SiP失效模式和失效机理
时间：2021-07-18 00:56:29
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[导读]SiP组件的失效模式主要表现为硅通孔（TSV）失效、裸芯片叠层封装失效、堆叠封装（PoP）结构失效、芯片倒装焊失效等，这些SiP的高密度封装结构失效是导致SiP产品性能失效的重要原因。
SiP组件的失效模式主要表现为硅通孔（TSV）失效、裸芯片叠层封装失效、堆叠封装（PoP）结构失效、芯片倒装焊失效等，这些SiP的高密度封装结构失效是导致SiP产品性能失效的重要原因。
图1 采用TSV通孔互连的堆叠芯片封装结构
1．TSV凸起
TSV凸起，即出现在TSV表面的突出物，TSV表面的凸起示意图如图2所示，由于TSV凸起会损伤晶圆，对芯片堆叠结构的电互连构成潜在的风险。凸起的工艺缺陷原因在于，硅片通孔Cu电镀之后，晶片表面多余的Cu需要通过化学机械研磨去除并进行退火处理，退火前后温差较大，Cu与Si之间的热膨胀系数（CTE）失配，引起TSV内部电镀Cu材料产生较大的应力，而电镀Cu又受到周围Si衬底材料的约束，为了释放内部应力，电镀Cu只能垂直向外扩张，从而形成凸起。凸起缺陷产生于退火工艺，不同的退火条件对凸起的影响差异很大，退火温度越高，凸起越明显。另外，退火时间和TSV直径、深度、间距等参数对凸起的形成也起到一定的作用。
图2 TSV表面的凸起示意图
2．TSV填充空洞
TSV填充空洞缺陷，如图3所示。TSV填充空洞产生在TSV通孔填充结构中，将导致TSV互连电阻增加，甚至导致SiP组件开路失效，如果空洞产生在绝缘层内，如TSV的侧壁，将导致TSV和硅衬底间短路，产生漏电流。这种因填充不完全导致的空洞，是TSV工艺缺陷最普遍的问题。其主要原因在于，电镀时TSV通孔底部存在气泡，在TSV电镀Cu过程中，Cu填充过程是由侧壁向中间进行的，而Cu的沉积速率随电镀电流密度的增大而加快，由于TSV通孔口处的电镀电流密度较大，使得通孔口处的Cu比中间更早填充满，导致TSV通孔底部因不能继续填充而产生空洞，可以利用真空预处理显著改善TSV电镀效果。使Cu填充率接近100%。另外，刻蚀工艺产生的贝壳效应导致孔壁不平整、润湿不良，也是形成TSV填充空洞的一个关键因素。
图3 TSV填充空洞缺陷
3．TSV开裂分层
TSV填充材料和其他高温工艺的作用，还可能产生另一类高发缺陷—开裂分层。由于填充金属Cu、Si衬底和绝缘层SiO2之间的热膨胀系数不匹配，制造封装过程中的TSV内部将产生显著的热机械应力。在热机械应力的作用下，TSV微凸点将有可能发生开裂，凸点与通孔、焊盘之间有可能分层。微凸点是TSV互连的组成部分，实现上下堆叠层的电连接，微凸点的开裂缺陷引起凸点电阻增加，影响器件的电性能。
当TSV结构合理时，Cu区产生的应力很小，不会引起失效。然而这些应力的叠加与TSV的工艺缺陷结合极有可能产生失效，如瞬间界面分层、微凸点开裂和TSV开裂等。
二、芯片堆叠失效模式和机理
SiP组件的芯片叠层结构，大部分采用引线键合方式和引线键合/倒装焊混合的方式互连。叠层芯片封装的失效通常包括芯片开裂、分层、键合失效（开路或短路），以及其他与工艺相关的缺陷。
1．芯片开裂
造成叠层芯片开裂的原因主要有两个：一是过大的机械应力造成芯片开裂；二是温变应力和热失配，由于芯片和与其接触材料之间的热膨胀系数不匹配，在回流焊等温度变化大的情况下热膨胀程度不一样，在接触面会产生剪切应力和张应力，芯片有微小裂纹的地方受到应力作用极易开裂。
2．分层
分层可能出现在芯片与引线框、芯片与焊点、引线框与塑封料、芯片与塑封料、焊点与基板等位置。引起分层的原因有热机械失配、机械负载、体积收缩或膨胀、内部压力、界面反应（如氧化、潮湿、污染等）引起的黏胶剂脱落。
3．键合失效
键合失效表现主要为键合点开路和键合丝断。造成键合点开路的可能原因有金铝化合物失效、键合工艺不良、热疲劳开裂、腐蚀等。键合丝断的原因主要是大电流熔断和机械应力。
4．工艺缺陷
晶片减薄工艺造成的缺陷主要是粗糙与翘曲问题。减薄的晶圆厚度低，易断裂，并且因背面研磨常使芯片表面凹凸不平，容易在局部产生较大应力，晶圆划片的主要问题是崩裂、背崩现象。由于晶圆很薄、很脆，背崩就可能延伸到晶圆正面，发生崩裂；如果崩裂程度轻微，不易被发现，可能会在后期影响器件的可靠性。叠层芯片封装潜在的可靠性问题：因布局结构带来叠层芯片的受力不均；堆叠对准精度差，影响导电等性能；模塑封装工序使用的材料不当将会引入热失配、气密不佳和散热差等诸多问题。
三、 PoP封装堆叠失效模式和机理
堆叠封装（PoP）又称为封装堆叠，是指在底部带封装的元器件上面再叠放一个带封装的元器件，例如，逻辑模块 存储模块，这种叠层通常在2～4层，存储型PoP可达到8层，SiP组件存储芯片封装和逻辑芯片封装的PoP结构如图4所示。
SiP组件中PoP封装结构的失效模式，主要有翘曲、焊点失效、下填充胶分层开裂、工艺缺陷。
1．翘曲
PoP面临的最严重的可靠性问题是翘曲，封装体由于受力不平衡引起弯曲变形。翘曲是因为材料间的热膨胀系数不匹配，再加上黏着力的限制，在外界温度变化的影响下，封装材料间应释放因温度影响而产生的内应力，故而通过翘曲变形来消除内应力。基板和芯片之间的热膨胀系数失配是产生翘曲变形的主要原因，常发生于温度变化大的回流焊工艺。翘曲分为正变形和负变形，向上凸为正变形，向下凹为负变形，PoP翘曲形状如图5所示。
图5 PoP翘曲形状
2．焊点失效
PoP焊点常见的工艺缺陷有空洞、开裂、未对准、桥连、枕头效应、间距问题等。当上下两个封装体进行堆叠时，顶层封装体的下表面焊点和底层封装体的上表面焊点进行融合，可能出现上下焊点没有完全融合的枕头效应，PoP焊点枕头效应微观形貌如图6所示。
图6 PoP焊点枕头效应微观形貌
如果底层芯片使用倒装焊连接，由于芯片和基板之间的热膨胀系数不一致，在热循环作用下，芯片和基板收缩和扩张的程度不同，焊点将承受周期性剪切应力从而引起焊点变形和蠕变失效，最终导致焊点开裂。
3．下填充胶分层开裂
由于塑性基板与芯片的膨胀系数相差比较大，两者在温变大的情况下将对焊点产生剪切应力。为了减小焊点承受的剪切应力，通常在缝隙之间会加入填充胶，而填充胶在热循环应力的频繁作用下会发生分层开裂。
4．工艺缺陷
在PoP焊接过程中可能出现的缺陷有底部元器件短路，可能的原因有锡膏印刷、贴装压力、元件受热变形；顶部元器件电气开路，可能的原因有元件受热变形、焊球高度差异、润湿不良、底部元件模塑过厚、回流温度过高；顶部元器件电气短路，可能的原因有助焊剂过多、热变形、贴装精度差等。
一、TSV失效模式和机理
TSV是SiP组件中一种系统级架构的新的高密度内部互连方式，采用TSV通孔互连的堆叠芯片封装结构，如图1所示。TSV的工艺缺陷是导致其通孔互连失效的主要原因，有关TSV的工艺缺陷主要有以下3种模式。图1 采用TSV通孔互连的堆叠芯片封装结构
1．TSV凸起
TSV凸起，即出现在TSV表面的突出物，TSV表面的凸起示意图如图2所示，由于TSV凸起会损伤晶圆，对芯片堆叠结构的电互连构成潜在的风险。凸起的工艺缺陷原因在于，硅片通孔Cu电镀之后，晶片表面多余的Cu需要通过化学机械研磨去除并进行退火处理，退火前后温差较大，Cu与Si之间的热膨胀系数（CTE）失配，引起TSV内部电镀Cu材料产生较大的应力，而电镀Cu又受到周围Si衬底材料的约束，为了释放内部应力，电镀Cu只能垂直向外扩张，从而形成凸起。凸起缺陷产生于退火工艺，不同的退火条件对凸起的影响差异很大，退火温度越高，凸起越明显。另外，退火时间和TSV直径、深度、间距等参数对凸起的形成也起到一定的作用。
图2 TSV表面的凸起示意图
2．TSV填充空洞
TSV填充空洞缺陷，如图3所示。TSV填充空洞产生在TSV通孔填充结构中，将导致TSV互连电阻增加，甚至导致SiP组件开路失效，如果空洞产生在绝缘层内，如TSV的侧壁，将导致TSV和硅衬底间短路，产生漏电流。这种因填充不完全导致的空洞，是TSV工艺缺陷最普遍的问题。其主要原因在于，电镀时TSV通孔底部存在气泡，在TSV电镀Cu过程中，Cu填充过程是由侧壁向中间进行的，而Cu的沉积速率随电镀电流密度的增大而加快，由于TSV通孔口处的电镀电流密度较大，使得通孔口处的Cu比中间更早填充满，导致TSV通孔底部因不能继续填充而产生空洞，可以利用真空预处理显著改善TSV电镀效果。使Cu填充率接近100%。另外，刻蚀工艺产生的贝壳效应导致孔壁不平整、润湿不良，也是形成TSV填充空洞的一个关键因素。
图3 TSV填充空洞缺陷
3．TSV开裂分层
TSV填充材料和其他高温工艺的作用，还可能产生另一类高发缺陷—开裂分层。由于填充金属Cu、Si衬底和绝缘层SiO2之间的热膨胀系数不匹配，制造封装过程中的TSV内部将产生显著的热机械应力。在热机械应力的作用下，TSV微凸点将有可能发生开裂，凸点与通孔、焊盘之间有可能分层。微凸点是TSV互连的组成部分，实现上下堆叠层的电连接，微凸点的开裂缺陷引起凸点电阻增加，影响器件的电性能。
当TSV结构合理时，Cu区产生的应力很小，不会引起失效。然而这些应力的叠加与TSV的工艺缺陷结合极有可能产生失效，如瞬间界面分层、微凸点开裂和TSV开裂等。
二、芯片堆叠失效模式和机理
SiP组件的芯片叠层结构，大部分采用引线键合方式和引线键合/倒装焊混合的方式互连。叠层芯片封装的失效通常包括芯片开裂、分层、键合失效（开路或短路），以及其他与工艺相关的缺陷。
1．芯片开裂
造成叠层芯片开裂的原因主要有两个：一是过大的机械应力造成芯片开裂；二是温变应力和热失配，由于芯片和与其接触材料之间的热膨胀系数不匹配，在回流焊等温度变化大的情况下热膨胀程度不一样，在接触面会产生剪切应力和张应力，芯片有微小裂纹的地方受到应力作用极易开裂。
2．分层
分层可能出现在芯片与引线框、芯片与焊点、引线框与塑封料、芯片与塑封料、焊点与基板等位置。引起分层的原因有热机械失配、机械负载、体积收缩或膨胀、内部压力、界面反应（如氧化、潮湿、污染等）引起的黏胶剂脱落。
3．键合失效
键合失效表现主要为键合点开路和键合丝断。造成键合点开路的可能原因有金铝化合物失效、键合工艺不良、热疲劳开裂、腐蚀等。键合丝断的原因主要是大电流熔断和机械应力。
4．工艺缺陷
晶片减薄工艺造成的缺陷主要是粗糙与翘曲问题。减薄的晶圆厚度低，易断裂，并且因背面研磨常使芯片表面凹凸不平，容易在局部产生较大应力，晶圆划片的主要问题是崩裂、背崩现象。由于晶圆很薄、很脆，背崩就可能延伸到晶圆正面，发生崩裂；如果崩裂程度轻微，不易被发现，可能会在后期影响器件的可靠性。叠层芯片封装潜在的可靠性问题：因布局结构带来叠层芯片的受力不均；堆叠对准精度差，影响导电等性能；模塑封装工序使用的材料不当将会引入热失配、气密不佳和散热差等诸多问题。
三、 PoP封装堆叠失效模式和机理
堆叠封装（PoP）又称为封装堆叠，是指在底部带封装的元器件上面再叠放一个带封装的元器件，例如，逻辑模块 存储模块，这种叠层通常在2～4层，存储型PoP可达到8层，SiP组件存储芯片封装和逻辑芯片封装的PoP结构如图4所示。
SiP组件中PoP封装结构的失效模式，主要有翘曲、焊点失效、下填充胶分层开裂、工艺缺陷。
1．翘曲
PoP面临的最严重的可靠性问题是翘曲，封装体由于受力不平衡引起弯曲变形。翘曲是因为材料间的热膨胀系数不匹配，再加上黏着力的限制，在外界温度变化的影响下，封装材料间应释放因温度影响而产生的内应力，故而通过翘曲变形来消除内应力。基板和芯片之间的热膨胀系数失配是产生翘曲变形的主要原因，常发生于温度变化大的回流焊工艺。翘曲分为正变形和负变形，向上凸为正变形，向下凹为负变形，PoP翘曲形状如图5所示。
图5 PoP翘曲形状
2．焊点失效
PoP焊点常见的工艺缺陷有空洞、开裂、未对准、桥连、枕头效应、间距问题等。当上下两个封装体进行堆叠时，顶层封装体的下表面焊点和底层封装体的上表面焊点进行融合，可能出现上下焊点没有完全融合的枕头效应，PoP焊点枕头效应微观形貌如图6所示。
图6 PoP焊点枕头效应微观形貌
如果底层芯片使用倒装焊连接，由于芯片和基板之间的热膨胀系数不一致，在热循环作用下，芯片和基板收缩和扩张的程度不同，焊点将承受周期性剪切应力从而引起焊点变形和蠕变失效，最终导致焊点开裂。
3．下填充胶分层开裂
由于塑性基板与芯片的膨胀系数相差比较大，两者在温变大的情况下将对焊点产生剪切应力。为了减小焊点承受的剪切应力，通常在缝隙之间会加入填充胶，而填充胶在热循环应力的频繁作用下会发生分层开裂。
4．工艺缺陷
在PoP焊接过程中可能出现的缺陷有底部元器件短路，可能的原因有锡膏印刷、贴装压力、元件受热变形；顶部元器件电气开路，可能的原因有元件受热变形、焊球高度差异、润湿不良、底部元件模塑过厚、回流温度过高；顶部元器件电气短路，可能的原因有助焊剂过多、热变形、贴装精度差等。
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