欣兴电子对玻璃芯基板组件的焊点可靠性研究

我们看到全球范围内有相当多的活动专注于开发玻璃芯基板组件和中介层，然而，正如我们中的一些人经常提到的那样，我们很少看到由这些基板构建的任何模块的可靠性数据。

Absolics（韩国 SK 公司美国分部）的工作是此类工作中进展最快的，因为它实际上正在完成位于乔治亚州科文顿的一条生产线的安装。（见IFTLE 587和IFTLE 601）在最近于波士顿举行的IMAPS会议上，欣兴电子的John Lau——无疑是世界五大封装专家之一——发表了关于“玻璃芯基板组件的焊点可靠性”的演讲。

Unimicron 的有限元建模工作比较了玻璃芯基板上的倒装芯片微焊点和 PCB 上的 C4 焊点之间的热疲劳可靠性。然后将它们与具有传统有机芯积层结构的相同结构进行比较。结构如图 1 所示。

图 1：安装在玻璃芯基板上的芯片与安装在带有 µbump 的标准 PCB 芯基板上的芯片，然后安装在带有 C4 凸块的 PCB 上。

在本研究中，微凸块的焊料帽由 Sn0.7Cu（熔点 227°C）制成，C4 凸块的焊料为 Sn3Ag0.5Cu（熔点 217）。芯片尺寸为 10mm x 10mm x 350µm 厚。芯片顶部和底部各有两层积层。介电层厚度为 5µm，铜层厚度为 3µm。

整体翘曲

对于有机芯基板组件，在 85°C 时 PCB 膨胀幅度大于有机封装基板和硅芯片，应力导致凸形翘曲。在 -40°C 时 PCB 收缩幅度大于有机封装和硅芯片，导致翘曲凹形。

对于具有玻璃芯基板的 PCB 组件，在 85°C 时结构凸起，在 -40°C 时结构凹陷 ，就像有机芯基板一样，但变形的幅度不同。玻璃芯基板结构的最大变形在 85°C 时为 73µm，在 -40°C 时为 -103µm，而有机芯基板在相同温度下分别为 58µm 和 69µm。基本上，堆叠封装基板和 PCB 之间的热膨胀系数 (TCE) 失配越大，变形越大。

撞击应力

当研究凸起处的应力时，人们会关注应力最大的角落凸起。

他们检查了有机芯与玻璃芯基板的角落微凸块之间积累的非弹性应变，发现玻璃芯的最大应变小于有机芯的最大应变（图 2）。

图 2：有机和玻璃基板结构角部凸块的最大累积非弹性应变时间变化曲线。（来源：John Lau、Unimicron、IMAPS Symsposium 2024）

这是因为玻璃芯基板与硅片之间的TCE失配度比有机芯基板与硅片之间的TCE失配度小。

随后，欣兴电子研究了角落 C4 焊点的应变分布。结果如图 3 所示。结果表明，玻璃芯基板 C4 凸块应变高于有机芯基板。

图 3：有机和玻璃基板结构的角 C4 焊点中最大累积非弹性应变时间变化曲线。

这是因为玻璃芯基板与PCB之间的TCE失配比有机芯基板与PCB之间的TCE失配要大。

结论：

采用玻璃芯基板的整体结构的翘曲度比采用有机芯的要大，这主要是由于TCE不匹配较大造成的。

由于芯片和玻璃芯之间的 TCE 不匹配较小，因此 µbump 焊点的非弹性应变在玻璃芯基板中大约小 2 倍。

由于 TCE 不匹配较大，C4 焊点的非弹性应变对于玻璃芯基板来说要大 2 倍以上。

这些结果中哪一个最重要将取决于整体结构的细节，但这种建模肯定表明，使用这些玻璃芯基板肯定会对整体组件可靠性产生影响。