把无铅焊点倒装芯片(FC)封装技术引入半导体封装领域可以满足高速和多功能要求。移动电话和数码相机等便携式FC产品要求其封装外形越来越小，厚度越来越薄。此外，许多FC封装还使用塑料作为封装材料。本文对采用有限元法计算出的薄型倒装芯片球栅阵列封装的热-机械可靠性参数进行了分析，其中包括室温和回流温度下的翘曲特性以及温度循环试验中的焊点疲劳特性。我们认为，通过在计算过程中充分考虑底部填充材料的粘弹性，可以改进计算精度。

　　文中对考虑了底部填充材料粘弹性的计算结果与只考虑底部填充材料弹性的计算结果进行了比较，并把计算结果与实验结果进行了对照。文章对薄型可靠性倒装芯片封装底部填充材料的最佳特性提出了参考意见。研究结果同时还证明，使用热膨胀系数(CTE)较小且硬度较高的衬底是实现薄型高可靠倒装芯片封装的必要条件。

　　FC封装的热-机械特性与可靠性的关系

　　在FEM分析中，为阐明FC封装的热-机械可靠性，需要对多项参数进行计算。选择的分析对象是FC球栅阵列(FC-BGA)封装。此外，根据FC-BGA封装材料的特性，计算出室温和回流温度下的翘曲特性以及温度循环过程中的焊点疲劳特性。

　　图1是分析模型的FC-BGA封装结构和焊点结构。在这里，底部填充材料通常用做焊点的包封材料。Si芯片的尺寸为15mm15mm725μm。封装衬底包括一个中间核芯层及其上面的6个堆叠层。中间核芯层的厚度为400μm，衬底尺寸为50mm50mm。底部填充材料边缘倒角长1.7mm。采用FEM法对所有封装材料的物理特性与温度的相关性，以及底部填充材料的粘弹性和焊点的弹性-塑性-蠕变特性进行了分析。

　　UF特性

　　通过FEM法计算出A类底部填充材料(A、AE1H、AE1L、AE2H、AE2L)和B类底部填充材料(B、BE1H、BE1L、BE2H、BE2L)的弹性模量与温度的相关性，分别在图2(a)和图2(b)中表示。A类和B类底部填充材料的CTE与温度的相关性在图2(c)中表示。A类材料的Tg为45℃，B类材料为75℃。

　　粘弹性计算模型

　　图2(a)和2(b)中所示的底部填充材料的驰豫弹性模量与温度的关系是参根据材料的储能模量与温度的关系判断出来的。例如，图3表示对FC-BGA封装使用的A、B两类底部填充材料进行弹性分析和粘弹性分析后计算出的整体翘曲值，并对这些值进行了比较。采用这两种分析方法计算出的室温下的翘曲值相差很大，我们可以确认，采用粘弹性分析法计算出的翘曲值与实际FC-BGA封装实验中获得的值基本一致。

　　翘曲分析

　　图4(a)是25℃时计算出的底部填充材料的整体翘曲值。图中没有显示出材料的翘曲特性与弹性模数的关系，但显示出与Tg的相关性。通过深入分析我们发现，底部填充材料边缘倒角的应力驰豫特性极大地影响着FC封装的整体翘曲值。图4(b)表示在260℃时计算出的整体翘曲值，这个温度相当于组装工艺使用的最高温度。260℃时的整体翘曲值不仅与底部填充材料的Tg相关，也与弹性模数相关。这时底部填充材料A的整体翘曲值比AE2H或AE2L高，但当温度高于Tg时，AE2H的弹性模数比底部填充材料A高，而AE2L的弹性模数比A材料低。底部填充材料B的情况也大体相同。当温度达到260℃时，翘曲特性与底部填充材料特性之间的关系比较复杂。

　　温度循环过程中的焊点疲劳度分析

　　图5(a)和5(b)表示在-55℃～125℃温度循环测试过程中计算出的FC-BGA封装中焊点的最大非弹性应变与时间的关系。根据这些数据我们可以判断，底部填充材料A和B进行粘弹性分析后获得的非弹性应变值比弹性分析后获得的值要大3-5倍。图6表示计算出的两类底部填充材料的非弹性应变范围。

　　在一个温度循环周期中，随着非弹性应变值的增大，可以确定非弹性应变值的范围。具有较大Tg值，且当温度高于Tg时弹性模数值较大的底部填充材料的非弹性应变范围较小。通过分析得出的结论为，具有较小Tg，且当温度高于Tg时弹性模数较大的底部填充材料更适用于薄型FC封装。

　　衬底特性对封装可靠性的影响

　　FC封装的可靠性还受到封装衬底特性的影响。图7表示计算出的传统薄型衬底(中间核芯层厚度为0.1mm)FC-BGA封装的整体翘曲值，并与中间核芯层厚度为0.4mm的计算结果进行了对比。传统衬底材料FC-BGA封装的翘曲值随衬底厚度的缩小而增大。图中还表示了具有较小CTE和较高硬度中间核芯层的薄型衬底FC-BGA封装的翘曲特性。在这种具有较小CTE和较高硬度中间核芯层衬底的封装中，随着中间核芯层厚度的下降，翘曲值增长平缓。

　　图8表示具有较小CTE和较高硬度的薄中间核芯层封装的焊点的疲劳特性。在这种具有较小CTE和较高硬度的中间核芯层的封装中，非弹性应变范围并没有随着中间核芯层厚度的缩小而增大。

　　结论

　　本文使用FEM法，通过考虑底部填充材料的粘弹性，对无铅焊接凸点薄型倒装芯片封装中封装材料的物理特性对热-机械可靠性的影响进行了参量分析。结果表明，考虑底部填充材料的粘弹性可以对封装可靠性进行更加精确的分析。在倒装芯片封装中，通过使用较小CTE和较高硬度的衬底，可以在不降低底部填充材料Tg的前提下改进封装的可靠性。（作者：Hiroyuki Tanaka，Sumitomo Bakelite Co. Ltd.）