在熱載荷過程中除了 CTE 不匹配造成的熱應力，在互連結構中由于不同金屬擴散速率的不同產生的Kirkendall 空洞也會對封裝體的可靠性產生影響。

       當 FC 封裝用到了 TSV 轉接板時，就不得不考慮轉接板的熱機械可靠性問題。TSV 具有特殊的高深寬比結構以及多層界面結構，在 Cu 填充 TSV 中，各層材料之間的 CTE 差異會導致受熱過程中TSV 結構中的熱應力的產生，進而造成 Cu 相對于基體的脹出或縮進。如圖13 所示，變形會使 TSV 周圍結構或器件發生變形和失效，從而導致整個電路的失效。在產生 Cu 脹出或 Cu 縮進的同時， 還會伴隨著裂紋和空洞的產生。隨著 TSV 直徑的不斷減小，空洞與裂紋的負面作用越來越明顯， 會嚴重影響器件的性能，甚至導致 TSV 的開路［14］。

(a)     TSV-Cu 脹出

(b)    TSV-Cu 縮進

圖 13 TSV 在熱載荷作用下的變形行為

Fig. 13 Deformation behavior of TSV under thermal loads

4. 3   力的作用下 FC 封裝的可靠性

       FC 封裝在力的作用下的失效主要表現為在跌落沖擊作用下的失效。隨著移動式電子器件的普 及，焊點的跌落沖擊可靠性被認為是關鍵的可靠 性問題。在跌落測試中，凸點和芯片以及基板的 連接位置同樣是薄弱環節。而且由于凸點焊料會與芯片及基板的金屬層發生反應生成硬脆的 IMC層，所以在跌落測試中還可以發現，大多數的裂紋產生于 IMC 層，并且會沿著 IMC 層進行擴展，如圖 14 所示［15］。

圖 14 跌落測試中產生的裂紋

Fig. 14 Crack formed under drop test

4. 4   電遷移作用下 FC 封裝的可靠性

       理論上，金屬原子在電子風力作用下的遷移會導致互連結構的一端 ( 電子流入端) 發生由于物質消耗產生的空洞現象，另一端 ( 電子流出端) 發生由于物質堆積產生的小丘現象，這就是物質的電遷移現象。FC 封裝體的電遷移失效主要發生在互連結構處，即芯片－ 凸點－ 基板結構之間，如圖 15 所示。除此之外，由于封裝中多采用Sn 基焊料作為凸點材料，Sn 晶體的各向異性造成的可靠性問題必須有所研究。錫晶體中 c 軸的擴散系數遠大于 a 軸，對擴散相關的可靠性問題產生顯著影響。在電遷移過程中，當 c 軸平行于電流方向時， 電遷移速率顯著加快，促進物質從負極向正極遷 移。從動力學分析和實驗兩方面均可驗證當錫晶 體的c 軸和電子流動方向一致的時候可以極大的促進 IMC 的遷移，縮短焊點的電遷移壽命。與電子流動方向一致的 c 軸晶粒前方如果存在與電子流動方向一致的 a 軸晶粒，則 IMC 在二者界面處累積，該現象是由于沿 a 軸晶粒的遷移速率遠小于 c 軸晶粒，阻擋了 IMC 進一步向前方推移。采用同步輻射 Laue 衍射方法原位分析了焊點在電遷移過程中的晶粒轉動情況，可以發現部分晶粒存在微小轉動，偏轉角在 0. 5°范圍內［13］。

圖 15 FC 封裝中的電遷移現象

Fig. 15 Electromigration in FC assemly

5    結論

       微系統集成技術的飛速進步持續推動著 FC 技術的發展。發明至今，FC 技術在新材料、新工藝上的不斷創新擴展了技術的應用范圍，也降低了技術的工藝成本。從C4 焊料凸點到 C2 凸點是對細節距工藝的探索，從傳統倒裝形式到扇入扇出型封裝是 芯片尺寸限制下對更高 I / O 端口數和更可靠封裝的追求，從陶瓷基板到有機層壓基板和 Si 基板是在降低成本的驅動下實現更復雜信號的傳輸。接下來， FC 技術的前沿發展仍然會沿著更細節距、更細線寬以及更多層布線的方向前進。在芯片凸點方面，純 Cu 凸點的制作及 Cu-Cu （晶圓鍵合機）直接鍵合將成為發展目標， 同時大熱的扇出型封裝仍有工藝改進空間; 在基板方面，去 TSV 轉接板將會成為主流，如何解決去TSV 轉接板在應用過程中的翹曲、屈服等可靠性問題迫在眉睫; 底填充方面，仍需對細節距和超細節距FC 芯片的底填充新工藝進行開發; 可靠性方面， 在不斷追求更小尺寸和更細節距的趨勢下，傳統的失效機理已經無法解釋小尺寸下結構的失效行為， 更微觀尺度的結構失效機理以及多物理場耦合作用下的失效形式需要更深入的研究。