超薄3D-IC封裝在制造過程和溫度循環(huán)測試耦合負(fù)載影響下的可靠性評估-深圳市福英達(dá)

2023-02-22

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超薄3D-IC封裝在制造過程和溫度循環(huán)測試耦合負(fù)載影響下的可靠性評估

為應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)和智能制造，基于摩爾定律的半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及相關(guān)電子元器件尺寸的縮小。因此，晶體管的密度逐漸增加。為實現(xiàn)上述封裝要求，解決傳統(tǒng)封裝框架的瓶頸，現(xiàn)有研究以堆疊方向的三維互連為主流技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)是硅通孔 (TSV) 和焊料微凸塊 (μbump) 的互連，這通常是失效位置方面的關(guān)注領(lǐng)域。三維集成電路（3D-IC）封裝在制造工藝和可靠性方面的諸多挑戰(zhàn)需要克服，其中加速熱循環(huán)測試（TCT）的可靠性問題尤為關(guān)鍵。根據(jù) JESD22-A104D 規(guī)范，封裝組件之間的劇烈熱膨脹系數(shù)(CTE) 不匹配會在熱負(fù)載下對關(guān)鍵焊料 μbump 產(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力 。

圖 1. 實際超薄型芯片3D-IC封裝

當(dāng)材料在高于熔點 0.5 T m的溫度下承受固定載荷時，應(yīng)變隨時間增加。這種現(xiàn)象稱為蠕變。圖 2表明，韌性材料在固定應(yīng)力和溫度下的蠕變行為可分為三個階段，即初級、二級和三級蠕變。穩(wěn)態(tài)區(qū)占蠕變變形的大部分。對于應(yīng)用于電子封裝的焊點，Garofalo-Arrhenius 模型，也稱為雙曲正弦模型，被廣泛用于定義蠕變行為。圖 2所示的第二階段呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變，由 Garofalo-Arrhenius 模型描述。

圖2. 固定應(yīng)力下焊料合金蠕變應(yīng)變與時間的關(guān)系。

表1列出了本 FEA 中使用的詳細(xì)材料屬性。為了準(zhǔn)確預(yù)測 SnAg μbump 的蠕變行為和封裝翹曲，我們將非線性材料屬性分配給焊料和銅 [ 34 ]。焊料表現(xiàn)出與溫度相關(guān)的特性和蠕變行為。表 2列出了 SnAg 焊料的 Garofalo–Arrhenius 蠕變模型的系數(shù)。由于熱循環(huán)負(fù)荷的最高溫度（125℃）超過成型材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）（110℃），成型材料的楊氏模量大大降低，從而影響了成型材料的機械性能整個包裹。因此，在目前的 FEA 中，應(yīng)考慮 Tg 作為成型材料。

                                                                 表 1.當(dāng)前 3D-IC 封裝 FEA 中使用的材料屬性列表。

表 2. 96.5Sn3.5Ag 焊料的 Garofalo–Arrhenius 模型參數(shù) [ 32 ]。

由于相關(guān)組裝過程中的巨大溫度變化，往往會在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)誘發(fā)對可靠性產(chǎn)生相當(dāng)大影響的殘余應(yīng)力。在這項研究中，通過闡明所提出的耦合載荷的問題和影響，預(yù)測了 TCT 之前封裝設(shè)備的實際機械狀態(tài)。 3D-IC封裝的超薄芯片制造工藝是將填充銅的 TSV 芯片粗磨至 100 μm，并調(diào)整其與硅基板的連接。在 250 °C 的熱壓下，芯片和基板粘合在一起，形成 15 μm 的間隙，然后通過毛細(xì)管作用填充底部填充材料。此后，在芯片上涂上較厚的成型材料，以分散芯片的磨削載荷，從而避免在將 100 μm 厚的芯片進(jìn)一步磨削至 10 μm 厚度時發(fā)生芯片斷裂。然后將鈍化層沉積在組裝芯片的頂面上。由于相對于 TCT 持續(xù)時間的時間限制，在制造過程的模擬中忽略了 μbumps 的蠕變行為。本文采用的 TCT 條件遵循 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD22-A104 條件 D。溫度范圍介于 ?40 °C 和 125 °C 之間。從 25 °C 的室溫加熱到 125 °C 需要 450 秒。然后將 125 °C 的溫度保持 900 秒。溫度隨后在 900 秒內(nèi)從 125 °C 降至 -40 °C。最終，溫度在 450 秒內(nèi)恢復(fù)到 25°C。一次 TCT 持續(xù) 3600 秒。在這項工作中，在 FEA 中執(zhí)行了七個完整的 TCT，以獲得關(guān)鍵焊料 μ 凸塊的收斂、增量和等效塑性和蠕變應(yīng)變。

圖 5. 所提出的 3D-IC 封裝超薄芯片的制造工藝示意圖。

圖 6顯示了制造過程和 TCT 的耦合載荷影響的增量和等效塑性和蠕變應(yīng)變。峰值應(yīng)變出現(xiàn)在溫度恢復(fù)到室溫的過程的后期，因為此時在封裝組件中引入了最顯著的CTE失配。以第 12 步的情況為例，其中結(jié)構(gòu)剛度因切屑變薄而降低。當(dāng)封裝加熱到 200 °C 時，估計會出現(xiàn)明顯的增量塑性應(yīng)變峰值和等效塑性應(yīng)變峰值。此外，分析結(jié)果表明，在七次 TCT 之后，μbumps 的增量和等效蠕變應(yīng)變幾乎與它們的增量和等效塑性應(yīng)變相同。因此，在評估 TCT 的可靠性時，不能忽視 SnAg 焊料 μbumps 的蠕變效應(yīng)。圖 7顯示了整個封裝結(jié)構(gòu)在每個制造步驟和 TCT 中的翹曲變化。第 12 步的嚴(yán)重翹曲可歸因于臨界變形的增加，該變形引起相應(yīng)的增量和等效塑性應(yīng)變。此外，TCT 相對于制造部分引起的翹曲變化相當(dāng)小。也就是說，在后續(xù)TCT的可靠性評估中需要考慮制造過程中殘余應(yīng)力的影響。

圖 6.TCT的耦合載荷下，最外層焊料 μbumps 的估計等效塑性和蠕變應(yīng)變增量的變化。

圖 7.基于所提出的仿真方法的預(yù)測， 3D-IC 封裝的超薄芯片在處理步驟和后續(xù)TCT下的翹曲變化。

如圖8所示。隨著切屑厚度增加到大于 ~20 μm，應(yīng)變增量增加。這種現(xiàn)象隨著使用具有高楊氏模量的底部填充材料而變得廣泛。在 20 和 50 μm 之間的芯片厚度過渡處，芯片顯示出最小的結(jié)構(gòu)彈性性。因此，影響 μbump 可靠性的主要機制是底部填充材料和 PBO 材料之間的 CTE 不匹配。然而，隨著采用剛性厚度層，填充銅的 TSV 與芯片之間的熱失配會增加。因此，在制造過程和 TCT 的負(fù)載下，μbumps 會積累并維持較大的剪切應(yīng)變。這種情況導(dǎo)致非彈性應(yīng)變增加。相比之下，當(dāng)具有低楊氏模量的底部填充物用作應(yīng)力緩沖層以分散μbump的剪切變形時，可以減少μbump的應(yīng)變增量。

圖 8.考慮具有不同楊氏模量值的底部填充時，芯片厚度對臨界 μbump 上等效非彈性應(yīng)變增量的依賴性。

如圖 9所示當(dāng) TSV 間距從 170 μm 擴展到 250 μm 時，等效非彈性應(yīng)變增量略有下降。原因可以歸因于這樣一個事實，即不同材料之間的 CTE 不匹配引起的應(yīng)變可以均勻地分布到每個焊料 μbump。然而，隨著應(yīng)用各種底部填充物，觀察到應(yīng)變幅度的顯著差異。結(jié)果表明，在保持相同間距的情況下，具有較低底部填充楊氏模量的 μbump 的應(yīng)變增量會減小。因此，設(shè)計的參數(shù)，即底部填充的楊氏模量，在減小 μbump 應(yīng)變方面比 TSV 間距更敏感。分析結(jié)果表明，具有 0.3 GPa 楊氏模量的底部填充是減少臨界 μbump 應(yīng)變累積的良好選擇。

圖9. 底部填充膠的四種不同楊氏模量被考慮時， TSV 間距對 μbump 非彈性應(yīng)變增量的依賴性。

對于TSV半徑的參數(shù)化分析，估計結(jié)果如圖10所示。與之前關(guān)于其他參數(shù)的討論類似，當(dāng) TSV 的半徑尺寸固定時，底部填充膠的低楊氏模量會導(dǎo)致 μbump 的應(yīng)變增量較低。 TSV 半徑的增加通常會導(dǎo)致較大的應(yīng)變增量。盡管如此，具有 25 μm TSV 半徑和楊氏模量為 4 和 8.617 GPa 的底部填充的組裝芯片降低了 μbump 應(yīng)變。因此，估計結(jié)果表明 TSV 半徑與 μbump 的應(yīng)變增量有關(guān)。當(dāng) TSV 半徑從 10 μm 擴展到 25 μm 時，與 PBO 材料的接觸面積也會擴大。由于封裝組件之間的 CTE 不匹配導(dǎo)致的嚴(yán)重變形會增加 μbump 應(yīng)變。除了凸點下冶金層(UBM)外，還包裹焊料 μbump 的底部填充物具有較低的楊氏模量，可提高結(jié)構(gòu)的柔韌性。因此，可以大大降低上述應(yīng)變。當(dāng) TSV 半徑為 25 μm 時，連接在焊料 μbump 上方的 UBM 層具有相同的直徑，并且 μbump 內(nèi)的應(yīng)變也會增加。使用楊氏模量為 4.0 或 8.617 GPa 的底部填充膠可以有效地抵抗 μbump 應(yīng)變。因此，研究了 μbump 應(yīng)變增量的下降。與楊氏模量為 0.3 或 1 的底部填料的觀察結(jié)果相反，楊氏模量為 4.0 或 8.617 GPa 的底部填料抑制封裝翹曲的能力非常有限，盡管此時仍可以釋放 μbump 應(yīng)變。因此，最終應(yīng)變略有增加。

圖 10. 當(dāng)考慮底部填充的幾個楊氏模量時，TSV 半徑對 μbump 非彈性應(yīng)變增量的依賴性。

分析結(jié)果表明，由于溫度相對于TCT溫度的劇烈變化，封裝結(jié)構(gòu)在加工階段發(fā)生了嚴(yán)重的翹曲。在 TCT 之前幾乎達(dá)到會聚扭曲。此外，在制造過程中，塑性應(yīng)變會在焊料 μbump 內(nèi)大量累積。這種情況導(dǎo)致 TCT 期間塑料積累的減少。盡管如此，應(yīng)考慮蠕變行為，因為 μbump 的蠕變應(yīng)變通過 TCT 載荷達(dá)到其自身非彈性應(yīng)變累積的一半。

關(guān)于參數(shù)分析，估計結(jié)果表明，相對較薄的芯片可以獲得良好的結(jié)構(gòu)柔韌性，以釋放焊料 μbump 的應(yīng)變。延長 TSV 間距也有利于分散傳輸?shù)?μbump 的 CTE 失配變形，從而獲得低應(yīng)變增量。至于 TSV 半徑，發(fā)現(xiàn)較大的半徑會導(dǎo)致填充銅的 TSV 和 PBO 層之間的接觸面積增加。因此，臨界 μbump 的應(yīng)變增加主要是因為封裝材料的嚴(yán)重 CTE 變形。此外，選擇具有低楊氏模量的底部填充材料，被視為一種應(yīng)力緩沖機制，是滿足焊料μbumps可靠性要求的好方法。

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Chang-Chun Lee, Yu-Min Lin, Hou-Chun Liu, Ji-Yuan Syu, Yuan-Cheng Huang & Tao-Chih Chang(2021). Reliability evaluation of ultra thin 3D-IC package under the coupling load effects of the manufacturing process and temperature cycling test. Microelectronic Engineering, vol. 244-266.

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