3.4 应力和可靠性

塑封电路在组装和应用过程中，会面临高温、温度变化、电迁移等应力影响，本节分析这些应力对塑封电路可靠性的影响，重点论述高温、湿-热-机械应力、温度循环应力对高密度塑封器件的可靠性影响。

3.4.1 塑料封装的湿-热-机械可靠性

1.湿-热-机械可靠性集成应力分析

（1）湿扩散模型。

塑料封装可靠性的研究路线如下。从仅研究热对封装的作用，到仅研究湿对封装的作用，再到研究湿气变化为蒸汽压对封装的作用，最后到研究湿热的综合作用和研究湿、热及蒸汽压对封装的综合作用 ^[27-29] 。

对于塑料封装湿-热-机械可靠性应力分析，可以采用一种集成湿热及蒸汽压的有限元分析方法 ^[30] ，应变方程为

式中， ε _tot 、 ε _sw 、 ε _th 和 ε _v 分别为总应变、湿应变、热应变和蒸汽压应变； β 为湿膨胀系数； C 为湿度； α 为热膨胀系数； θ 为温度； P _v 为蒸汽压； E 为材料弹性模量； v 为材料泊松比。

首先假设某多微孔性材料吸潮后内部蒸汽压总是当前温度 θ 的最大饱和蒸汽压 P _vg （ θ ）（纯饱和蒸汽压），通过它与湿度 C （ t ）的关系，根据式（3-3）就能获得相应蒸汽压。

式中， ω （ t ） =C （ t ） /C _sat ，为相对饱和湿度； t 为时间。确定热和湿的分布后，凭借用户子程序提取出湿模型中的湿度 C 和热模型中的温度 θ ，通过式（3-2）和式（3-3）实现应力的集成分析。

考虑耦合线性湿热应力模型 ^[31] ，认为温度和湿气在封装中是均匀的，此时，湿应力能够处理成热应力的一个附加应力。因此等效热膨胀系数 α* 可以定义成

当考虑填充料由于黏弹性行为的热老化影响时，湿应力和热应力的简单叠加就不再适用。

在塑料封装的回流焊过程中，集成应力模型有5种：湿扩散模型、热扩散模型、湿-机械模型、热-机械模型和蒸汽压模型。对于所有的模型，使用相同的有限元几何模型，但是有不同的边界条件、初始条件、加载条件和求解方法。

瞬态湿扩散方程与瞬态热扩散方程相似，能用菲克定律表示成

然而，不同于温度，湿气浓度在两种材料的界面不连续。因此用 w 作为场变量湿度，定义为

所以式（3-5）可以改写成

对于湿扩散模型，初始条件为 w =0，边界条件为 w =1。

（2）热扩散模型。

与湿气分布相似，可通过求解下面的方程来得到在回流焊过程中封装内的温度分布：

式中， T 为温度； α _T 为热扩散系数。

（3）湿-机械模型。

由于不同材料湿膨胀系数（CME）的不匹配，将引入湿-机械或湿膨胀应力。这与模拟由热膨胀系数（CTE）不匹配而引入热-机械应力相似。湿-机械问题可以用类似的热-机械问题求解方法来求解。

（4）热-机械模型。

使用线性弹性热-机械模型，加载温度从模塑料固化温度175℃到回流焊温度260℃。

（5）蒸汽压模型。

用代表性体积单元（RVE）来估算封装内部产生的蒸汽压，在吸湿材料局部选取一个体积单元，同时，在微观尺度上，一个体积单元的尺寸足以用来表征此处材料的统计特性，因此一个场变量空隙体积分数 f 定义成

当 f =1时，说明在此位置发生了分层。空隙体积分数是一个场变量，在不同的位置有不同的变化速度，如果界面连接较弱，则在界面处要比材料内部变化得快。初始空隙是随机而均匀分布的，因此初始空隙体积分数 f ₀ 是材料的特性。

孔内湿气密度可以定义成

式中，d W 为体积单元内的湿气质量；d V 为体积单元； C 为局部湿气浓度。另外，转变温度 T ₁ 定义为空隙内湿气全部转变成蒸汽的温度：

式中， p _g （ T ₁ ）为在温度 T ₁ 时的饱和蒸汽压； T ₀ 为湿气吸收的预处理温度。

在计算蒸汽压时，有三个不同的情形。对于情形1和情形2，假设湿气服从理想气体定理。

情形1，空隙内湿气浓度较小，在预处理温度 T ₀ 时，湿气全部变为蒸汽。

式中， p 是蒸汽压； p _g 是饱和蒸汽压。

情形2，在预处理温度 T ₀ 时处于气/液混合状态，而在回流焊峰值温度 T 时，湿气全部变为蒸汽。

情形3，尽管在回流焊峰值温度 T 时，湿气也没有完全变为蒸汽。

在计算蒸汽压的过程中，需要知道初始空隙体积分数。根据式（3-10），饱和时，局部湿气浓度 C = C _sat 。因此，初始空隙体积分数可表示成

线性蒸汽压引入应力可估计成

式中， v 为泊松比； E 为弹性模量； p 为平均蒸汽压。弹性模量 E 在回流焊温度时下降几个数量级，因此蒸汽压应力可能变得与热或湿应力同等重要。必须指出的是，这样的膨胀与蒸汽压分布（而不是湿气分布）直接相关。

（6）集成应力模型。

图3-20所示为回流焊过程中的封装应力模型。湿扩散模型的湿气分布结果作为蒸汽压模型和湿-机械模型的输入。热扩散模型的温度分布应用到蒸汽压模型和热-机械模型中。由蒸汽压模型、热-机械模型、湿-机械模型引入的应力和应变，合并成一个集成应力模型来计算在回流焊过程中的封装应力和应变。湿应力和蒸汽压引入的应力转换成等效的热应力。

2.QFN封装的湿-热-机械的应力仿真分析

（1）QFN封装吸湿特性和解吸附特性的仿真模拟。

QFN（Quad Flat No-lead，方形扁平式无引脚）封装是典型的芯片级封装，其结构如图3-21所示。与其他引线框架封装相比，QFN封装具有很多优势，如成本低、尺寸小、较高的热性能和电性能、高成品率。这种封装能提供优秀的热性能是因为其底部的芯片框架和芯片基板是暴露在外面的，具有良好的散热特性，因此它被广泛应用到移动通信/消费产品当中。然而，尽管QFN封装有众多优势，但在测试和鉴定过程中仍发现一些湿-热-机械可靠性问题。

根据塑料封装的湿-热-机械应力分析方法，对某QFN封装有限元模型进行了网格划分，并模拟了该封装在潮湿敏感度等级1（MSL-1，85℃/85%RH/168小时）条件下的湿扩散，QFN封装的湿度瞬态分布如图3-22所示。从QFN封装中的湿扩散过程可知：在初始阶段，芯片粘接层处的相对湿度一直处于较低状态，这是因为芯片和铜板均不吸湿，可有效阻止湿气进入的通道；在进行168小时湿气吸附后，封装外部的模塑料湿度基本达到饱和状态，但粘接层湿度仍处于未饱和状态。从图3-22可以看出，在封装界面处，一直存在湿度梯度，直至湿度达到饱和。不均匀的湿度梯度是我们所不希望的，因为湿度梯度在引入湿应力的同时，可能会造成应力集中；当应力达到一定值时，可能造成分层或芯片开裂。另外，在界面处的非均匀湿度梯度可能会造成界面强度的退化，这些退化甚至在湿度达到饱和时还会出现。界面强度的退化和应力作用的综合结果，增加了分层产生的可能性。分层产生又为湿气的侵入提供了通道。当湿气侵入到引脚处和芯片表面时，可能会造成引脚的腐蚀和芯片钝化层的破坏。这些轻则导致器件的参数漂移，重则导致整个器件的失效 ^[32] 。

为了分析封装不同部分的湿扩散情况。对不同位置的节点的湿度瞬态分布进行了绘图。模型节点选取情况如图3-23（a）所示，各节点的湿度瞬态分布如图3-23（b）所示。从图3-23（b）中可以发现，湿度达到饱和的时间与封装的位置有很大的关系。可以看出，在初始阶段，粘接层的节点A的相对湿度基本上为0，到了50小时以后开始缓慢地吸收湿气。而节点F在吸湿50小时以后，其相对湿度基本上已经达到饱和状态。

同样地，对该QFN封装在125℃条件下进行了湿气解吸附分析，结果如图3-24（a）所示。从中可以看出，相对于湿气吸收过程，湿气解吸附过程要快得多。这是因为在125℃下，湿扩散系数要比85℃下的湿扩散系数大得多。图3-23（a）模型中各节点的湿气解吸附过程如图3-24（b）所示。可以看出，不同节点的湿气解吸附特性的差异相对于湿（气）扩散要小一些。

（2）QFN封装的湿-热-机械应力分析。

通过有限元软件进行分析，在QFN封装经过85℃/85%RH湿气预处理后，研究了回流焊时引入的湿-热-机械应力分布。该QFN封装的湿-机械应力分布、热-机械应力分布和湿-热-机械耦合应力分布如图3-25～图3-27所示（单位均为Pa），其中回流焊峰值温度为260℃。从图3-25中可以发现，最大等效应力在芯片/粘接材料/模塑料的界面处。从图3-26中可以得到，在回流焊过程中，最大热-机械应力为311MPa。吸湿膨胀引入的应力在QFN封装的机械可靠性方面有着不可忽略的作用。如果在回流焊过程中，忽略湿-热-机械应力，那么将低估回流焊应力的影响。从图3-27中可知，QFN封装的可靠性薄弱环节在芯片/粘接材料/模塑料的界面处。如果应力达到一定值，超过材料界面粘接强度，那么将会在此界面上产生裂纹。

（3）QFN封装湿-热-机械应力分析结果的试验验证。

利用某QFN封装进行湿-热-机械应力试验验证，对其进行85℃/85%RH/168小时湿气预处理后，经过C-SAM检查并剖面制样，确保没有产生界面分层，初始界面形貌如图3-28（a）所示。QFN封装吸湿后经过3次回流焊，所有器件均出现不同程度的分层，C-SAM结果如图3-28（b）所示。可知，芯片/粘接材料、模塑料/铜基板界面处都出现了分层，裂纹及分层主要出现在靠近粘接材料的芯片附近，粘接材料与铜基板界面也出现分层。这说明在粘接材料芯片附近与粘接材料处受到较大的应力。从裂纹的破坏程度和扩展趋势来看，最大应力在芯片、粘接材料和EMC材料的交界点处。可知，粘接材料是整个封装的薄弱环节，这与前面的仿真结果一致。

3.PoP封装的湿-热-机械应力的仿真分析

（1）PoP封装湿-热-机械可靠性建模。

PoP（Package on Package，叠层封装）是一种应用广泛的高密度封装，本节以PoP封装为例，仿真分析其结构的湿-热-机械应力。PoP封装结构如图3-29所示，将两个已充分测试的封装块堆叠在一起，产品可以提供更多的灵活性。

非吸湿性材料不参与求解湿气吸附与解吸附分析。在85℃/85%RH条件下，模塑料（MC）、粘接剂（Bonding Agent，BA）和基板材料（BT）的吸湿特征参数见表3-9，其中 D 为湿扩散系数， C _sat 为饱和湿度， β 为湿膨胀系数。

湿扩散系数 D 确定了电子封装的烘烤条件。湿扩散系数与温度的关系可通过Arrhenius方程描述：

式中， D ₀ 是初始值； E _d 为活化能； k 为玻尔兹曼常数； T 为绝对温度。在湿气解吸附模型中，初始条件为 w =1，边界条件为 w =0。聚合物材料湿气解吸附特征参数见表3-10 ^[31，33] 。

封装中因不同种类的材料的湿膨胀系数不同，从而出现了湿应变。对于不吸湿的部分，如芯片和焊球，其湿膨胀系数是零。湿应变与湿膨胀系数的关系如下。

式中， β 为湿膨胀系数； C 为湿度。式（3-18）可写成

模拟该封装在无铅回流焊中湿-热-机械应力分布。当温度为 T 时，其热应变 ε _t 可表示成

式中， ε _t 为热应变； α 为热膨胀系数； T 为加热温度； T _cure 为固化温度。

（2）湿-热-机械可靠性模拟仿真。

基于JEDEC/JSTD-020D的潮湿敏感度等级（MSL）分类，模拟PoP封装在MSL-1条件下吸湿168小时，PoP封装吸湿瞬态湿度分布如图3-30所示。

从图3-30中可以看出，168小时吸湿后，除顶层封装两芯片之间的粘接层外，封装湿度已基本达到饱和。因为芯片不吸湿，所以湿气进入顶层封装两芯片间的粘接层速度较慢，粘接层位置的湿度梯度较大。湿度梯度能引发湿应变，这被模拟结果证明了。结果同时说明当PoP封装进行MSL-1条件吸湿时，其168小时的吸附时间基本上是足够的 ^[32] 。

模拟在125℃进行湿气解吸附，在不同时间下该封装湿气解吸附情况如图3-31（a）所示。从图3-31（a）中可见，在解吸附20小时后，封装中的湿气几乎被清除，最大值仅为饱和值的0.37%，对封装的影响可以忽略。封装湿气解吸附的质量变化如图3-31（b）所示。因此，20小时的解吸附时间是能够满足需求的。当对表面贴装元器件进行回流焊预处理时，烘烤条件通常为125℃/24小时，可是该条件并不是所有情况下的最佳条件。

（3）湿应力分析。

PoP封装与焊球的等效湿应力分布分别如图3-32（a）和图3-32（b）所示。模拟结果表明湿应力分布于顶层封装芯片和焊球处，因为芯片和焊球不吸湿。但它们与相邻的聚合物材料的湿膨胀系数不同，会导致界面或接触点处在湿气预处理过程中出现较强湿应力。

芯片和焊球会影响聚合物材料的湿气分布，阻碍湿气的侵入，使其周围产生较大的湿度梯度。顶层封装芯片的湿应力要比底层封装芯片的湿应力大，这一现象表明湿度梯度是引入湿应力的一个重要因素。

从图3-32中可见 ^[32] ：湿气会直接影响芯片和焊球的可靠性。需要特别注意的是，在回流焊时，封装材料空隙内部的蒸汽压可能导致芯片和焊球裂开，甚至出现“爆米花”效应，从而使整个器件失效。

（4）回流焊应力分析。

在回流焊过程中，当回流焊的温度最高（峰值温度）时，会出现最大应力。峰值回流焊温度下PoP封装热应力及焊球热应力分布如图3-33所示。与湿应力分布位置不同的是，回流焊热应力的峰值位于顶层封装芯片、粘接层和模塑料连接处，且在底层封装处出现了较大的热应力。粘接层及模塑料的热膨胀系数较高，而芯片具有较低的热膨胀系数，所以出现较大的热应力。可能发生封装分层的起始位置包括顶层封装芯片、粘接层和模塑料连接处。与湿应力分布情况类似的是，焊球热应力的峰值位于焊球的边角处。热应力的分布表明了PoP封装可靠性的关键部位是焊球边角。PoP封装机械应力的比较如图3-34所示。正常应力是垂直方向的应力，而剪切应力常会引发封装分层。PoP封装的湿等效应力约是回流焊等效应力的4倍，因此其湿应力对封装可靠性的影响不可忽略 ^[32] 。

PoP封装在无铅回流焊工艺条件下的热应力分布表明：

①顶层封装是PoP封装可靠性的薄弱环节，对机械可靠性的要求较高。

②外层焊球湿应力和热应力都比内层焊球的大，焊球的湿应力和热应力主要分布于边角处。

③湿应力比回流焊峰值温度时的热应力还要大，不可忽略湿气对封装可靠性的影响。

3.4.2 SiP封装的应力和可靠性

1.SiP封装的技术发展及优点

SiP（System in Package，系统级封装）是指将多个不同功能的有源、无源元件和组件，以及MEMS、光学器件等其他器件，组装成可提供多种功能的单个标准封装体，形成一个独立的系统或子系统，具有一系列的性能特点。

（1）SiP可以汇集基板上原本各自独立分开的集成电路和电子组件，显著减小封装体积和质量，减少使用材料，减少I/O引脚数，增大封装面积比。

（2）和采用电路板的方式相比，SiP封装中所采用的SiP技术可以使金属间的距离缩短，进而减小寄生阻抗（电阻、电容、电感），从而改善芯片性能。

（3）SiP可以集成模拟、数字和射频等不同工艺类型的功能芯片。

（4）SiP简化了产品封装层次和工序，连接更少，提高了产品的可靠性，降低了制造成本。

（5）产品研制开发的周期比较短。

可靠性是SiP技术发展面临的首要挑战。对于SiP技术而言，复杂的3D互连方式与封装技术和生产应用环境对SiP系统的可靠性构成巨大的威胁。SiP结构在制作和使用过程中面临的主要可靠性问题有热应力、振动和跌落冲击及湿应力，且振动和跌落冲击都属于外界施加的应力破坏。在SiP结构的使用过程中，会遭受频繁的温度载荷冲击，这往往会导致微凸点产生裂纹，从而导致SiP结构的失效。从生产加工到实际使用过程，温度的变化对SiP结构的影响一直存在，因此，研究SiP关键结构热应力的失效模式和失效机理对于提高SiP结构的可靠性十分重要。

2.SiP封装的应力和可靠性问题

在3D封装结构中，常见的失效原因是焊点失效。引发垂直互连焊点失效的原因如下。

（1）机械载荷，具体包括机械冲击、振动、惯性载荷等。

（2）热载荷，具体包括封装过程中的预热、固化、波峰焊、回流焊，以及器件自身产热、电阻热，或者器件在可靠性试验或使用过程中承受的热冲击、热循环载荷等。

（3）化学腐蚀，包括封装吸湿导致湿气对焊点的腐蚀或氧化等，严重影响焊点的可靠性。

所以，3D封装中亟须解决的重要问题就是垂直互连焊点的可靠性。

3.4.3 WLCSP封装的应力和可靠性

1.WLCSP封装的技术发展及优点

CSP（Chip Scale Package，芯片尺寸封装）是继SiP之后的新一代封装技术。根据电子电路互连和封装协会（Association of Connecting Electronics Industries，IPC）给出的定义，CSP的封装面积小于芯片面积的2倍，极大地提高了封装集成度。通常可以把CSP分为4种：刚性基板类、柔性基材类、引线框架类和晶圆级组装类。WLCSP（Wafer Level Chip Scale Package，晶圆级芯片尺寸封装）属于CSP的一种，其基本工艺思路是首先在晶圆上完成工艺加工，然后直接在晶圆上加工出互连接口，采用倒装互连技术进行连接后，对其进行测试和老化，最后裂片得到成品。封装后的体积与裸芯片基本相同。与传统封装不同的地方是，CSP整合了芯片的前端工艺和后端工艺，优化了整个工艺流程。

WLCSP引入了重布线和凸点制作技术，采用标准的贴片工艺，可以实现晶圆级互连，提高互连密度，所以该封装技术属于高密度、高性能叠层封装技术。这种技术自从发明出来后，已经被广泛地应用于手机、闪存、高速电路、驱动器、射频器件、逻辑器件和模拟器件等领域。

图3-35展示了WLCSP的工艺流程，主要包括两个关键工艺：①重布线工艺，用于将沿芯片周边分布的焊接区转换为在芯片表面上按照平面阵列式分布的凸点区。②凸点制作工艺，用于在焊区制作凸点，形成微球阵列，可采用蒸发法、化学镀法、电镀法、焊膏印刷法等。目前应用最广泛的是电镀法，其次是焊膏印刷法。

在重布线工艺中，通过在晶圆上淀积薄膜介质层来钝化硅片，釆用苯并环丁烯（Benzo-Cyclo-Butene，BCB）或聚酰亚胺（Polyimide，PI）作为重布线的介质层材料，连线金属为Cu。溅射和淀积凸点下金属化层（Under-Bump Metallization，UBM），UBM是芯片上金属焊盘与凸点之间的关键界面层，提供高可靠性的电连接和机械连接，并可以作为凸点沉积的种子层。UBM中的溅射Ti层可以作为金属焊盘和凸点之间有效的扩散阻挡层。UBM材料为Al/Ni/Cu、Ti/Cu/Ni或Ti/W/Au。

WLCSP的整套工艺与芯片制造的技术兼容，只增加了重布线工艺和凸点制作工艺，在成本和质量控制方面优于其他CSP制作工艺。

2.WLCSP封装的应力和可靠性问题

在WLCSP封装内，因为不同材料的热膨胀系数不同，所以会在接触界面和接触点处产生很大的热应力，导致应变能累积，甚至导致封装失效。WLCSP的可靠性研究重点是焊球的热机械可靠性。

Tae-Kyu Lee等人研究了WLCSP锡-银-铜（Sn-Ag-Cu）微焊点的长期可靠性及微结构的演化 ^[34] ，他们研究了3种不同焊料（SAC105、SAC305、SAC396）的3种不同尺寸WLCSP在温度循环下的长期可靠性及焊接组织微结构的演变过程。在该研究中，不同焊料、不同尺寸的WLCSP封装如图3-36所示，其焊球初始金相组织结构如图3-37所示，它们在0～100℃温度循环应力下的寿命分布和特征寿命分别如图3-38和图3-39所示。

对其焊球进行有限元仿真分析，发现应力集中在焊球与芯片的界面处，WLCSP样品的累积裂纹损伤如图3-40所示。对其失效样品进行剖面分析，其失效部位与仿真结果一致，温度循环失效样品焊球的剖面SEM照片如图3-41所示。不同尺寸WLCSP封装的焊球边角的裂纹演化情况如图3-42所示。