3. 有限元法數(shù)值分析

本文重點(diǎn)介紹扇入型封裝配置。需要說(shuō)明地是，某些分析結(jié)果同樣適用于扇出型封裝解決方案（例如，焊球附近結(jié)構(gòu)）。

數(shù)值模型

我們使用Ansys的商用軟件進(jìn)行了有限元法分析。第一步是創(chuàng)建一個(gè)3D封裝模型，以了解WLP封裝的應(yīng)力分布區(qū)域。我們探討了焊球附近和裸片邊緣附件的應(yīng)力分布情況。出于對(duì)稱(chēng)性考慮，只描述封裝的四分之一（圖6）。

圖6：有限元法3D扇入型封裝模型 ［A］ 獨(dú)立封裝 ［B］ 組裝好的封裝

第二步是簡(jiǎn)化BEoL層和聚合物層的建模，用一個(gè)20D模型進(jìn)一步探討各層之間的相互作用（圖7）。這個(gè)棧包括四個(gè)頂層共行覆膜的金屬層和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的密封環(huán)結(jié)構(gòu)。為避免數(shù)值錯(cuò)誤，所有配置均保持網(wǎng)格不變，并根據(jù)結(jié)果分析材料性質(zhì)。

圖7：有限元法2D模型包括標(biāo)準(zhǔn)密封環(huán)和聚合物層末端

我們對(duì)兩個(gè)模型都施加了225°C至25°C的熱負(fù)載，模擬回流焊工序，并做了一個(gè)線(xiàn)彈性分析。

我們可以考慮獨(dú)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(yīng)力如圖8所示。在這樣一個(gè)配置中，因?yàn)楹盖蚝屯鈬骷臒崤蛎浵禂?shù)失匹，每個(gè)焊接區(qū)都會(huì)發(fā)生類(lèi)似的應(yīng)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(yīng)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(qū)的S1 應(yīng)力分量（MPa） - 獨(dú)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(yīng)力區(qū)域特性接近在標(biāo)準(zhǔn)倒裝片配置上觀察到的應(yīng)力區(qū)域［10］。在最外層焊球區(qū)域觀察到應(yīng)力最大值，因?yàn)樽钔鈱雍盖虻街行渣c(diǎn)（DNP）（即封裝中心）的距離最遠(yuǎn)（圖9）。我們還觀察到，焊球下面的應(yīng)力分布受焊球至封裝中心的相對(duì)位置的影響。因此，壓縮力和拉伸力區(qū)域方向隨焊球位置不同而變化。

圖9：BEoL區(qū)的SZ 應(yīng)力分量（MPa） - 組裝到主板上的封裝 （頂視圖）

與獨(dú)立封裝相比，已焊接的焊球使焊盤(pán)受到更大的應(yīng)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(yīng)力都會(huì)保持不變。

聚合物層

聚合物邊緣可選用兩種設(shè)計(jì)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(jī)械學(xué)角度評(píng)測(cè)兩個(gè)配置，在BEoL區(qū)域內(nèi)，沿裸片對(duì)角線(xiàn)提取應(yīng)力值（圖10）。因?yàn)殛P(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(qū)能夠觀察到焊球的影響（見(jiàn)圖中的反復(fù)出現(xiàn)的圖形）。此外，正如我們所預(yù)想的，在聚合物邊緣發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力最大值，不過(guò)，應(yīng)力的影響只限于這個(gè)區(qū)域。有限元分析顯示，與錐體沉積法相比，直接沉積法的應(yīng)力更高，這是因?yàn)榍罢哌吘壧幘酆衔锖穸容^大。兩種沉積方法導(dǎo)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(yīng)力分布圖［B］ BEoL棧周?chē)鷳?yīng)力變化（見(jiàn)應(yīng)力提取通道圖［A］上的灰箭頭） （獨(dú)立封裝配置）

在決定了邊緣設(shè)計(jì)方法后，我們需要確定在BEoL棧上發(fā)生較低應(yīng)力的準(zhǔn)確位置。為此，我們測(cè)試了各種位置：平坦區(qū)（圖11 #1， #4）、密封環(huán)（圖11 #6）上方、鈍化拓?fù)涞撞坎煌恢茫▓D11 #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(yīng)力變化。在SiN鈍化層內(nèi)提取拉伸應(yīng)力Sy。不同配置間的應(yīng)力差異主要出現(xiàn)在聚合物邊緣。

鑒于聚合物末端在BEoL棧上產(chǎn)生拉伸性負(fù)載，確定選項(xiàng)#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(jié)構(gòu)差異，關(guān)注點(diǎn)放在鈍化層應(yīng)力上。

不出所料，發(fā)現(xiàn)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(yīng)力;第二類(lèi)（#1， #4 & #6）是聚合物層末端在一個(gè)平坦面上，這里觀察到最小應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(xiǎn)并未視為一種失效模式?；谶@些結(jié)果和過(guò)程可變因素，將邊緣置于較大的平坦區(qū)域是比較安全的，這對(duì)應(yīng)配置#4。

鈍化性質(zhì)

聚合物層邊緣、暴露于空氣中的結(jié)構(gòu)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(qū)域。開(kāi)發(fā)人員可以從厚度和殘余應(yīng)力角度探討最佳設(shè)計(jì)。因?yàn)槲覀兏櫟氖ь?lèi)型是機(jī)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(cè)試了不同厚度與殘余應(yīng)力的相對(duì)變化，見(jiàn)表1.

表1.探討過(guò)的參數(shù)表

圖12：［A］SiN厚度的影響［B］SiN殘余應(yīng)力的影響

應(yīng)力是從聚合物層下面的SiN層提取的（圖12）。測(cè)試結(jié)果顯示，SiN越厚，應(yīng)力越小。還應(yīng)記住，如果厚度較大，真層拓?fù)淇赡軙?huì)更平滑，奇點(diǎn)更少，因此，可降低失效風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于殘余應(yīng)力影響，根據(jù)最初假定值，最終應(yīng)力被遷移。因此，通過(guò)降低殘余應(yīng)力，降低了最終應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)學(xué)值。不過(guò)，增加厚度方法不能隨意修改，還要記住對(duì)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(jié)論

本文概述了WLCSP晶圓級(jí)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(cè)試期間發(fā)生的不同的熱機(jī)械失效。裸片邊緣帶和焊球四周是高度敏感區(qū)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(jié)構(gòu)，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(jī)械特性。研究發(fā)現(xiàn)，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(yàn)發(fā)現(xiàn)，終止在平坦區(qū)域的錐體沉積法可降低在BEoL鈍化層發(fā)生的應(yīng)力。最后，我們研究了SiN厚度及殘余應(yīng)力的影響，并建議提高SiN層厚度，以降低殘余應(yīng)力。

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