隨著AI計算、數據中心、服務器、GPU、ASIC及汽車電子的快速發展，芯片I/O數量和封裝復雜度持續提升，傳統互連方式面臨更高密度要求。FC-BGA（Flip Chip Ball Grid Array）通過倒裝芯片互連、高密度封裝基板以及底部BGA焊球陣列，成為高性能芯片重要封裝形式之一。
（圖片源自TOPPAN，僅作展示）
但互連數量越多，需要關注的機械連接也越多，任何一個層級出現結合異常，都可能產生可靠性問題。本文科準測控小編將從FC-BGA的結構出發，介紹其關鍵機械連接及常見失效問題，并重點解析Bump Shear凸點剪切、Die Shear芯片剪切、Ball Shear焊球剪切等推拉力測試方法在FC-BGA封裝機械可靠性驗證中的應用。
一、FC-BGA是什么？
FC-BGA全稱Flip Chip Ball Grid Array，即倒裝芯片球柵陣列封裝。
與傳統Wire Bond BGA區別在于，芯片與封裝基板之間采用Flip Chip倒裝互連。這樣可以在芯片表面布置更多I/O連接點，并配合高密度、多層封裝基板完成信號重新分布。
其信號傳導線路可以理解為：
芯片/晶粒 → 倒裝凸點 → 封裝基板→BGA焊球→PCB
二、 FC-BGA有哪些機械連接結構？
結合典型FC-BGA結構，可以重點關注以下三個層級：
1、 芯片與基板之間的倒裝凸點連接
芯片采用Flip Chip方式倒裝在封裝基板上，通過分布在芯片底部的大量凸點實現連接。根據具體封裝工藝，倒裝互連可采用焊料凸點、銅柱凸點等結構。
2、芯片與基板之間的Underfill連接區域
倒裝芯片完成互連后，芯片與封裝基板之間可填充Underfill底部填充材料。Underfill分布在倒裝凸點周圍，共同組成復合機械連接區域。
3、封裝基板與BGA焊球之間的連接
FC-BGA的另一層關鍵機械連接位于封裝底部。大量BGA焊球按照規則陣列分布在封裝基板底面，用于后續實現封裝器件與PCB之間的板級連接。
倒裝凸點屬于芯片與封裝基板之間的內部互連，而BGA焊球屬于封裝與PCB之間的外部互連。
三、FC-BGA有哪些機械失效問題？怎么測試？
FC-BGA的機械失效可能發生在倒裝凸點、芯片整體互連、Underfill相關界面以及底部BGA焊球等不同位置。由于各層級的結構尺寸和受力方式不同，需要采用對應的剪切或拉力測試方法進行驗證。
1、倒裝凸點失效——Bump Shear凸點剪切測試
倒裝凸點承擔芯片與封裝基板之間的連接作用。如果凸點焊接、UBM或焊盤相關界面存在異常，機械加載后可能出現凸點斷裂、界面分離、焊盤剝離等失效。
針對單顆焊料凸點或銅柱凸點，可以進行Bump Shear凸點剪切測試。
測試方法：使用微型剪切刀對準目標凸點，在規定剪切高度下沿水平方向加載，直至凸點發生破壞。設備記錄最大剪切力及力—位移曲線，測試后結合凸點和焊盤殘留狀態判斷具體失效位置。
2、凸點陣列整體連接異常——Die Shear芯片剪切測試
單顆凸點測試主要評價局部互連，而一顆FC-BGA芯片下方通常分布大量倒裝凸點，因此還需要關注整個凸點陣列的機械連接狀態。
針對這一問題，可以根據樣品狀態進行Die Shear芯片整體剪切測試。
測試方法：使用寬幅推刀接觸芯片側面，沿平行于基板的方向持續加載，直至芯片或相關連接區域發生破壞，并記錄最大剪切力和力—位移變化。
對于未填充Underfill的樣品，測試結果主要反映倒裝凸點陣列整體連接的機械表現；對于已經填充Underfill的樣品，測試結果還會受到Underfill及相關界面的共同影響，因此更適合評價整體復合連接狀態。
3、Underfill相關界面失效——附著力及對比測試
Underfill填充在芯片與封裝基板之間，并包圍倒裝凸點。如果材料選擇、界面處理或固化工藝存在異常，在后續環境應力作用后可能出現界面分層、局部脫粘等問題。
針對Underfill相關可靠性，可以根據樣品結構設計相應的界面附著力或剪切評價方法，通過加載后的破壞位置分析其界面結合狀態。
另一種方法是對比Underfill填充前后的Die Shear測試結果，觀察整體剪切力及失效模式發生的變化，輔助評價Underfill加入后對整體連接結構的影響。
4、底部BGA焊球失效——Ball Shear焊球剪切測試
FC-BGA封裝底部的BGA焊球在制造、回流及后續機械載荷作用下，可能出現焊料破壞、界面分離、焊盤剝離或焊球脫落等問題。
針對單顆BGA焊球，可以進行Ball Shear焊球剪切測試。
BGA焊球剪切測試過程
來源：《BGA封裝器件焊點抗剪強度的試驗》
測試方法：將推刀移動至目標焊球側面，在規定剪切高度下沿水平方向加載，直至焊球發生失效。測試過程中記錄最大剪切力、力—位移曲線以及測試位置，完成后再觀察焊球與焊盤殘留形貌。
對于FC-BGA規則排列的大量BGA焊球，還可以建立測試矩陣，按照設定順序連續完成多個位置的Ball Shear測試，并將焊球位置與對應剪切數據自動記錄，方便比較中心、邊緣、角部等不同區域的機械強度及數據一致性。
四、FC-BGA推拉力測試需要關注哪些關鍵點？
FC-BGA包含微小倒裝凸點、整顆芯片以及陣列BGA焊球等不同尺度的測試對象，因此實際測試不能只關注最終力值，還需要控制測試位置、剪切高度、刀具尺寸、測試量程及失效模式等因素。
1、剪切高度
無論Bump Shear還是Ball Shear，剪切高度都會影響測試結果。
位置過高，可能使凸點或焊球產生較明顯的彎曲；位置過低，則可能使推刀接觸焊盤或封裝基板。因此，需要根據凸點、銅柱或焊球的實際尺寸及適用測試方法設置剪切高度。
2、推刀與量程匹配
FC-BGA不同結構的尺寸和失效載荷差異較大。
例如單顆倒裝凸點尺寸較小，而Die Shear測試面對的是整顆芯片及相關連接區域，兩者需要的推刀尺寸和測試量程并不相同。
因此，應根據實際測試對象選擇相應的傳感器量程、剪切刀具及夾具。
3、微小結構精準定位
對于高密度倒裝凸點，測試頭需要準確移動至目標位置。如果定位出現偏差，可能造成推刀接觸位置不一致，甚至干涉相鄰結構。
因此，隨著凸點尺寸和Pitch減小，對設備的顯微觀察、運動控制及定位能力也提出了更高要求。
4、失效模式分析
FC-BGA推拉力測試不能只比較最大力值。
測試完成后還需要觀察凸點、焊球、焊盤以及Underfill相關區域的殘留狀態，區分材料內部破壞、界面分離、焊盤剝離及分層等不同失效模式。
只有將力值 + 曲線 + 測試位置 + 失效模式結合起來，才能更完整地評價FC-BGA機械連接可靠性。
以上就是科準測控小編為您介紹的FC-BGA機械連接結構、常見失效問題及推拉力測試方法。針對FC-BGA這類多層級、高密度互連封裝，科準測控Alpha-W260自動推拉力測試機可根據凸點、芯片及BGA焊球等不同測試對象匹配相應量程、推刀和夾具；對于規則排列的BGA焊球，還可建立測試矩陣，實現自動定位、連續批量剪切及測試數據對應記錄，為FC-BGA封裝機械可靠性驗證和失效分析提供測試數據支持。
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