CSP装配的可靠性研究

1、CSP 装配的可靠性本文对三三种芯片片规模包包装及其其装配的的可靠性性进行比比较。板面焊接接点可靠靠性信息息的获得得对于芯芯片规模模包装(CSPP, cchipp-sccalee baackaage)的广泛泛实施是是关键的的。本文文比较三三个不同同的CSSP概念念及其装装配的可可靠性。另外，将使用用一个修修饰的CCofffin-Mannsonn关系，对一个个专门的的温度循循环范围围，设计计出有关关几种低低输入/输出(I/OO)包装装的焊接接点可靠靠性的循循环数据据文献。由喷气气推进实实验室(JPLL, JJet Proopullsioon LLaboorattoryy, PPasaadenna

2、, CA)组织了了一个微微型BGGA协会会，来探探讨有关关包装类类型、II/O数数、PWWB材料料与类型型和制造造变量对对品质和和电路板板可靠性性的相互互作用的的技术问问题。这这里呈现现给大家家的是来来自这个个课题的的最新结结果。小型化的的趋势通孔孔(thhrouugh-holle)和和表面贴贴装(ssurffacee-moountt)集成成电路(IC)包装的的预计用用量根据据市场的的来源有有很大的的不同。来自BBPA, UKK的一项项计划如如图一所所示。几几个趋势势是明显显的。双排排引脚包包装(DDIP, duual in-linne ppackkagee)预计计用量上上减少最最多，从从19

3、996年的的1600亿在十十年内减减少到大大约500亿，或或者每年年减少110亿。相反，表面贴贴装包装装的用量量，包括括PQFFP (plaastiic qquadd fllat pacck)，预计在在下一个个十年内内会增加加。预计计在五年年内增加加701800亿，并并且在另另外的五五年内几几乎是稳稳定水平平，只增增加200亿。在在十年内内，COOB(cchipp onn booardd)预计计从500亿增加加到1330亿，图一中中未显示示出。CSSP和倒倒装芯片片(fllip-chiip)包包装的用用量上的的增加是是相同的的。预计计在20006年年达到660亿。相反，在相同同十年里里BGAA

4、的增加加预计是是最小的的，达到到只有115亿的的总用量量。对BBGA的的预计表表明也许许这些包包装只是是一个踏踏步石，工业将将更广泛泛地接受受倒装芯芯片(fflipp chhip)和芯片片规模包包装(CCSP)，因为为它们更更好地满满足小型型化应用用的要求求。为什么采采用芯片片规模包包装(CCSP)？CSPP的出现现提供裸裸芯片(barre ddie)与倒装装芯片(fliip cchipp)的性性能与小小型的优优势，具具有标准准芯片包包装的优优点。CCSP设设计成比比芯片模模(diie)面面积或周周长大 1.221.5 倍倍的包装装。图二二说明CCSP的的两个概概念，包包括具有有1)柔柔性或刚

5、刚性内插插器和22)圆片片级(wwafeer-lleveel)成成型与装装配再分分布的两两种包装装。包装达到到如下的的目的： 为回流焊焊接装配配工艺提提供与印印刷线路路板(PPWB)焊盘冶冶金兼容容的锡球球和引脚脚。 重新把芯芯片模(diee)紧密密的间距距分配成成在PWWB制造造规范之之内的间间距水平平。 由于小尺尺寸，不不允许重重大的重重新分配配；现在在的低成成本PWWB制造造限制了了该技术术的全面面采用，特别是是高输入入输出(I/OO)数。 防止芯片片模的物物理和阿阿尔发射射线(aalphha rradiiatiion)损坏，提供散散热的载载体。 使芯片模模功能测测试容易易。 微型BGG

6、A的自自我对中中(Seelf-Aliignmmentt)如图三三所示，用输入入输出(I/OO)的可可扩展性性和制造造的坚固固性，CCSP可可分类成成栅格阵阵列和引引脚型(无引脚脚型)。列出了了每个类类型的主主要优点点/缺点点。密间间距(ffinee piitchh)栅格格阵列可可接纳更更高的引引脚数，与BGGA类似似，它们们具有自自我对中中特性。对BGGA，包包装贴装装要求的的放松已已经广泛泛地认为为与传统统的表面面贴装包包装比较较减少了了焊接点点的缺陷陷。影响自自我对中中的主要要因素是是熔化的的焊锡表表面张力力，它提提供在包包装上到到焊盘的的拉力。反作用用力是包包装的重重量。对对PBGGA，

7、从从共晶锡锡球产生生的拉力力大于来来自陶瓷瓷BGAA(CBBGA)的部分分熔化焊焊接点或或者传统统包装的的锡膏熔熔化的力力。因此此，PBBGA具具有更好好的自我我对中。BGAA锡球分分布的对对称性进进一步允允许对BBGA的的X和YY和旋转转位移。对对于栅格格式CSSP，熔熔化的表表面张力力比BGGA小得得多，因因为它们们具有较较低的锡锡球量。这个较较小的表表面张力力，配合合CSPP较密的的间距，可能阻阻碍自我我对中表表现，特特别对于于重的包包装。CCSP可可能要求求比500-miil间距距的BGGA更紧紧的贴装装精度。 栅格CSSP显示示有自我我对中，但是在在最好的的偏移限限制上存存在不和和谐

8、： 对于466个I/O的栅栅格CSSP，只只有255%的偏偏移是可可接受的的。可接接受的偏偏移对于于PBGGA是662%，对于CCBGAA是500%。Norreikka, Surrfacce MMounnt IInteernaatioonall(SMMI), 19997 另一个研研究者报报告一个个80%的偏移移。(PPatrridgge, SMII 19997) 据说在116,1100个个焊接点点中只有有两个锡锡桥，是是由于外外来材料料，没有有来自贴贴装不准准确的缺缺陷。该该试验是是一个定定性研究究，其中中3000个466 I/O的CCSP是是手放的的，回流流；然后后刻画焊焊点缺陷陷(Baau

9、err, eet aal, SMII 19997)。 在装配有有44 I/OO的CSSP包装装的2000个装装配中，只检查查到两个个焊接点点短路(Hunnterr, aat aal, CHIIPCOON 119988)。 当JPLL领导的的微型BBGA协协会装配配30个个试验载载体(每每个载体体都有四四个466 I/O的CCSP)时，没没有观察察到缺陷陷。 当八个具具有1660 II/O的的CSPP有0.2mmm的偏移移时，没没有观察察到缺陷陷。这个个是针对对0.44500.233 mmm直径的的焊盘布布局(IIMAPPS, 19997, p.2256)。 微电子装装配的可可靠性在包包装附着着

10、中一个个主要的的损坏根根源是改改变系统统温度。当系统统没有使使用时就就关闭电电源造成成更多的的循环。以前，电子硬硬件通常常长期地地保持有有点，其其结果是是相对少少的温度度循环，引起对对由温度度循环影影响的焊焊接点的的关注。对焊接接点的损损坏最通通常是由由下面因因素引起起的：包装与板板之间总总的温度度膨胀系系数(CCTE, cooeffficiientt off thhermmal exppanssionn)不匹匹配，引引起应力力。包装装和板也也可能在在厚度上上和表面面积上有有温度梯梯度。 在元件与与PWBB焊锡附附着之间间的局部部的CTTE不匹匹配。 减少少元件与与PWBB的CTTE不匹匹配可

11、减减少循环环损坏，但是理理想的条条件决定定于元件件、PWWB和焊焊锡的温温度条件件。具有有比元件件的CTTE稍微微较高的的、CTTE经过过修整的的PWBB材料可可能是理理想的，因为，通常，总的CCTE不不匹配占占上风，有热源源芯片模模的元件件比PWWB较热热。还有其其它方法法用来减减少对焊焊接点的的损坏。底部充充胶(uundeerfiill)的应用用是一个个常见的的技术，广泛用用于板上上芯片的的直接附附着或者者当包装装的引脚脚不牢固固时。其其它不太太传统的的方法目目的是要要在包装装内吸收收芯片模模(diie)与与板之间间的CTTE不匹匹配，或或者外部部地通过过应力吸吸收机构构，减少少焊锡连连接

12、上的的应力。这些方方法可能能引起它它们本身身独特的的损坏，因为最最脆弱的的连接现现在从焊焊锡转移移到附着着系统的的其它区区域。CSP装装配的可可靠性表一一分类了了三个级级别包装装的装配配可靠性性。它包包括对柔柔性或刚刚性内插插件(iinteerpooserr)的包包装和圆圆片级包包装(wwafeer-lleveel)的的可靠性性试验数数据。其其失效机机制的循循环条件件方面总总结如下下。表一、CSP装配可靠性的数据包装类型简图(不按比例) 循环条件总循环数失效/样品I/O数参考(说明)-196160C-65150C-65150C-55125C-55125C5.8周期/小时/p>

13、0001000无充胶*500600 0/30/460/784/78*0/781/83/8 1881884640 DiStefano, T., Fjelstad, J. (1996, April). Chip-scale packaging meets future design needs. Solid State Technology.Greathouse, S. (Feb. 1997). Chip-scale package solutions-The pros and cons. Proceedings of Second International Conference on Chip

14、-Scale Packaging. CHIPCON 97.*4/78 right after 1,000 cycles in leadLall, P. (May 1998). Assembly level reliability characterization of chip-scale packages. 48th Electronic Component & Technology Conference.*Internal TAB failure.0100C(温度冲击) 2000充胶900*无充胶PWB1.6mm NA220Ianzone, R. (Feb. 1997). Ceramic

15、CSP: A low cost, adptive interconnect, high density technology. Proceedings of Second International Conference on Chip-Scale Packaging, CHIPCON.*Private Communication 温度膨胀胀系数经经过吸收收的(CCTE-abssorbbed)CSPP表表一显示示了对于于一个CCTE不不匹配经经过释放放的包装装的温度度循环试试验结果果。该包包装使用用象ICC内部连连接一样样的TAAB(ttapee-auutommateed-bbondd)，一一

16、个有弹弹性的内内连器和和共晶锡锡球。这这个与TTAB内内连接的的弹性关关联的有有弹性的的内连器器减少芯芯片CCTE 233 pppm (parrts perr miilliion)/CC与PPWBFR-4的CCTE 4115 pppm/C之间的的温度膨膨胀差别别。这种种包装已已经显示示其可靠靠性和稳稳固性，无需底底部充胶胶。在表表一中的的温度循循环/冲冲击是针针对FRR-4上上的链型型包装，是从液液态氮温温度(-1966C)到热油油(1660CC)温度度范围内内进行的的。由于焊焊接点的的低应力力状态，没有观观察到焊焊接点的的疲劳失失效机制制，失效效转移到到具有高高不匹配配应力水水平的TTAB内

17、内连接的的脚跟部部分。当当使用柔柔软的金金引脚时时，发现现有重要要的改善善。在-65C1150C范围围内循环环高达22,0000次，金质的的没有显显示失效效。与在在极度低低温与高高温下装装配暴露露有关的的温度循循环屏蔽蔽试验结结果是不不现实的的，因此此，它们们的失效效机制可可能对现现场失效效(fiieldd faailuure)不具代代表性。由由于极度度高温暴暴露，一一个这种种失效是是接近玻玻璃态转转化温度度(Tgg)，或或者聚合合材料开开始变软软的温度度时， FR-4 的的扩孔和和变形。如果温温度变得得接近或或超过TTg，那那么PWWB材料料显示严严重的损损坏。在在-655C到到1500C温

18、温度循环环范围内内，FRR-4 电镀通通孔(tthrooughh-hoole)发现有有大量的的内孔爆爆裂失效效。表一也也包括来来自两个个用户的的最新结结果。失失效的循循环数比比这个包包装的供供应商提提供的少少得多。来自英英特尔(Inttel)19997年底底发表的的数据也也显示这这个包装装失效的的循环数数比来自自摩托罗罗拉19998年年五月发发表的较较高。前前一个研研究者被被认为是是有一个个受控的的元件包包装供应应商，而而后者的的包装来来自不同同的品排排。极度的CCTE不不匹配对一一个圆片片重新分分配(wwafeer-rrediistrribuutedd)包装装的装配配的温度度循环试试验结果果

19、在表一一中显示示。在这这个包装装中，一一个薄片片金属/聚合物物重新分分配锡球球在芯片片上的位位置，以以保证这这些与表表面贴装装脚印兼兼容。这这个包装装类型的的高度因因为从裸裸芯片的的金属聚聚合层厚厚度而增增加。这这个增加加的层通通常将不不吸收芯芯片与板板之间的的CTEE不匹配配，因此此，这个个包装的的装配可可靠性预预计与受受控塌落落芯片连连接(CC4, conntroolleed ccolllapsse cchipp coonneectiion)装配很很相似。没没有底部部充胶材材料，装装配好的的包装在在受到001000CC之间的的温度循循环时达达不到440个循循环就失失效。对对于这些些包装类类

20、型，底底部充胶胶通常要要求达到到装配可可靠性的的可接受受水平。经过底底部充胶胶的装配配循环达达到2,0000次都不不会失效效。刚性内连连器的陶陶瓷包装装非非圆片级级的陶瓷瓷包装在在没有底底部充胶胶时仍显显示合理理的装配配可靠性性。表一一包括在在FR-4上的的一个陶陶瓷包装装的温度度循环结结果。陶陶瓷CSSP使用用多层陶陶瓷(MMLC, muultiilayyer cerramiic)一一样的设设计规则则，温度度压缩和和金接线线球的一一级内连连接选择择，焊接接倒装芯芯片和引引线接合合。强度度、刚性性、共面面性和包包装的容容室是很很好的。在一个个0.66mm、低Tgg温度的的FR-4上的的包装装装

21、配在-40C1125C之间间大约6600个个温度循循环失效效。较厚厚的FRR-4预预计在暴暴露到1125C时显显示较好好的刚性性，对本本研究使使用了接接近低TTg的FFR-44聚合体体的温度度。表面贴装装，预计计CSPP可靠性性在在JPLL已经研研究了传传统表面面贴装包包装的可可靠性。28与与20脚脚的引脚脚芯片载载体(LLCC, leeadeed cchipp caarriier)和688脚翅型型(guull winng)装装配的循循环失效效试验数数据点及及其Weeibuull分分布在图图四中显显示。为为了比较较，也包包括了低低引脚数数的CSSP的预预计失效效循环次次数。图四四包括来来种图表

22、表：LCCC与翅翅型的分分布图和和CSPP的单数数据点。对于分分布图，选择从从Y轴的的累积百百分比(例如，50%)，然然后从XX轴找到到失效的的循环数数(例如如，对220脚的的LCCC大约7700次次循环)。对于于CSPP，Y轴轴没有值值，条的的高度代代表失效效的循环环数，其其值由XX轴定义义。例如如，Hiitacchi(Tessserra)440 DDRAMM装配数数据在-551000C循循环可达达将近220000次。可可是，由由其它公公布的新新数据显显示对于于来自不不同供应应商的包包装的循循环次数数低得多多，在该该条的顶顶部上的的箭头所所显示。对对于LCCC，从从-555C1000C的的温

23、度循循环有2246分分钟的持持续时间间。失效效分布百百分比是是使用一一个中间间值绘图图位置来来近似表表示，FFi = (ii-0.3)/(n+0.44)。双双参数WWeibbulll累积失失效分布布用来配配合该数数据。对于于CSPP，结果果是那些些从文献献收集和和从修整整的Cooffiin-MMansson关关系预计计的。多多数CSSP包装装的板的的可靠性性是可比比较的或或者比其其相应的的LCCC更好。可是，这些包包装不象象引脚包包装(包包括翅型型和J型型引脚)那么稳稳固。JJ型引脚脚的数据据在图四四中没有有显示，因为达达到30000次次循环都都没有焊焊接点失失效发生生。系统地评评估可靠靠性板

24、的可可靠性信信息对高高可靠性性应用的的CSPP实施是是必要的的。为了了帮助在在这些领领域建造造基础设设施，JJPL已已经成立立一个协协会，目目的是探探讨有关关包装类类型、II/O数数、PWWB材料料、表面面光洁度度和制造造参数对对装配包包装品质质与可靠靠性的相相互作用用的许多多技术问问题。该课课题的目目标是展展示CSSP内连连接的控控制、品品质和可可靠性，支持一一个产品品保证与与检查方方法开发发的，特特别是装装配级的的，工业业基础设设施的发发展。目目标包括括：最佳包装装类型构构造的特特征化 包装类型型、I/O与环环境依靠靠的可靠靠性特征征化 返工技术术 试验验设计方方法(DDOE, deesi

25、ggn oof eexpeerimmentt)用来来改进效效率。切切换的变变量包括括：包装装的I/O与构构造、PPWB材材料、制制造工艺艺过程和和环境条条件。检检查技术术用来决决定环境境暴露期期间损坏坏的进展展。失效效循环数数据使用用Weiibulll失效效分布和和预计寿寿命的CCofffin-Mannsonn关系来来分析。CSP实实施的挑挑战有关CCSP技技术实施施的各个个方面所所标记的的挑战可可作如下下总结：成熟性和和有效性性使使用与附附着可靠靠性评估估的CSSP的有有效性是是最具挑挑战性的的问题。对大范范围的CCSP有有许多的的论文存存在，但但是多数数包装是是在其发发展的早早期阶段段，缺

26、少少包装可可靠性数数据。多多数包装装只有原原型的形形式，但但是不包包装统一一的包装装特征或或可有生生产版本本的形式式存在。包装发发货比预预计时间间拖延是是正常的的事。缺少设计计指引标标准现在，没有CCSP各各元素的的指引和和标准。对于我我们的设设计，当当可得到到时，就就使用包包装供应应商开发发的指引引。否则则，只考考虑现有有的知识识和工程程判断。所选择择的包装装具有不不同的间间距、锡锡球量、锡球成成分和链链式布局局。在多多数情况况中，这这些布局局是无规规律的，设计需需要许多多时间和和努力，这对具具有较高高I/OO和许多多链式曲曲径的包包装尤其其麻烦。PWB材材料标准的的PWBB设计可可用于低低

27、I/OO的CSSP。试试验载体体包括了了几个这这类包装装，目的的是当使使用传统统的PWWB设计计时确认认装配的的可靠性性。较高高I/OO的有源源芯片包包装要求求使用集集结式(微型通通路孔mmicrroviia)电电路板技技术。可可是，为为了测试试的目的的，在标标准板上上设计高高I/OO链式包包装的可可能的。试验载载体的另另一个形形式包括括具有微微型通路路孔技术术的PWWB。应用选择了了许多II/O从从低到高高的包装装描述特特征。在在今后一一到三年年内，主主要的包包装将是是那些少少于500 I/O的，虽然特特殊的应应用要求求可利用用I/OO高得多多的包装装。预计计另一个个设计与与装配的的挑战是是

28、在一块块板上混混合有传传统表面面贴装包包装、直直接芯片片附着、BGAA和CSSP。试验载体体设计该协协会同意意集中在在CSPP技术的的以下几几个方面面：包装选择了了从引脚脚与无引引脚的到到微型BBGA的的许多包包装来作作评估。I/OO数的范范围从112到5540，以满足足短期与与长期的的应用。PWB材材料与制制造有树脂脂覆铜形形式的FFR-44和BTT(biismaaleiimidde ttrazzinee)两种种材料用用来评估估。使用用了标准准板和微微型通路路孔板两两种技术术。在链链式设计计中，标标准PWWB技术术不能用用于大多多数的包包装。表面最后后涂层至少少有三种种将考虑虑用作评评估：有

29、有机焊锡锡保护剂剂(OSSP, orgganiic ssoldder prootecctannt)、热空气气焊锡均均衡法(HASSL, hott aiir ssoldder levveliing)和金/镍涂层层。三种种锡膏将将要评估估：免洗洗(noo-clleann) 、水溶性性(waaterr soolubble)和温柔柔激化的的树脂(RMAA, rrosiin mmilddly acttivaatedd)。底部充胶胶(unnderrfilll)有底底部充胶胶要求的的包装将将在有和和没有充充胶的情情况下评评估，以以更好地地理解不不使用充充胶的可可靠性结结果。试验载体体特征试验验载体是是4.55x44.5，并且且分成四四个独立立的区。每个区区有四个个菊花链链，可以以在不影影响其它它区的菊菊花链的的情况下下切割作作失效分分析。环境测试试为为了将我我们的数数据与那那些为BBGA产产生的联联系起来来，将考考虑这些些条件：-3001000CC 和-551255C。还有，温度循循环将在在01100C之间间完成。将进行行机械振振动与冲冲击，理理论模型型将按需需要建立立。微型BGGA课题题的