[发明专利]焊点设计参数的优化方法

说明书

本发明提出的一种焊点设计参数的优化方法，旨在供一种能够改善焊点形态，提高焊点可靠性的焊点设计参数优化方法。本发明通过下述技术方案予以实现：以焊点几何形态参数为设计对象，根据器件几何规格尺寸和电子组装标准，选取焊点几何形态设计参数；建立水平正交实验设计表和焊点形态特征模型；提取焊点形态特征，建立焊点模型，采用正交实验法及极差分析方法对焊点设计参数进行优选，确定优选焊点设计参数对焊点寿命的影响顺序；应用中心复合设计响应法建立焊点寿命回归方程；以焊点寿命最长为优化目标，在整个焊点设计参数空间内对焊点设计参数寻优，应用最速下降法确定最优参数，获取最优焊点设计参数。

技术领域

本发明是关于涉及微电子组装焊点设计参数的优化方法。

背景技术

随着微电子工业的迅猛发展，半导体技术微细加工特征尺寸不断缩小，晶片尺寸加大，IC的I/O的端口数剧增，相应的芯片封装技术向高密度、高可靠性和低成本方向发展。以倒装焊(Flip-Chip)工艺为基础的芯片直接互连技术COB(chip on board)和DCA(directchip attachment)等受到广泛的关注。在这类互连技术中，经常采用复合焊料结构的焊点，即在芯片上用高熔点焊料做成焊料凸点，然后在基板上印刷共晶焊料或无铅焊料，利用再流焊工艺形成复合焊点，实现芯片和基板之间的电气和机械连接。根据液态焊料润湿理论、最小能量原理等焊点形态相关理论和方法，在已知焊料量、焊料性质和焊点形态参数的情况下，能唯一确定相应的焊点形态。焊点的形态与可靠性的关系是焊点可靠性研究中的一大热点，许多研究表明焊点的形态对焊点的机械性能、焊点应力应变的分布和焊点热循环的寿命都有直接的联系。

微电子组装与封装中焊点的形成过程通常在回流焊过程中，焊点以焊膏的形式受热融化，在连接点处金属表面(如基板的金属化焊盘，微电子封装的可焊金属表面、凸点、引线等)润湿铺展，液态焊料在与金属基体的融解、扩散等相互作用下，在焊点处形成焊料圆角，最终在冷凝后得到具有一定外观形态的固态焊点，实现电子器件(芯片)与基板的电气、机械连接。微电子器件失效中一半以上和组装与封装的失效有关。而微电子组装与封装的失效中，焊点的失效是主要原因之一。焊点可靠性是微电子产品能否成功应用的关键。

研究表明超声生物显微镜UBM层对焊点寿命的影响极小，复合SnPb焊点热循环失效主要发生在低熔点的焊料中。模型中组成器件的硅芯片、铜焊盘为与温度无关的弹性材料，底充胶以及玻璃纤维环氧树脂FR4基板均假设为与温度无关的弹性材料，FR4基板采用正交各向异性，其他为各向同性材料。焊点在热循环过程中，应力应变外侧焊点距离结构中心位置最远，在整个加载过程中，焊点最脆弱的位置出现在最外侧焊点右下角靠近焊盘的位置；在热加载过程中，外侧焊点经受的应力应变范围更大。在热循环过程中，焊点的应力应变随温度变化而周期性变化。在热循环的高温阶段应力值比较低，在热循环的低温阶段应力值较高。在热循环高低温保温阶段应力松弛。升温阶段和降温阶段对焊点热疲劳寿命的影响很大，而高温保温和低温保温阶段对焊点热疲劳寿命的影响相对较小。