CSP工艺及可靠性研究

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摘要:

本文主要研究了细间距CSP （ChipScale Packages）器件的组装工艺以及可靠性，包括不同焊盘类型、undeRFill的应用以及焊球成份等几个因素。试验结果显示，设计的试验因子对可靠性均有一定程度的影响，其中所选择的underfill材料对锡铅共晶焊接情况下的可靠性有一定程度提高，但是对于混装情况下的可靠性却有一定降低

关键词:CSP、 underfill、板级可靠性0 引言

随着PCBA（Print Circuit Board Assembled）组装密度的日益提高，密间距CSP器件及其应用得到了持续发展，0.8、0.5甚至0.4 mm引脚间距的CSP器件在产品上的应用也越来越多，但是也由于焊球尺寸的持续减小带来了其组装以及可靠性方面的风险，在一些可靠性要求较高的产品上就尤其值得注意。

本文主要研究了几种业界最常用类型的0.4 mm引脚间距CSP器件的组装及可靠性，考虑到出线设计的局限性，分别设计采用SMD（Solder Mask Define）、NSMD（Non Solder Mask Define）焊盘，并对有铅和无铅器件均采用锡铅锡膏组装，并在此基础上分析对比了一种可返修的underfill材料的可靠性表现。

1 试验设计

1.1 试验板设计

试验板设计如图1所示，板上分别设计有0.4和0.5CSP，单板尺寸为440 mm x 360 mm x 2 mm ，采用FR4 材料和OSP表面处理。

Figure 1. 试验板设计，绿色框中为0.4CSP器件

试验板上设计了SMD和NSMD的两种焊盘尺寸，分别见图2所示，焊盘之间的走线互联主要采用dog-bone 通孔以及盘中孔的形式。

+ U+ L5 r* ?4 r6 X$ K7 R" l+ MFigure2 0.4CSP焊盘设计

1.2 器件选择

选择的器件如表1所示，其尺寸封装形式以及焊球成份等有所不同，所有器件均为带有菊花链的假件，分别来自Amkor和高通公司。

Table1 0.4 mm CSP器件选择.

1.3 组装工艺

钢网采用4 mil厚的激光切割+电抛光工艺，开口为10mil方形，试验采用的为Indium 3号粉锡铅共晶锡膏，印刷试验过程中注意试验钢网的清洗以保证有效的一致性，由于试验板采用有铅锡膏组装无铅器件，回流参数按照混装要求，回流温度如图3所示；

Figure3. 回流曲线

1.4 UNDERFILL

本文采用Emerson &Cuming E1159的可返修underill材料，采用AsymtekCentury 720进行底部灌胶，采用软件计算[1]和人工目检的方法确定器件获得足够的underfill胶量。

2 试验结果分析

2.1 组装试验结果及分析

试验后所有器件均进行Xray和电性能测试以确保是否连锡和开路，在本文设计的试验方案中出现的缺陷主要我为连锡，实验组装的器件数目和缺陷情况如表2所示，通过数据分析发现，影响缺陷最显著的因子为焊盘的类型，其中SMD型焊盘更易产生连锡缺陷，分析认为，SMD之所以产生更多的缺陷可能是由于阻焊定义的焊盘导致在印锡时更多的锡膏体积，同时焊料可铺展空间的减小进一步增加了连锡的风险。

Table2 组装试验结果

2.2可靠性试验结果及分析

试验板采用IPC标准的0/100℃可靠性试验参数进行ATC试验，如图4所示，采用event detector进行通断的检测，对于电阻大于300欧姆的器件视为失效，本文所用的可靠性试验数据均为检测到开路的循环数，采用weibull曲线进行试验结果分析。

Figure 4 温循试验参数 IPC-9701

2.2.1 Underfill对锡铅共晶焊接情况下的可靠性影响

对于A6 器件的可靠性数据进行分析见图5所示，其中有两个器件可靠性结果显示异常高，使得整个曲线并不符合weibull分布，所以实际分析中去除了两个样本的结果，图中绿线红绿线分别为A6 器件添加和不添加Underfill材料的试验结果，从图中可明显看出，对于A6 器件的ATC特征寿命，underfill的添加几乎使其特征寿命增加了3.5倍。在其他类型的器件和0.5CSP中得到类似的试验结果。

Figure 5 有无Underfill对锡铅共晶焊点0/100 ℃ATC可靠性结果的影响

2.2.2 Underfill对混装焊接情况下的可靠性影响

对A2器件组装在10mil的NSMD焊盘上的试验结果进行分析见图6所示，在截至2300试验周期的情况下，添加 Undefill的16个器件中15个发生了失效，而未施加underfill材料的器件均未发生失效，试验结果明显显示试验中选择的underfill材料降低了混装焊点的可靠性。

Figure 6 有无Underfill对混装焊点0/100 ℃ATC可靠性结果的影响

对于另一个封装的器件A4 进行分析发现了类似的结果，试验结果见图7所示，对于WLCSP封装的器件，underfill降低了大约12%的特征寿命。.

Figure 7 有无Underfill对WLCSP混装焊点0/100 ℃ATC可靠性结果的影响

2.2.3焊盘类型的影响

对于器件A4和A7在添加underfill的情况下的两种类型焊盘的可靠性结果进行分析，结果见图8所示，组装在10milNSMD盘上的可靠性稍好于SMD情况，对于未施加underfill的器件来说，其结果也是类似的。

% N* r: U# J( F, b# D6 KFigure 8 SMD及NSMD焊盘设计对焊点0/100 ℃ ATC可靠性结果的影响

2.2.4不同焊点成份的器件可靠性差异

显而易见，焊点成份会显著影响焊点可靠性，在为添加underfill的情况下，在0/100℃的可靠性测试条件下一般来说混装焊点的ATC寿命会稍好于有铅情况，本研究也得出类似结果，如图9所示。

Figure 9 焊球成份对0/100℃ATC可靠性结果的影响—无underfill，A3锡铅，A4为混装

但是对于添加underfill情况下的可靠性进行分析，我们却得出截然相反的结论，锡铅共晶焊接情况下的可靠性寿命远大于混装焊点，如图10所示，结合前面的分析，我们认为，主要是由于本研究中所选择的underfill材料可显著增强共晶焊点的可靠性却降低了混装焊点的可靠性。

. x" V7 d& O* F( rFigure 10 焊球成份对0/100℃ATC可靠性结果的影响—underfill，A6锡铅，A7为混装

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我就知道温度高低以及作用时间会直接影响