晶圓級封裝: 熱機械失效模式和挑戰及整改建議

　　概述

　　我們可以考慮獨立封裝(圖6 [A])和安裝在主板上的封裝(圖6 [B]) 兩種封裝工藝。本文主要討論前者，讓讀者初步了解WLCSP封裝的特異性。

　　BEoL層應力如圖8所示。在這樣一個(gè)配置中，因為焊球和外圍器件的熱膨脹系數失匹，每個(gè)焊接區都會(huì )發(fā)生類(lèi)似的應力問(wèn)題。此外，在裸片外圍可以看到聚合物層邊緣的影響(見(jiàn)圖8中的箭頭)。因此，我們已開(kāi)始懷疑聚合物、焊球和裸片邊緣的相互作用。需要指出的是，在這個(gè)層面，應力的產(chǎn)生唯一原因是本地的熱膨脹失匹，而與封裝尺寸大小無(wú)關(guān)。

　　圖8：BEoL區的S1 應力分量(MPa) - 獨立配置(頂視圖 – 重點(diǎn)分析封裝角部)

　　一旦組裝到主板上后，應力區域特性接近在標準倒裝片配置上觀(guān)察到的應力區域[10]。在最外層焊球區域觀(guān)察到應力最大值，因為最外層焊球到中性點(diǎn)(DNP)(即封裝中心)的距離最遠(圖9)。我們還觀(guān)察到，焊球下面的應力分布受焊球至封裝中心的相對位置的影響。因此，壓縮力和拉伸力區域方向隨焊球位置不同而變化。

　　圖9：BEoL區的SZ 應力分量(MPa) - 組裝到主板上的封裝 (頂視圖)

　　與獨立封裝相比，已焊接的焊球使焊盤(pán)受到更大的應力。不過(guò)，無(wú)論封裝尺寸多大，裸片和聚會(huì )物邊緣受到的應力都會(huì )保持不變。

　　聚合物層

　　聚合物邊緣可選用兩種設計策略，錐體或直接沉積方法，具體選用哪一種方法，取決于第二層聚合物止于第一層薄膜之前還是之后。我們從機械學(xué)角度評測兩個(gè)配置，在BEoL區域內，沿裸片對角線(xiàn)提取應力值(圖10)。因為關(guān)注點(diǎn)放在了聚合物邊緣，所以圖中只給出了封裝的角部受力情況。如前文所述，在BEoL區能夠觀(guān)察到焊球的影響(見(jiàn)圖中的反復出現的圖形)。此外，正如我們所預想的，在聚合物邊緣發(fā)現了應力最大值，不過(guò)，應力的影響只限于這個(gè)區域。有限元分析顯示，與錐體沉積法相比，直接沉積法的應力更高，這是因為前者邊緣處聚合物厚度較大。兩種沉積方法導致厚度相差大約5% (圖10 (B))。

　　圖10：[A] 直接配置和錐體配置的BEoL層和聚合物層應力分布圖[B] BEoL棧周?chē)鷳ψ兓?見(jiàn)應力提取通道圖[A]上的灰箭頭) (獨立封裝配置)

　　在決定了邊緣設計方法后，我們需要確定在BEoL棧上發(fā)生較低應力的準確位置。為此，我們測試了各種位置：平坦區(圖11 #1, #4)、密封環(huán)(圖11 #6)上方、鈍化拓撲底部不同位置(圖11 #2 #3 #5)。

　　圖11：有聚合物的配置與無(wú)聚合物的配置之間的應力變化。在SiN鈍化層內提取拉伸應力Sy。不同配置間的應力差異主要出現在聚合物邊緣。

　　鑒于聚合物末端在BEoL棧上產(chǎn)生拉伸性負載，確定選項#6為首選。因此，密封環(huán)的‘錨定’特性可限制其潛在的不利影響。為辨別結構差異，關(guān)注點(diǎn)放在鈍化層應力上。

　　不出所料，發(fā)現兩個(gè)大類(lèi)：第一類(lèi)(#2, #3 & #5)是聚合物層末端靠近一個(gè)幾何奇點(diǎn)，引發(fā)最大應力;第二類(lèi)(#1, #4 & #6)是聚合物層末端在一個(gè)平坦面上，這里觀(guān)察到最小應力。提案#6(即密封圈上方)的改進(jìn)作用并不明顯，需要說(shuō)明地是，這可能是所用分析標準造成的，本文只分析了SiN層的完整性，BEoL中間層的離層風(fēng)險并未視為一種失效模式?；谶@些結果和過(guò)程可變因素，將邊緣置于較大的平坦區域是比較安全的，這對應配置#4。

　　鈍化性質(zhì)

　　聚合物層邊緣、暴露于空氣中的結構和焊盤(pán)的存在，讓W(xué)LCSP封裝的鈍化層成為一個(gè)重要區域。開(kāi)發(fā)人員可以從厚度和殘余應力角度探討最佳設計。因為我們跟蹤的失效類(lèi)型是機械失效，所以討論重點(diǎn)放在氮化物層的特性方面。為此，我們測試了不同厚度與殘余應力的相對變化，見(jiàn)表1.

　　表1.探討過(guò)的參數表

　　圖12：[A]SiN厚度的影響[B]SiN殘余應力的影響

　　應力是從聚合物層下面的SiN層提取的(圖12)。測試結果顯示，SiN越厚，應力越小。還應記住，如果厚度較大，真層拓撲可能會(huì )更平滑，奇點(diǎn)更少，因此，可降低失效風(fēng)險。關(guān)于殘余應力影響，根據最初假定值，最終應力被遷移。因此，通過(guò)降低殘余應力，降低了最終應力狀態(tài)的數學(xué)值。不過(guò)，增加厚度方法不能隨意修改，還要記住對其它特性(例如，電氣、可靠性和熱變形)的影響。因此，必須找到一個(gè)折衷的辦法，考慮到所有的副作用。

　　4. 結論

　　本文概述了WLCSP晶圓級封裝的特異性，先簡(jiǎn)要介紹了扇入和扇出型封裝特異性以及封裝流程;然后，描述了在制程工序和/或可靠性測試期間發(fā)生的不同的熱機械失效。裸片邊緣帶和焊球四周是高度敏感區域，發(fā)生過(guò)很多失效問(wèn)題。為更深入地了解所涉及的結構，本文采用有限元法分析了WLCSP封裝失效問(wèn)題。首先，建立一個(gè)3D封裝模型，初步了解扇入型封裝的熱機械特性。研究發(fā)現，焊球和聚合物邊緣是影響可靠性的重要位置。然后，用一個(gè)2D模型深入分析聚合物邊緣的影響，優(yōu)化BEoL層。實(shí)驗發(fā)現，終止在平坦區域的錐體沉積法可降低在BEoL鈍化層發(fā)生的應力。最后，我們研究了SiN厚度及殘余應力的影響，并建議提高SiN層厚度，以降低殘余應力。

　　本文能夠讓讀者朋友更好地了解WLCSP封裝在機械性能方面的特異性。通過(guò)介紹一組與有限元法結果相關(guān)的典型失效，我們概括了主要有效參數和可靠性改進(jìn)建議。

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