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【關注】電子封裝可靠性:過去、現在及未來(上)
上傳更新:2022-04-23

轉自由半導體在線整理自機械工程學報

第 57 卷第 16 期

 

前言

電子封裝是電子制造產業鏈中將芯片轉換為能夠可靠工作的器件的過程。由于裸芯片無法長期耐受工作環境的載荷、缺乏必要的電信號連接,無法直接用于電子設備。因此,雖然不同類型產品有差別,但是電子封裝的主要功能比較接近,主要包括四大功能:機械支撐,將芯片及內部其他部件固定在指定位置;環境保護,保護芯片免受外界的水汽、腐蝕、灰塵、沖擊等載荷影響;電信號互連,為內部組件提供電通路及供電;散熱,將芯片工作時產生的熱量及時導出[1]。按照工藝階段的不同,電子封裝通??煞譃榱慵壏庋b(芯片級互連)、 一級封裝(芯片級封裝)、 二級封裝(模塊級封裝)和三級組裝。

 

由于芯片及封裝涉及大量不同類型材料,部分材料特性相差甚遠,在封裝工藝過程中,如果內部缺陷、殘余應力、變形等問題控制不當,極易在封裝過程中或者產品服役中引發可靠性問題。隨著封裝密度不斷提升、功能多樣化,如 3D 封裝、異質集成技術等,電子封裝中多場多尺度耦合的可靠性問題更加明顯。

 

1 電子封裝可靠性研究共性技術

1.1 典型封裝材料

目前制約微電子器件封裝快速發展的一大因素就是缺乏相應的封裝材料及完整的材料數據。封裝材料關系著電子微器件的強度和可靠性,材料的力學響應對于封裝材料的選取和電子微器件的強度與可靠性設計非常關鍵。因此急需針對典型封裝材料的優缺點進行評價、開發加速評估方法,展望適合未來封裝技術發展的先進封裝材料。

 

封裝材料一般包括:互連材料、基板材料和密封材料等。其中互連材料與芯片直接接觸,對芯片散熱和可靠性最為關鍵,其需要耐受的溫度和應力也更高。本文以封裝互連材料為例,介紹其研究進展與挑戰。

 

由于 RoHS 和 WEEE 指令的限制, Sn-Pb 焊料無法繼續應用于電子器件。目前,無鉛焊料主要以錫為基礎,通過添加 Cu、 Ag、 Zn、 Bi 等合金元素組成,主要包括 Sn-Cu 合金、 Sn-Ag 合金、Sn-Ag-Cu 合金、 Sn-Zn 合金以及 Sn-Bi 合金等。Sn-Cu二元合金的共晶成分是 Sn-0.7Cu,共晶溫度為227 ℃, Sn-Cu 合金[4]由于其優異的力學性能和低廉的價格,被認為是含鉛焊料最有潛力的替代焊料。

 

Sn-Ag 二元合金的共晶成分是 Sn-3.5Ag,共晶溫度是 221 ℃。Sn-Ag 合金具有優異的力學性能和較好的可靠性,其缺點是潤濕性比較差且表面張力比較高。為克服這一缺點,人們在 Sn-Ag 合金中加入Cu 形成了具有優異潤濕性和力學性能的 Sn-Ag-Cu合金,它已成為近年來使用最廣泛的焊料合金。

 

有研究通過添加一些稀土元素來進一步改善焊料的綜合性能。Sn 和 Zn 元素可以以固溶體的形式存在, Sn-Zn 系合金的研究也有明顯的進展,但其潤濕性、抗氧化性、力學性能和熱學性能往往不相匹配。Sn-Bi 系合金也是典型的低熔點合金,但硬度高、延伸率低,其導電性和導熱性略低于前幾種合金焊料。

 

當前,隨著半導體技術的發展,以 SiC 為代表的寬禁帶半導體材料由于其導熱系數高、介電常數低、帶隙高,可以實現器件在 200 ℃以上結溫下穩定工作,是功率半導體器件的必然發展趨勢。當環境溫度高于 200 ℃時,絕大多數焊點合金的抗疲勞性能和抗蠕變性能均無法滿足寬禁帶器件互連的可靠性要求。雖然個別焊料合金可以勉強滿足高溫封裝要求,但它們價格昂貴(如 Au/Sn, Au/Ge, Au/Si)或者加工性差(如 Bi/Ag, Zn/Al)[8]。因此,急需發展新型的耐高溫連接材料和技術。

 

近年來,研究人員在耐高溫互連材料方面做了大量努力。提出了多種滿足寬禁帶電子器件高溫封裝要求的互連技術。其中以瞬時液相擴散連接(Transient liquid bphase, TLP)和低溫燒結金屬連接(Low temperature joining technique, LTJT)廣受關注。TLP 是將低熔點的中間層材料置于高熔點的母材中間,在適當的壓力下加熱到高于中間層材料熔點溫度,熔化中間層材料并與母材反應生成高熔點的金屬間化合物而實現低溫固態連接。TLP 連接的中間層材料必須具有較低的熔點,常用的低熔點元素有 Sn 和 In, 二者的熔點分別為 231 ℃和 156 ℃,能與這兩種元素形成高熔點金屬間化合物的元素有Ag、 Au、 Ni。Cu 與 Sn 之間也可形成 Cu-Sn高熔點化合物。

 

綜上, TLP 連接可以實現低溫連接和高溫應用,是寬禁帶半導體器件互連的可行技術。但是這種方法也有明顯缺點,如需要事先在連接件表面鍍覆金屬,增加了成本和工序;連接時保溫時間較長,而且連接完成后往往還需要進行退火處理。雖然耐溫能力比傳統焊料合金有明顯提高,但是脆性的金屬間化合物高溫可靠性仍存在隱患;工藝控制方法略微復雜,需要避免反應不充分或者過反應。

 

因此,低溫燒結金屬連接技術受到更為廣泛的關注,尤其是低溫燒結納米銀連接技術,由于其高導熱、低壓/無壓力燒結、低溫燒結致密和低彈性模量等特性,已成為目前寬禁帶半導體器件封裝的首選互連材料。

 

近年來,針對納米銀焊膏的燒結工藝及其燒結銀接頭的性能及機械可靠性已經有了大量的研究成果。例如, YANG 等[23]發現,在相同的電流密度下,使用納米銀膏封裝的發光二極管(Lightemitting diode, LED)比用焊料和導電銀膠封裝的LED 光輸出量大, 表明其熱導率優于焊料和導電銀膠。BAI 等[24]利用低溫燒結納米銀對單芯片封裝和多芯片封裝進行了深入研究。結果表明,低溫燒結連接法封裝的功率半導體模塊比傳統焊料封裝的功率半導體模塊具有更好的電學、熱學和力學性能。

 

雖然在大多數電子器件應用場合,燒結銀的性能已被證明具有顯著優勢。但是以往低溫燒結需要輔助較高壓力,工藝復雜,設備要求高。因此不少學者通過改進材料制備方法和工藝,簡化了互連工藝復雜度,降低低溫燒結工藝和設備成本。例如,YASUDA 等[25-26]在 250℃-400℃和輔助壓力小于5MPa 的條件下, 使用粒徑為 5-20nm 的銀作為連接材料,實現了芯片與基板的互連且剪切強度達到20MPa 以上。FU 等[3]利用粒徑為 2 μm 以下的銀顆粒,在 250 ℃下首次無壓燒結實現了大尺寸芯片(≥100 mm2)與基板的連接,其剪切強度達到 40 MPa,孔隙率25.6%,熱導率為 263 W/m·K。鑒于無壓燒結銀的致密度略低于大壓力燒結銀,低溫無壓燒結納米銀的性能和可靠性需要進一步驗證。這是因為在相同的燒結工藝下,連接面積越大, 相應的孔隙率越高, 連接強度越低;提高升溫速率可以促進焊膏的致密化過程,有利于晶粒的均勻化,但容易造成連接層產生缺陷,致使芯片受到熱沖擊,如果燒結溫度太高或保溫時間太長不利于銀顆粒燒結致密化過程,反而會使晶粒粗化。為解決上述問題, LU 等率先利用電流輔助燒結技術可以在 1 s 內實現電子器件與銅基板的快速致密化互連,燒結銀層的導電率高達 3.7×107S/m,比傳統熱壓燒結銀層高近 兩 個 數 量 級 , 接 頭 剪 切 強 度 可 達 40 MPa。WANG 等將進一步發現在低溫環境下包覆在納米銀焊膏表面有機物的熱分解可以促使納米銀顆粒在 180 ℃下完成燒結。隨后, ALLEN 等利用該電流輔助燒結方法在電子印刷領域開展了應用研究。該工藝過程可在 2 μs 內使熱壓燒結接頭具有更高的抗機械疲勞性能。CAO 等也發現在相同的加載水平下,電流輔助燒結銀接頭具有更好的循環剪切變形能力。

 

1.2 典型建模仿真方法

圖 1 為在電子封裝中有限元求解過程的基本流程圖,通常包括預處理、建模、求解和后處理等步驟,其中材料參數和模型對于仿真結果的準確性有重要影響。

 

1.2.1 多尺度建模

隨著封裝技術的不斷發展,封裝材料和結構研究的尺度和時間跨度可能超過 12 個數量級,并且每個級別都涉及不同的領域,如圖 2 所示。多尺度建模的最終目標是從第一性原理開始預測材料行為,將信息傳遞到分子尺度,最終傳遞到宏觀尺度。從“自下而上”的角度來看,多尺度方法應該考慮材料的內在屬性。目前的大部分工作都集中于納米結構材料。

對結構分析來說,基于連續介質的方法被用以描述或預測宏觀材料的行為,例如傳統力學和有限元方法。分子動力學仿真主要關注具有熱力學平衡的結構,這顯然不像是數學連續體,而是一種離散的晶格結構。因此,除非采取措施確保分析的等效性,否則對分子模型進行連續力學概念的直接應用是不恰當的。

 

1.2.2 多物理場的耦合分析

在電子封裝流程中,多物理場效應廣泛存在。微機電系(Microelectromechanical systems, MEMS)具有微米尺寸的組件,廣泛應用于商業和工業系統中,如集成硅壓力傳感器、加速度計和運動檢測器等已經在汽車和工業應用中使用了多年。這些微小型系統(有些甚至比人類頭發更細)從應力、溫度、靜電、壓電和電磁效應中催生出它們的功能。有兩種數值技術可用于模擬涉及的多物理場:直接耦合和順序耦合。


(1) 直接耦合分析。直接耦合分析將所有物理場組合為一個矩陣中的有限元方程,并將矩陣作為一個整體求解。直接耦合的一個示例是熱效應和電效應的組合,以此研究電阻或介電材料的電磁能所產生的焦耳熱大小。在某些換能器中,電學和力學的直接耦合可以確定施加電壓引起的變形量,反之亦然。在這些類型的分析案例中,我們就可以在單個解決方案中考慮所有物理場。


以 LED 的仿真為例。LED 異質結構被認為是一組平面半導體層和電極。一維模型可用于模擬 LED 能帶圖, 它可以視作異質結構內的偏置電壓、電子和空穴傳輸的函數,還可以模擬提供光發射的載流子復合過程。因此,我們可以獲得內部量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)、電流密度和發射光譜與 p-n 結偏壓和溫度之間的關系,如圖 3所示。

單元移除和重新激活。在一般分析步驟中,從模型中刪除指定的元素。在移走之前,要 移 除 的 區 域 上 的 力 /變 量 被 存 儲 作 用 于 該 區域邊界的節點上。在移除步中,這些力被降至零;因此,移除部分對于剩余部分是完全沒有影響的。這些力被逐漸降低,以確保去除元素對模型平滑的影響。

 

1.3 失效類型及機理分析

經過封裝后的電子產品需要經過嚴格的可靠性試驗,才能最終篩選出合格產品供應給產業鏈下游。相關的可靠性試驗標準較多,通常來說,可 供 參 考 的 主 要 標 準 有 國 軍 標 (GJB 548、 GJB150)、國標(GB/T 2423)、美軍標(MIL-STD-202、MIL-STD-750、 MIL-STD-883)、 JEDEC 標準(Joint Electron Device Engineering Council,電子器件工程聯合會)中的 JESD22 系列等。常見的可靠性試驗見表 1。

總體來說,在可靠性試驗和實際應用中,封裝互連材料的失效主要為電-熱-力致耦合失效。其中電對互連可靠性的影響主要表現為兩方面:電流密度超過閾值導致電遷移和電致發熱引起的溫度變化(即功率循環)。電遷移的主要原因是電流超過一定閾值后, 電子風引起互連材料內部的原子定向遷移,從而導致局部電流進一步集中,從而形成正反饋,并最終導致互連結構的孔洞和斷路。另一方面,隨著電子制造技術的進步,芯片互連材料越來越廣泛地應用于動態服役環境(即應力和應變的分布隨著時間而變化的環境)中。而功率耗散和環境溫度的周期性變化使得電子封裝及其組件在封裝工藝或者服役過程中不斷經歷溫度循環的作用。由于芯片、基板 以 及 互 連 材 料 的 熱 膨 脹 系 數 (Coefficient of thermal expansion, CTE)不匹配,使得在互連界面處產生交變的剪切熱應力,該剪切熱應力的平均應力不為零,會導致焊層產生塑性應變的積累,使得互連焊層中的損傷不斷累積, 發生翹曲、 氣孔、 裂紋,導致最終失效,如圖 5 所示,我們稱之為低周棘輪疲勞失效。

WANG 等對低溫燒結納米銀焊膏薄膜試樣的單軸棘輪失效行為進行研究。從圖 6 可以看出,材料的低周棘輪疲勞塑性應變演化可分為三個階段:初始快速累積、穩態增長和加速斷裂。第一階段較為短暫,在此階段棘輪應變迅速累積。第二階段占試件循環壽命的大部分,此階段棘輪應變以一個幾乎恒定的速率累積,棘輪應變穩定增長;進入加速斷裂階段后,棘輪應變率和棘輪應變均表現出加速增長的趨勢,試樣在很少的循環次數內就因過大的棘輪應變而導致最終破壞,此階段往往很短暫。由于第二階段占試件循環壽命的大部分,因此應重點關注棘輪失效行為的第二階段。第二階段的棘輪應變率也是區分棘輪失效行為和疲勞失效行為的一個重要參數。

對于傳統的錫鉛焊料,劉勝率領的課題組在 20世紀 90 年代前后做了大量的系統性的研究工作。CHEN 等對 63Sn37Pb 也進行了相關研究, 在室溫下對63Sn37Pb 進行了系列棘輪變形試驗,得到63Sn37Pb 在不同保持時間、平均應力、應力幅值和加載歷史下的棘輪和疲勞變形行為,還采用 Anand模型預測63Sn37Pb 的棘輪和疲勞變形行為。隨后對用于替代錫鉛焊料的無鉛焊料和導電膠也不可避免的需要研究其棘輪和疲勞行為。例如, AMALU等]研究了倒裝芯片封裝中無鉛焊料連接半導體器件時,其高溫可靠性及黏塑性行為。

 

針對有機膠復合黏連材料, MA 等采用動態熱 力 分 析 儀 (Dynamic thermomechanical analysis,DMA)研究了高溫下各向異性導電膠(Anisotropic conductive film, ACF)在應力控制下的單軸棘輪行為,討論了平均應力、應力幅值、環境溫度和加載歷史對其單軸棘輪行為的影響,發現其楊氏模量隨溫度升高而降低,棘輪應變隨平均應力、應力幅值和溫度的升高而增大,并且加載歷史也對棘輪過程有重要的影響;TAN 等[57]研究了采用 ACF 封裝連接器件在受溫度和濕度影響時的復雜力學行為,如剪切和循環疲勞。研究發現器件互連在斷裂前的最大剪切力達到 465.0 N, 循環疲勞極限強度為 143.5 N。

 

雖然納米銀焊膏作為一種性能優異的新型無鉛互連材料,已受到廣泛關注。在被廣泛應用半導體器件封裝之前,研究其棘輪失效行為和疲勞失效行為是不可或缺的。這對指導低溫燒結銀作為芯片互連材料在高溫應用中意義重大。

 

目前,針對電子器件的高溫封裝應用,芯片互連材料除物理性能,如 CTE、楊氏模量等之外、疲勞、蠕變特性及其與溫度的關系則是更關鍵因素。因此,部分學者率先研究了納米銀焊膏材料的機械可靠性。例如, CHEN 等研究了納米銀焊膏燒結銀膜在溫度區間為-60℃到 300℃的拉伸和棘輪特性,并且討論了在 150℃下加載速率、應力幅值和平均應力對燒結銀膜的棘輪特性的影響。WANG 等討論了棘輪—疲勞的交互影響。

 

部分學者還針對低溫燒結納米銀材料作為封裝互連時的可靠性進行了研究。WANG 等研究了 1.1× 1.1 mm2芯片連接的低溫燒結納米銀焊膏的可靠性。他們通過對低溫燒結銀封裝互連器件開展-40~150℃的溫度循環試驗,發現在經歷 900周期溫度循環老化后,燒結納米銀互連的微觀結構未出現明顯變化,但其芯片連接強度會出現小幅下降。李欣設計了納米銀焊膏搭接剪切試樣,并對接頭在室溫和高溫下的力學性能進行了全面的試驗和理論研究。采用了應力或應變控制方式,對搭接接頭進行了等溫循環剪切試驗,考察了平均應力、應力幅值以及環境溫度對接頭可靠性的影響。齊昆等則結合 LED 應用需求, 研究了燒結納米銀互連 1.1× 1.1 mm2LED 芯片的循環剪切疲勞行為,獲得了其疲勞壽命曲線族。

 

隨著應用場景的不斷拓展,燒結納米銀被逐漸用于封裝更大面積電子芯片,因此,研究人員探索了連接面積對封裝連接可靠性的影響,發現無壓燒結過程中,相同燒結工藝下連接面積越大,相應的燒結孔隙率越高,連接強度也隨之降低,無壓燒結工藝應被局限于連接面積小于 10× 10 mm2的應用。為克服無壓燒結納米銀工藝方法的這一局限性,隨后曹云嬌等[64]提出了燒結時間短、效率高的電流輔助燒結工藝,實現了納米銀焊膏的快速燒結,并且研究了相應的電流燒結納米銀互連焊層的力學可靠性。通過循環剪切試驗發現,平均應力和應力幅值對電流燒結納米銀互連焊層的棘輪行為影響明顯,電流燒結納米銀互連焊層的棘輪變形水平隨平均應力和應力幅值的增加而提高,壽命相應降低。為了更好地預測電流燒結納米銀的優異抗疲勞可靠性, CHEN 等基于 Ohno-Wang 和Armstrong-Fedrick (OW-AF)非線性運動硬化準則的粘塑性模型和 Anand 模型嵌入 ABAQUS 商用有限元軟件中來預測電流燒結納米銀互連焊層的棘輪行為,證明了 OW-AF 模型的預測結果的準確性優于Anand 模型。該預測方法可用于更好的指導電子封裝針對電-熱-機械可靠性設計與增強。

 

2 典型電子封裝領域可靠性研究

2.1LED 封裝可靠性研究

LED 封裝可靠性是典型的光、 熱、 力耦合問題,因此其評價標準圍繞光學性能、熱學性能和力學性能等方向。在 LED 性能及可靠性中涉及各種封裝材料和工藝主要包括:光轉換材料、封裝膠、固晶材料、封裝基板。


1光轉換材料。在大功率 LED 封裝中,熒光粉材料是最常用的光轉換材料。其按材料分可分為稀土石榴石系、硅酸鹽系、含氮化合物系和硫化物系四大系列。其中鉛酸鹽的釔鋁石榴石(Y3Al5O12)是目前使用最廣泛的熒光粉,俗稱 YAG 熒光粉。該熒光粉的顆粒直徑通常在 5~35 μm,具有亮度高、發射峰寬、成本低的優點,但激發波段窄,光譜中缺乏紅光的成分,顯色指數不高。

 

國外研究學者研究了熒光粉顆粒直徑對 LED 出光的影響,通過試驗證實,當粒徑大約為 20 μm 時, LED 的光通量最大。通常熒光粉和封裝膠混合后涂覆,封裝膠導熱性能較差, 熒光粉光轉換過程中產熱無法有效散出,導致硅膠在高溫時性能變化,甚至“碳化” 。熒光粉溫度過高將導致光學和熱學性能的變差,也會使 LED 可靠性變差,甚至高溫時會不發光,產生“熱淬滅”現象。LED 封裝中主要應用的涂覆方法有:點膠涂覆、保形涂覆和遠離涂覆。

 

點膠自由涂覆由于工藝簡單、成本低,是 LED封裝中最常用的熒光粉涂覆方法,被廣泛使用。其直接將熒光粉膠涂覆在芯片表面,通過其自由流動成型而得到熒光粉層。這種方法得到的熒光粉層高度遠小于寬度, 從而引起封裝 LED 中間區域色溫偏高而側邊區域偏黃,即產生“黃圈”,空間顏色均勻性差。

 

在芯片周圍均勻涂覆熒光粉薄層即為保形涂覆,具有優良的空間顏色均勻性和光效。目前保形涂覆工藝研究很多,如電泳法、溶液蒸發法、晶圓級旋涂法、沉降法和粉漿法、噴涂法等。但保形涂覆工藝復雜、成本高,熒光粉層的后向散射嚴重,芯片和支架對光能吸收嚴重,降低了封裝效率,同時芯片工作過程發熱會引起的熒光粉溫度升高,熒光粉效率隨著溫度的升高呈指數下降的趨勢并且過高的熒光粉層溫度引起明顯的光學性能下降。

 

遠離涂覆是將熒光粉層與芯片相隔離,芯片與熒光粉層并不直接接觸。然而,遠離涂覆往往需要采用特殊結構的 LED 封裝支架, 降低后續光學設計自由度。美國研究學者研究發現,采用遠離涂覆,顯著減小了后向散射,可將光效提高 7% 。華中科技大學羅小兵課題組設計了基于點涂法的半球薄層熒光粉遠離涂覆方法, 實現 LED 封裝高空間顏色均勻性。

 

另外,在熒光粉膠中,熒光粉的密度遠遠大于硅膠密度,導致熒光粉在硅膠中會向下沉淀,分布不均勻,進而產生色溫升高、一致性變差等問題。美國專家對其色溫漂移問題進行研究,證明熒光粉沉降會導致熒光粉層上下濃度變化,影響色溫和光通量等光學性能。在沉降過程中,上部的濃度變化要明顯大于中間部。芯片結構不同,熒光粉沉淀對光學性能的影響也不同。華中科技大學羅小兵課題組通過試驗觀察證實了熒光粉沉淀,如圖 7所示,硅膠固化后大顆?;就A粼诘讓?。

近十幾年,量子點(Quantumdot, QD)材料,一種納米尺寸半導體材料,受到越來越多的企業和科研院所重視,得到了廣泛研究。量子點是一種半導體納米顆粒,具有很強的量子限閾效果,使得連續的能帶變為分立能級,進而具有熒光效果。相比于熒光粉,量子點的發光波長是可以隨著粒徑改變的,量子效率比較高。因為是納米顆粒,所以光散射極低, 發光半峰寬很窄, 色彩飽和度很高。由于量子點是納米級尺寸,納米顆粒較高的表面能和顆粒之間的庫侖力或范德華力使得量子點容易發生團聚。此外,量子點表面配體常常與硅膠或環氧樹脂中基團不兼容,會導致非輻射能量轉移增大,引起量子點發光效率降低,光轉換效率下降和封裝劑難固化等不良問題。在國內外的研究中,針對量子點團聚和與硅膠/環氧樹脂的不兼容問題,多數采用的是將量子點和與其兼容的聚合物混合制成薄膜,并通過遠離封裝的形式制備,量子點發光二極管(Quantum dot light emitting diode,QLED)。另外, 量子點在光吸收和光轉換方面具有一定閾值,當照射光強度或 LED 工作電流較大時, 量子點發光性能往往呈現出“飽和效應”,具體表現為光轉換效率陣低,光通量下降,色溫升高和色坐標發生變化等。隨著封裝密度的増加, 工作功率的增加,飽和效應將更大的影響量子點在 LED 封裝的發展和應用。

 

 

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