反應、機械應力、環(huán)境工程、實驗方法、生產管理等方面。一般電子產品在整個壽命期間的失效率可劃分為三個時期，早期失效期，偶然失效期和耗損失效期。電子封裝的可靠性是以評價電子封裝體系抵抗器件功能退化的能力來評價的。在微電子封裝的設計中，封裝可靠性必須是重點考慮的問題。影響電子封裝的可靠性和導致電子元器件失效的載荷主要有：熱、熱應力、機械應力與應變、電流與電壓、溫度、濕度、化學環(huán)境和輻射等。其中熱失效和熱機械失效是兩種主要的失效類型。所以，散熱設計和熱機械可靠性設計是電子封裝的可靠性設計中的兩大重要部分。(1)熱失效電子封裝的熱失效是由于器件工作時，電流通過引腳以及三極管組成的半導體器件受到一定的阻抗后，將這部分電能轉變?yōu)闊崃?，導致器件內部溫度升高。當溫度上升到某一值時，器件將因失效而瞬間停止工作，嚴重時甚至會引起封裝材料的燃燒。除了高溫直接引起的失效以外，溫度升高還會引發(fā)其他模式的失效，如寄生化學反應雜質擴散和因為各封裝材料的熱膨脹不匹配導致的熱應力所引起的機械失效等。如圖反映了芯片溫度和失效率的關系。從圖中可以看出，失效因子隨溫度幾乎成指數(shù)增長。例如芯片溫度從75℃升高到125℃就會導致失效率增長為原來的5倍；即使芯片溫度只是從75℃增加10~20℃，器件失效的幾率也將增加一倍。圖31為溫度與失效率關系曲線圖。圖31 溫度與失效率關系因此不論對什么尺寸功率和材料組成的微電子封裝器件芯片溫度都是影響器件可靠性的重要因素之一。電子封裝從傳統(tǒng)的插孔式發(fā)展到今天的表面貼裝BGA倒裝焊CSP、MCM、SIP等封裝形式，封裝密度越來越高，體積越來越小，適應了目前集成電路高密度發(fā)展的要求，但隨之帶來的散熱問題不容忽視。為了保證這么高熱流密度的半導體器件長期可靠的工作，必須進行熱計算、熱分析和相應的熱測試實驗，采取各種各樣的散熱措施，將IC結溫和其它元器件的溫度控制在安全工作溫度內，這也就是電子封裝散熱設計的任務。（2）機械失效電子封裝的機械失效是指由機械振動、機械應力和熱應力等引起的封裝體材料的彈性變形和塑性變形、翹曲、脆性斷裂和形變斷裂、疲勞裂紋萌生和擴展、蠕變和蠕變斷裂等導致的失效。其中熱應力引起的失效顯得尤為重要，是大家研究的重點。電子封裝是由不同的材料構成的，它們的熱膨脹系數(shù)各不相同。電子封裝器件在實際的工作過程中，頻繁的開和關以及環(huán)境的變化會使電子封裝的溫度頻繁的升高和降低，進而，電子封裝材料CTE的不匹配會在封裝體內產生交變的壓應力、張應力和剪切應力，如果電子封裝的材料選擇和結構設計不合理，交變的應力會導致塑封料和底充膠分層開裂、芯片斷裂和焊點蠕變疲勞斷裂等，其中最主要的是焊點的失效。 MCM失效模式與失效機理MCM必然要涉及更多的材料和更復雜的結構，較高的熱膨脹系數(shù)失配，有些材料較低的玻璃化轉變溫度，在熱循環(huán)和功率循環(huán)中會使系統(tǒng)產生較大的熱應力。此外，在生產、運輸、使用過程中MCM還要經受機械應力、振動等力學作用。MCM受到機械應力作用而導致失效是一個復雜的過程。要想提高和控制系統(tǒng)的可靠性必須深入掌握系統(tǒng)的關鍵材料與元件對應力的響應方式與規(guī)律，并以設計和工藝可控參數(shù)定量表示這種響應。微電子器件與電路的材料，單元對應力的響應主要有應力