在FCBGA和fcCSP封装中实现汽车1/0级可靠性的挑战

随着汽车中电子设备的数量、复杂性和功能的增加，理解和表征封装可靠性是非常重要的。随着热循环(TC)和高温存储(HTS)要求的增加，汽车电子委员会(AEC) 1级和0级可靠性的Q-100规范提出了独特的挑战。此外，较高的工作温度和需要15年的可靠性零缺点质量通常要求对包装可靠性的评估达到传统AEC Q-100级要求的两倍。应对这些挑战需要材料表征、模拟和实验设计领域的解决方案，以满足对设备可靠性的全面理解和具有竞争力的开发时间表的需求。

汽车越来越多的包裹要求集成传感器、高级驾驶辅助系统(ADAS)、信息娱乐系统、车载和车间设备功能网络．这些要求推动了对更大包装尺寸的需求高级设计规则以前没有在汽车包装中使用。与此同时，随着自动驾驶能力、充电和其他技术的发展，汽车套件的任务配置也在扩大。这要求某些组件有效地始终处于工作状态，并在高温下长时间工作。

汽车可靠性要求

表1:AEC Q-100温度循环和高温存储要求

表1列出了AEC Q-100对0-3级可靠性的要求，以及作为确定给定设备[1]正确等级的指导原则的设备工作温度范围。0级和1级都将温度循环范围从-55°C扩展到150°C。这种大的温度范围带来了高的热机械应力，特别是在大的身体尺寸倒装芯片球栅阵列(FCBGA)封装。175°C下长达1000小时的高温存储要求增加了对失效模式的担忧，如模具中金属间化合物(IMC)的增长与衬底互连以及有机材料的退化。

FCBGA评估

对一系列属性进行了多次模拟建模FCBGA并对几种失效模式的应力进行评估，包括金属垫应力、低k介电介质中的应力、焊锡掩膜和底填料之间的界面应力以及室温翘曲。

由模拟结果创建的灵敏度图表明每种材料的性能变化对每个失效位置的应力的相对影响。图1为金属垫层应力的应力敏感图，由图可知，底填料的堆积量、底填料的模量和热膨胀系数(CTE2)对金属垫层应力的影响最大。

图1:金属垫应力的应力敏感性图。

模拟结果表明，堆积层、阻焊剂和底填料是所需要的关键材料描述了解在温度循环过程中老化后材料性能的变化。为这些材料创建了样品，并在-55°C和150°C的温度循环下进行测试。在循环前、1000次和2000次温度循环后测量了模量、CTE和玻璃化转变温度。

图2显示了温度循环特性表征的模量测量结果。在这种情况下，与其他材料相比，抗焊剂在玻璃化转变温度以下的模量显著增加。

图2:温度循环前后的模量测量。

基于模拟和老化材料性能测量的结果，设计了一辆测试车，以评估所选的基材和底填材料，这些材料预计适用于1级和0级封装可靠性。测试载体包括35×35-mm基板和15×15-mm模，间距为150µm铜柱．图3显示了175°C下填圆角的HTS结果。高温暴露导致底填料角氧化开裂。图4 (a)显示高温暴露导致IMC增长和焊料空洞。图4 (b)显示了化学镀镍钯浸金(ENEPIG)表面处理基板的HTS结果，该表面处理消除了这一问题。

图3:175°C高温超导1000小时后的底填圆角。

图4:175°C高温超导结果:(a)衬底焊(SOP)和(b)衬底ENEPIG。

图5显示了在150°C HTS条件下，在相似的35毫米衬底上进行0级测试的结果。在175°C下观察到的0级封装的任何故障在150°C下都没有出现，没有检测到底填料开裂或焊料空洞[2]。这表明，在175°C下暴露1000小时要比在150°C下暴露2000小时的0级要求苛刻得多。

图5:150°C高温超导的结果:(a)高温超导后的底填充物无裂纹;(b)高温超导后的FC凸起，无空隙。

fcCSP评估

在倒装芯片芯片规模封装(fcCSP)包，当测试到0级和2x0级条件时遇到的主要问题与环氧成型化合物(EMC)成型底填料的氧化有关，这可能导致延长HTS后开裂。图6显示了这种故障的一个例子，在150°C下进行2xG0 HTS后，裂纹从EMC表面延伸到基板。

图6:2xG0高温超导后的EMC开裂。

为了在样品构建和可靠性测试之前筛选备选EMC材料，创建了多种材料的样品，并在150°、175°和200°C下进行HTS。通过测量老化性能来确定哪些EMC材料在高温超导中抗开裂的可能性最高。模量、CTE、收缩率、弯曲强度和氧化EMC层的厚度以高达2倍0级HTS要求的间隔进行测量。

氧化测量结果如图7所示，表明不同的EMC材料具有不同的氧化速率和特性。在EMC A中，150°C HTS后有一层厚的完全氧化的EMC层，而EMC B中有一层厚的完全氧化的材料，反应层很大。在200°HTS后，EMC B有一层很薄的完全氧化的材料。

图7:HTS 2000小时后的氧化测量。

从老化的EMC样品中测量的模量表明，从玻璃状到橡胶状的转变在更大的温度范围内增加。图8显示了一种EMC材料的动态力学分析(DMA)模量测量结果。

图8:旧EMC模量测量。

在150°C和175°C的0级HTS温度下，老化和未老化EMC材料之间的模量的巨大变化可能是观测到的EMC开裂的原因。

设计了一辆12×12-mm测试车，用于测试基于老化材料性能测量选择的多个0级emc。电磁兼容材料具有较低的缩水率和氧化性能以及较高的玻璃化转变温度。三个候选EMC在150°C和175°C条件下成功测试了2倍0级条件，没有EMC开裂，在温度循环中没有检测到故障。

结论

仿真和材料表征已被证明是开发和评估汽车包装新材料集的重要步骤。这允许在构建测试样品之前识别关键参数和潜在材料可靠性测试．这一过程减少了解决未来汽车包装在尺寸和复杂性进一步增加时可能出现的问题所需的时间。

可靠性测试表明，在175°C下1000小时的0级高温储存条件和在150°C下2000小时的高温储存条件对于所有失效模式都是不等效的，175°C的要求要苛刻得多，并导致在150°C下不会发生的材料失效。

对于FCBGA包，已经开发了一个健壮的G1 BOM。相同的BOM满足0级温度循环要求，但消除175°C高温下发生的底填料开裂仍然是一个挑战。

由于早期的材料表征被用作识别合适的EMC候选材料的工具，fcCSP包已通过了包含多种EMC材料的2xG0的资格认证。

参考文献

1. AEC - q100rev - H:集成电路基于应力测试的失效机制鉴定(基础文件)。
2. Dias, M. Kelly, D. Balaraman, H. Shoji, T. Shiraiwa, K.S. Oh, J.Y. Park，“开发汽车级1/0 FCBGA封装能力的挑战和方法”，2019年IEEE第69届电子元器件与技术会议(ECTC)。