3. 有限元法数值分析 - WLCSP封装在机械性能方面的特异性

3. 有限元法数值分析

本文重点介绍扇入型封装配置。需要说明地是，某些分析结果同样适用于扇出型封装解决方案（例如，焊球附近结构）。

数值模型

我们使用Ansys的商用软件进行了有限元法分析。第一步是创建一个3D封装模型，以了解WLP封装的应力分布区域。我们探讨了焊球附近和裸片边缘附件的应力分布情况。出于对称性考虑，只描述封装的四分之一（图6）。

图6：有限元法3D扇入型封装模型 ［A］ 独立封装 ［B］ 组装好的封装

第二步是简化BEoL层和聚合物层的建模，用一个20D模型进一步探讨各层之间的相互作用（图7）。这个栈包括四个顶层共行覆膜的金属层和一个标准的密封环结构。为避免数值错误，所有配置均保持网格不变，并根据结果分析材料性质。

图7：有限元法2D模型包括标准密封环和聚合物层末端

我们对两个模型都施加了225°C至25°C的热负载，模拟回流焊工序，并做了一个线弹性分析。

我们可以考虑独立封装（图6 ［A］）和安装在主板上的封装（图6 ［B］） 两种封装工艺。本文主要讨论前者，让读者初步了解WLCSP封装的特异性。

BEoL层应力如图8所示。在这样一个配置中，因为焊球和外围器件的热膨胀系数失匹，每个焊接区都会发生类似的应力问题。此外，在裸片外围可以看到聚合物层边缘的影响（见图8中的箭头）。因此，我们已开始怀疑聚合物、焊球和裸片边缘的相互作用。需要指出的是，在这个层面，应力的产生唯一原因是本地的热膨胀失匹，而与封装尺寸大小无关。

图8：BEoL区的S1 应力分量（MPa） - 独立配置（顶视图 – 重点分析封装角部）

一旦组装到主板上后，应力区域特性接近在标准倒装片配置上观察到的应力区域［10］。在最外层焊球区域观察到应力最大值，因为最外层焊球到中性点（DNP）（即封装中心）的距离最远（图9）。我们还观察到，焊球下面的应力分布受焊球至封装中心的相对位置的影响。因此，压缩力和拉伸力区域方向随焊球位置不同而变化。

图9：BEoL区的SZ 应力分量（MPa） - 组装到主板上的封装 （顶视图）

与独立封装相比，已焊接的焊球使焊盘受到更大的应力。不过，无论封装尺寸多大，裸片和聚会物边缘受到的应力都会保持不变。

聚合物层

聚合物边缘可选用两种设计策略，锥体或直接沉积方法，具体选用哪一种方法，取决于第二层聚合物止于第一层薄膜之前还是之后。我们从机械学角度评测两个配置，在BEoL区域内，沿裸片对角线提取应力值（图10）。因为关注点放在了聚合物边缘，所以图中只给出了封装的角部受力情况。如前文所述，在BEoL区能够观察到焊球的影响（见图中的反复出现的图形）。此外，正如我们所预想的，在聚合物边缘发现了应力最大值，不过，应力的影响只限于这个区域。有限元分析显示，与锥体沉积法相比，直接沉积法的应力更高，这是因为前者边缘处聚合物厚度较大。两种沉积方法导致厚度相差大约5% （图10 （B））。

图10：［A］ 直接配置和锥体配置的BEoL层和聚合物层应力分布图［B］ BEoL栈周围应力变化（见应力提取通道图［A］上的灰箭头） （独立封装配置）

在决定了边缘设计方法后，我们需要确定在BEoL栈上发生较低应力的准确位置。为此，我们测试了各种位置：平坦区（图11 #1， #4）、密封环（图11 #6）上方、钝化拓扑底部不同位置（图11 #2 #3 #5）。

图11：有聚合物的配置与无聚合物的配置之间的应力变化。在SiN钝化层内提取拉伸应力Sy。不同配置间的应力差异主要出现在聚合物边缘。

鉴于聚合物末端在BEoL栈上产生拉伸性负载，确定选项#6为首选。因此，密封环的‘锚定’特性可限制其潜在的不利影响。为辨别结构差异，关注点放在钝化层应力上。

不出所料，发现两个大类：第一类（#2， #3 & #5）是聚合物层末端靠近一个几何奇点，引发最大应力;第二类（#1， #4 & #6）是聚合物层末端在一个平坦面上，这里观察到最小应力。提案#6（即密封圈上方）的改进作用并不明显，需要说明地是，这可能是所用分析标准造成的，本文只分析了SiN层的完整性，BEoL中间层的离层风险并未视为一种失效模式。基于这些结果和过程可变因素，将边缘置于较大的平坦区域是比较安全的，这对应配置#4。

钝化性质

聚合物层边缘、暴露于空气中的结构和焊盘的存在，让WLCSP封装的钝化层成为一个重要区域。开发人员可以从厚度和残余应力角度探讨最佳设计。因为我们跟踪的失效类型是机械失效，所以讨论重点放在氮化物层的特性方面。为此，我们测试了不同厚度与残余应力的相对变化，见表1.

表1.探讨过的参数表

图12：［A］SiN厚度的影响［B］SiN残余应力的影响

应力是从聚合物层下面的SiN层提取的（图12）。测试结果显示，SiN越厚，应力越小。还应记住，如果厚度较大，真层拓扑可能会更平滑，奇点更少，因此，可降低失效风险。关于残余应力影响，根据最初假定值，最终应力被迁移。因此，通过降低残余应力，降低了最终应力状态的数学值。不过，增加厚度方法不能随意修改，还要记住对其它特性（例如，电气、可靠性和热变形）的影响。因此，必须找到一个折衷的办法，考虑到所有的副作用。

4. 结论

本文概述了WLCSP晶圆级封装的特异性，先简要介绍了扇入和扇出型封装特异性以及封装流程;然后，描述了在制程工序和/或可靠性测试期间发生的不同的热机械失效。裸片边缘带和焊球四周是高度敏感区域，发生过很多失效问题。为更深入地了解所涉及的结构，本文采用有限元法分析了WLCSP封装失效问题。首先，建立一个3D封装模型，初步了解扇入型封装的热机械特性。研究发现，焊球和聚合物边缘是影响可靠性的重要位置。然后，用一个2D模型深入分析聚合物边缘的影响，优化BEoL层。实验发现，终止在平坦区域的锥体沉积法可降低在BEoL钝化层发生的应力。最后，我们研究了SiN厚度及残余应力的影响，并建议提高SiN层厚度，以降低残余应力。

本文能够让读者朋友更好地了解WLCSP封装在机械性能方面的特异性。通过介绍一组与有限元法结果相关的典型失效，我们概括了主要有效参数和可靠性改进建议。