1、CSP 裝裝配的可可靠性本文對三種種芯片規規模包裝裝及其裝裝配的可可靠性進進行比較較。板面焊接點點可靠性性信息的的獲得對對于芯片片規模包包裝(CCSP, chhip-scaale bacckagge)的的廣泛實實施是關關鍵的。本本文比較較三個不不同的CCSP概概念及其其裝配的的可靠性性。另外外，將使使用一個個修飾的的Cofffinn-Maansoon關系系，對一一個專門門的溫度度循環范范圍，設設計出有有關幾種種低輸入入/輸出出(I/O)包包裝的焊焊接點可可靠性的的循環數數據文獻獻。由噴噴氣推進進實驗室室(JPPL, Jett Prropuulsiion Labboraatorry, Passa

2、deena, CAA)組織織了一個個微型BBGA協協會，來來探討有有關包裝裝類型、II/O數數、PWWB材料料與類型型和制造造變量對對品質和和電路板板可靠性性的相互互作用的的技術問問題。這這里呈現現給大家家的是來來自這個個課題的的最新結結果。小型化的趨趨勢通孔(thrrouggh-hholee)和表表面貼裝裝(suurfaace-mouunt)集成電電路(IIC)包包裝的預預計用量量根據市市場的來來源有很很大的不不同。來來自BPPA, UK的的一項計計劃如圖圖一所示示。幾個個趨勢是是明顯的的。雙排引引腳包裝裝(DIIP, duaal iin-llinee paackaage)預計用用量上減減少

3、最多多，從119966年的1160億億在十年年內減少少到大約約50億億，或者者每年減減少100億。相相反，表表面貼裝裝包裝的的用量，包包括PQQFP (pllasttic quaad fflatt paack)，預計計在下一一個十年年內會增增加。預預計在五五年內增增加7001880億，并并且在另另外的五五年內幾幾乎是穩穩定水平平，只增增加200億。在在十年內內，COOB(cchipp onn booardd)預計計從500億增加加到1330億，圖圖一中未未顯示出出。CSPP和倒裝裝芯片(fliip-cchipp)包裝裝的用量量上的增增加是相相同的。預預計在220066年達到到60億億。相反反，

4、在相相同十年年里BGGA的增增加預計計是最小小的，達達到只有有15億億的總用用量。對對BGAA的預計計表明也也許這些些包裝只只是一個個踏步石石，工業業將更廣廣泛地接接受倒裝裝芯片(fliip cchipp)和芯芯片規模模包裝(CSPP)，因因為它們們更好地地滿足小小型化應應用的要要求。為什么采用用芯片規規模包裝裝(CSSP)？CCSP的的出現提提供裸芯芯片(bbaree diie)與與倒裝芯芯片(fflipp chhip)的性能能與小型型的優勢勢，具有有標準芯芯片包裝裝的優點點。CSSP設計計成比芯芯片模(diee)面積積或周長長大 11.21.55 倍的的包裝。圖圖二說明明CSPP的兩個個概

5、念，包包括具有有1)柔柔性或剛剛性內插插器和22)圓片片級(wwafeer-lleveel)成成型與裝裝配再分分布的兩兩種包裝裝。包裝達到如如下的目目的： 為回流焊接接裝配工工藝提供供與印刷刷線路板板(PWWB)焊焊盤冶金金兼容的的錫球和和引腳。 重新把芯片片模(ddie)緊密的的間距分分配成在在PWBB制造規規范之內內的間距距水平。 由于小尺寸寸，不允允許重大大的重新新分配；現在的的低成本本PWBB制造限限制了該該技術的的全面采采用，特特別是高高輸入輸輸出(II/O)數。 防止芯片模模的物理理和阿爾爾發射線線(allphaa raadiaatioon)損損壞，提提供散熱熱的載體體。 使芯片模

6、功功能測試試容易。 微型BGAA的自我我對中(Sellf-AAliggnmeent)如如圖三所所示，用用輸入輸輸出(II/O)的可擴擴展性和和制造的的堅固性性，CSSP可分分類成柵柵格陣列列和引腳腳型(無無引腳型型)。列列出了每每個類型型的主要要優點/缺點。密密間距(finne ppitcch)柵柵格陣列列可接納納更高的的引腳數數，與BBGA類類似，它它們具有有自我對對中特性性。對BBGA，包包裝貼裝裝要求的的放松已已經廣泛泛地認為為與傳統統的表面面貼裝包包裝比較較減少了了焊接點點的缺陷陷。影響自自我對中中的主要要因素是是熔化的的焊錫表表面張力力，它提提供在包包裝上到到焊盤的的拉力。反反作用力

7、力是包裝裝的重量量。對PPBGAA，從共共晶錫球球產生的的拉力大大于來自自陶瓷BBGA(CBGGA)的的部分熔熔化焊接接點或者者傳統包包裝的錫錫膏熔化化的力。因因此，PPBGAA具有更更好的自自我對中中。BGGA錫球球分布的的對稱性性進一步步允許對對BGAA的X和和Y和旋旋轉位移移。對于柵柵格式CCSP，熔熔化的表表面張力力比BGGA小得得多，因因為它們們具有較較低的錫錫球量。這這個較小小的表面面張力，配配合CSSP較密密的間距距，可能能阻礙自自我對中中表現，特特別對于于重的包包裝。CCSP可可能要求求比500-miil間距距的BGGA更緊緊的貼裝裝精度。 柵格CSPP顯示有有自我對對中，但但

8、是在最最好的偏偏移限制制上存在在不和諧諧： 對于46個個I/OO的柵格格CSPP，只有有25%的偏移移是可接接受的。可可接受的的偏移對對于PBBGA是是62%，對于于CBGGA是550%。Norreikka, Surrfacce MMounnt IInteernaatioonall(SMMI), 19997 另一個研究究者報告告一個880%的的偏移。(Pattriddge, SMMI 119977) 據說在166,1000個焊焊接點中中只有兩兩個錫橋橋，是由由于外來來材料，沒沒有來自自貼裝不不準確的的缺陷。該該試驗是是一個定定性研究究，其中中3000個466 I/O的CCSP是是手放的的，回流

9、流；然后后刻畫焊焊點缺陷陷(Baauerr, eet aal, SMII 19997)。 在裝配有444 II/O的的CSPP包裝的的2000個裝配配中，只只檢查到到兩個焊焊接點短短路(HHuntter, att all, CCHIPPCONN 19998)。 當JPL領領導的微微型BGGA協會會裝配330個試試驗載體體(每個個載體都都有四個個46 I/OO的CSSP)時時，沒有有觀察到到缺陷。 當八個具有有1600 I/O的CCSP有有0.22mm的的偏移時時，沒有有觀察到到缺陷。這這個是針針對0.450.223 mmm直徑徑的焊盤盤布局(IMAAPS, 19997, p.2566)。 微電

10、子裝配配的可靠靠性在包裝裝附著中中一個主主要的損損壞根源源是改變變系統溫溫度。當當系統沒沒有使用用時就關關閉電源源造成更更多的循循環。以以前，電電子硬件件通常長長期地保保持有點點，其結結果是相相對少的的溫度循循環，引引起對由由溫度循循環影響響的焊接接點的關關注。對對焊接點點的損壞壞最通常常是由下下面因素素引起的的：包裝與板之之間總的的溫度膨膨脹系數數(CTTE, coeeffiicieent of theermaal eexpaansiion)不匹配配，引起起應力。包包裝和板板也可能能在厚度度上和表表面積上上有溫度度梯度。 在元件與PPWB焊焊錫附著著之間的的局部的的CTEE不匹配配。 減少元

11、元件與PPWB的的CTEE不匹配配可減少少循環損損壞，但但是理想想的條件件決定于于元件、PPWB和和焊錫的的溫度條條件。具具有比元元件的CCTE稍稍微較高高的、CCTE經經過修整整的PWWB材料料可能是是理想的的，因為為，通常常，總的的CTEE不匹配配占上風風，有熱熱源芯片片模的元元件比PPWB較較熱。還有有其它方方法用來來減少對對焊接點點的損壞壞。底部部充膠(undderffilll)的應應用是一一個常見見的技術術，廣泛泛用于板板上芯片片的直接接附著或或者當包包裝的引引腳不牢牢固時。其其它不太太傳統的的方法目目的是要要在包裝裝內吸收收芯片模模(diie)與與板之間間的CTTE不匹匹配，或或者

12、外部部地通過過應力吸吸收機構構，減少少焊錫連連接上的的應力。這這些方法法可能引引起它們們本身獨獨特的損損壞，因因為最脆脆弱的連連接現在在從焊錫錫轉移到到附著系系統的其其它區域域。CSP裝配配的可靠靠性表一分分類了三三個級別別包裝的的裝配可可靠性。它它包括對對柔性或或剛性內內插件(intterpposeer)的的包裝和和圓片級級包裝(waffer-levvel)的可靠靠性試驗驗數據。其其失效機機制的循循環條件件方面總總結如下下。表一、CSP裝配可靠性的數據包裝類型簡圖(不按比例) 循環條件總循環數失效/樣品I/O數參考(說明)-196160C-65150C-65150C-55125C-55125

13、C5.8周期/小時 130116375010001000無充膠*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 Internation

14、al Conference on Chip-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(溫度沖擊) 2000充膠900*無充膠PWB1.6mm NA220Ianzone, R.

15、(Feb. 1997). Ceramic CSP: A low cost, adptive interconnect, high density technology. Proceedings of Second International Conference on Chip-Scale Packaging, CHIPCON.*Private Communication 溫度膨膨脹系數數經過吸吸收的(CTEE-abbsorrbedd)CSSP表一顯顯示了對對于一個個CTEE不匹配配經過釋釋放的包包裝的溫溫度循環環試驗結結果。該該包裝使使用象IIC內部部連接一一樣的TTAB(tappe-aau

16、toomatted-bonnd)，一一個有彈彈性的內內連器和和共晶錫錫球。這這個與TTAB內內連接的的彈性關關聯的有有彈性的的內連器器減少芯芯片CCTE 233 pppm (parrts perr miilliion)/CC與PPWBFR-4的CCTE 4115 pppm/C之間的的溫度膨膨脹差別別。這種種包裝已已經顯示示其可靠靠性和穩穩固性，無無需底部部充膠。在在表一中中的溫度度循環/沖擊是是針對FFR-44上的鏈鏈型包裝裝，是從從液態氮氮溫度(-1996CC)到熱熱油(1160C)溫溫度范圍圍內進行行的。由于于焊接點點的低應應力狀態態，沒有有觀察到到焊接點點的疲勞勞失效機機制，失失效轉移移

17、到具有有高不匹匹配應力力水平的的TABB內連接接的腳跟跟部分。當當使用柔柔軟的金金引腳時時，發現現有重要要的改善善。在-65C1150C范圍圍內循環環高達22,0000次，金金質的沒沒有顯示示失效。與與在極度度低溫與與高溫下下裝配暴暴露有關關的溫度度循環屏屏蔽試驗驗結果是是不現實實的，因因此，它它們的失失效機制制可能對對現場失失效(ffielld ffailluree)不具具代表性性。由于極極度高溫溫暴露，一一個這種種失效是是接近玻玻璃態轉轉化溫度度(Tgg)，或或者聚合合材料開開始變軟軟的溫度度時， FR-4 的的擴孔和和變形。如如果溫度度變得接接近或超超過Tgg，那么么PWBB材料顯顯示嚴

18、重重的損壞壞。在-65C到1150C溫度度循環范范圍內，FFR-44 電鍍鍍通孔(thrrouggh-hholee)發現現有大量量的內孔孔爆裂失失效。表一一也包括括來自兩兩個用戶戶的最新新結果。失失效的循循環數比比這個包包裝的供供應商提提供的少少得多。來來自英特特爾(IInteel)119977年底發發表的數數據也顯顯示這個個包裝失失效的循循環數比比來自摩摩托羅拉拉19998年五五月發表表的較高高。前一一個研究究者被認認為是有有一個受受控的元元件包裝裝供應商商，而后后者的包包裝來自自不同的的品排。極度的的CTEE不匹配配對對一個圓圓片重新新分配(waffer-reddisttribbuteed

19、)包包裝的裝裝配的溫溫度循環環試驗結結果在表表一中顯顯示。在在這個包包裝中，一一個薄片片金屬/聚合物物重新分分配錫球球在芯片片上的位位置，以以保證這這些與表表面貼裝裝腳印兼兼容。這這個包裝裝類型的的高度因因為從裸裸芯片的的金屬聚聚合層厚厚度而增增加。這這個增加加的層通通常將不不吸收芯芯片與板板之間的的CTEE不匹配配，因此此，這個個包裝的的裝配可可靠性預預計與受受控塌落落芯片連連接(CC4, conntroolleed ccolllapsse cchipp coonneectiion)裝配很很相似。沒有底部充膠材料，裝配好的包裝在受到0100C之間的溫度循環時達不到40個循環就失效。對于這些包

20、裝類型，底部充膠通常要求達到裝配可靠性的可接受水平。經過底部充膠的裝配循環達到2,000次都不會失效。剛性內內連器的的陶瓷包包裝非圓片片級的陶陶瓷包裝裝在沒有有底部充充膠時仍仍顯示合合理的裝裝配可靠靠性。表表一包括括在FRR-4上上的一個個陶瓷包包裝的溫溫度循環環結果。陶陶瓷CSSP使用用多層陶陶瓷(MMLC, muultiilayyer cerramiic)一一樣的設設計規則則，溫度度壓縮和和金接線線球的一一級內連連接選擇擇，焊接接倒裝芯芯片和引引線接合合。強度度、剛性性、共面面性和包包裝的容容室是很很好的。在在一個00.6mmm、低低Tg溫溫度的FFR-44上的包包裝裝配配在-440CC1

21、225CC之間大大約6000個溫溫度循環環失效。較較厚的FFR-44預計在在暴露到到1255C時時顯示較較好的剛剛性，對對本研究究使用了了接近低低Tg的的FR-4聚合合體的溫溫度。表面貼貼裝，預預計CSSP可靠靠性在JPPL已經經研究了了傳統表表面貼裝裝包裝的的可靠性性。288與200腳的引引腳芯片片載體(LCCC, lleadded chiip ccarrrierr)和668腳翅翅型(ggulll wiing)裝配的的循環失失效試驗驗數據點點及其WWeibbulll分布在在圖四中中顯示。為為了比較較，也包包括了低低引腳數數的CSSP的預預計失效效循環次次數。圖四四包括來來種圖表表：LCCC與

22、翅翅型的分分布圖和和CSPP的單數數據點。對對于分布布圖，選選擇從YY軸的累累積百分分比(例例如，550%)，然后后從X軸軸找到失失效的循循環數(例如，對對20腳腳的LCCC大約約7000次循環環)。對對于CSSP，YY軸沒有有值，條條的高度度代表失失效的循循環數，其其值由XX軸定義義。例如如，Hiitacchi(Tessserra)440 DDRAMM裝配數數據在-551000C循循環可達達將近220000次。可可是，由由其它公公布的新新數據顯顯示對于于來自不不同供應應商的包包裝的循循環次數數低得多多，在該該條的頂頂部上的的箭頭所所顯示。對于LCC，從-55C100C的溫度循環有246分鐘的

23、持續時間。失效分布百分比是使用一個中間值繪圖位置來近似表示，Fi = (i-0.3)/(n+0.4)。雙參數Weibull累積失效分布用來配合該數據。對于CSP，結果是那些從文獻收集和從修整的Coffin-Manson關系預計的。多數CSP包裝的板的可靠性是可比較的或者比其相應的LCC更好。可是，這些包裝不象引腳包裝(包括翅型和J型引腳)那么穩固。J型引腳的數據在圖四中沒有顯示，因為達到3000次循環都沒有焊接點失效發生。系統地評估估可靠性性板板的可靠靠性信息息對高可可靠性應應用的CCSP實實施是必必要的。為為了幫助助在這些些領域建建造基礎礎設施，JJPL已已經成立立一個協協會，目目的是探探討

24、有關關包裝類類型、II/O數數、PWWB材料料、表面面光潔度度和制造造參數對對裝配包包裝品質質與可靠靠性的相相互作用用的許多多技術問問題。該課課題的目目標是展展示CSSP內連連接的控控制、品品質和可可靠性，支支持一個個產品保保證與檢檢查方法法開發的的，特別別是裝配配級的，工工業基礎礎設施的的發展。目目標包括括：最佳包裝類類型構造造的特征征化 包裝類型、II/O與與環境依依靠的可可靠性特特征化 返工技術 試驗設設計方法法(DOOE, dessignn off exxperrimeent)用來改改進效率率。切換換的變量量包括：包裝的的I/OO與構造造、PWWB材料料、制造造工藝過過程和環環境條件件

25、。檢查查技術用用來決定定環境暴暴露期間間損壞的的進展。失失效循環環數據使使用Weeibuull失失效分布布和預計計壽命的的Cofffinn-Maansoon關系系來分析析。CSP實施施的挑戰戰有有關CSSP技術術實施的的各個方方面所標標記的挑挑戰可作作如下總總結：成熟性性和有效效性使用與與附著可可靠性評評估的CCSP的的有效性性是最具具挑戰性性的問題題。對大大范圍的的CSPP有許多多的論文文存在，但但是多數數包裝是是在其發發展的早早期階段段，缺少少包裝可可靠性數數據。多多數包裝裝只有原原型的形形式，但但是不包包裝統一一的包裝裝特征或或可有生生產版本本的形式式存在。包包裝發貨貨比預計計時間拖拖延

26、是正正常的事事。缺少設設計指引引標準現在在，沒有有CSPP各元素素的指引引和標準準。對于于我們的的設計，當當可得到到時，就就使用包包裝供應應商開發發的指引引。否則則，只考考慮現有有的知識識和工程程判斷。所所選擇的的包裝具具有不同同的間距距、錫球球量、錫錫球成分分和鏈式式布局。在在多數情情況中，這這些布局局是無規規律的，設設計需要要許多時時間和努努力，這這對具有有較高II/O和和許多鏈鏈式曲徑徑的包裝裝尤其麻麻煩。PWBB材料標準準的PWWB設計計可用于于低I/O的CCSP。試試驗載體體包括了了幾個這這類包裝裝，目的的是當使使用傳統統的PWWB設計計時確認認裝配的的可靠性性。較高高I/OO的有源

27、源芯片包包裝要求求使用集集結式(微型通通路孔mmicrroviia)電電路板技技術。可可是，為為了測試試的目的的，在標標準板上上設計高高I/OO鏈式包包裝的可可能的。試試驗載體體的另一一個形式式包括具具有微型型通路孔孔技術的的PWBB。應用選擇擇了許多多I/OO從低到到高的包包裝描述述特征。在在今后一一到三年年內，主主要的包包裝將是是那些少少于500 I/O的，雖雖然特殊殊的應用用要求可可利用II/O高高得多的的包裝。預預計另一一個設計計與裝配配的挑戰戰是在一一塊板上上混合有有傳統表表面貼裝裝包裝、直直接芯片片附著、BBGA和和CSPP。試驗載體設設計該協會會同意集集中在CCSP技技術的以以下

28、幾個個方面：包裝選擇擇了從引引腳與無無引腳的的到微型型BGAA的許多多包裝來來作評估估。I/O數的的范圍從從12到到5400，以滿滿足短期期與長期期的應用用。PWBB材料與與制造有樹樹脂覆銅銅形式的的FR-4和BBT(bbismmaleeimiide traazinne)兩兩種材料料用來評評估。使使用了標標準板和和微型通通路孔板板兩種技技術。在在鏈式設設計中，標標準PWWB技術術不能用用于大多多數的包包裝。表面最最后涂層層至至少有三三種將考考慮用作作評估：有機焊焊錫保護護劑(OOSP, orrgannic sollderr prroteectaant)、熱空空氣焊錫錫均衡法法(HAASL, h

29、oot aair sollderr leevellingg)和金金/鎳涂涂層。三三種錫膏膏將要評評估：免免洗(nno-ccleaan) 、水溶溶性(wwateer ssoluublee)和溫溫柔激化化的樹脂脂(RMMA, rossin milldlyy acctivvateed)。底部充充膠(uundeerfiill)有有底部充充膠要求求的包裝裝將在有有和沒有有充膠的的情況下下評估，以以更好地地理解不不使用充充膠的可可靠性結結果。試驗載載體特征征試試驗載體體是4.5xx4.55，并并且分成成四個獨獨立的區區。每個個區有四四個菊花花鏈，可可以在不不影響其其它區的的菊花鏈鏈的情況況下切割割作失效效分析。環境測測試為了將將我們的的數據與與那