隨著智能手機(jī)、汽車電子、通信、高性能計(jì)算及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向小型化、高集成度發(fā)展，SiP封裝（System in Package，系統(tǒng)級(jí)封裝）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。SiP通過(guò)封裝與互連技術(shù)，將多顆芯片及部分無(wú)源器件集成在一個(gè)封裝系統(tǒng)中，但芯片數(shù)量和互連結(jié)構(gòu)增加后，芯片貼裝、鍵合線、倒裝凸點(diǎn)及BGA焊球等位置也面臨機(jī)械連接可靠性問(wèn)題。
那么，SiP封裝可靠性如何測(cè)試？SiP需要做哪些推拉力測(cè)試？本文科準(zhǔn)測(cè)控小編從SiP封裝結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹其主要機(jī)械連接及常見失效問(wèn)題，并重點(diǎn)解析Die Shear芯片剪切、Wire Pull鍵合線拉力、Bump Shear凸點(diǎn)剪切和Ball Shear焊球剪切以及Alpha-W260自動(dòng)推拉力測(cè)試機(jī)測(cè)試方法。
一、SiP封裝是什么？
SiP全稱System in Package，即系統(tǒng)級(jí)封裝。通過(guò)封裝與互連技術(shù)，將兩顆或多顆不同功能的芯片以及其他必要器件集成在一個(gè)封裝體內(nèi)，形成能夠?qū)崿F(xiàn)一定系統(tǒng)功能的封裝產(chǎn)品。
SiP內(nèi)部可以集成處理器、存儲(chǔ)器、射頻芯片、電源管理芯片、MEMS器件以及電阻、電容等不同器件，具體組成取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
二、SiP封裝有哪些機(jī)械連接結(jié)構(gòu)？
1. 芯片貼裝連接（Die Attach）
SiP內(nèi)部通常集成多顆裸芯片，不同芯片可以采用不同方式安裝在封裝基板上。
對(duì)于采用Die Attach方式安裝的芯片，需要重點(diǎn)關(guān)注芯片與粘接/焊接層、焊接層與封裝基板之間的機(jī)械結(jié)合狀態(tài)；
如果采用Flip Chip結(jié)構(gòu)，則需要關(guān)注芯片底部的焊料凸點(diǎn)、銅柱凸點(diǎn)等倒裝互連結(jié)構(gòu)；
2. 鍵合線連接（Wire Bond）
對(duì)于采用Wire Bond結(jié)構(gòu)的SiP，其機(jī)械連接主要集中在芯片焊盤—鍵合線—基板焊盤這一互連路徑。
3. 倒裝凸點(diǎn)連接（Flip Chip）
如果SiP內(nèi)部芯片采用Flip Chip倒裝方式，則芯片底部會(huì)通過(guò)大量微小凸點(diǎn)與封裝基板連接。
根據(jù)具體封裝工藝，可采用焊料凸點(diǎn)、銅柱凸點(diǎn)等結(jié)構(gòu)。
4. 芯片堆疊連接
部分SiP為了進(jìn)一步提高封裝密度，會(huì)采用多芯片堆疊結(jié)構(gòu)。
這種情況下，除了底層芯片與基板之間的連接，還需要關(guān)注芯片與芯片之間的粘接、焊接及相關(guān)互連結(jié)構(gòu)。
5. BGA焊球連接
采用BGA外部互連的SiP，其封裝基板底部會(huì)排列大量焊球。
這些焊球用于后續(xù)實(shí)現(xiàn)SiP封裝 → BGA焊球 → PCB之間的板級(jí)連接。
因此，BGA焊球也是SiP機(jī)械可靠性測(cè)試中比較典型的測(cè)試對(duì)象。
三、 SiP封裝可靠性如何測(cè)試？
由于SiP內(nèi)部可能同時(shí)存在多種封裝技術(shù)，其機(jī)械失效位置也多樣，應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法：
1. SiP芯片貼裝失效——Die Shear芯片剪切測(cè)試
如果SiP內(nèi)部芯片與封裝基板之間的貼裝工藝存在異常，可能出現(xiàn)界面分離、粘接層破壞、焊接層失效或芯片脫落等問(wèn)題。針對(duì)這類結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行Die Shear芯片剪切測(cè)試。
測(cè)試方法：將SiP樣品或相應(yīng)封裝半成品固定在測(cè)試平臺(tái)上，選擇與芯片尺寸匹配的推刀。
推刀移動(dòng)至芯片側(cè)面，在規(guī)定位置沿平行于基板方向加載，直至芯片或連接區(qū)域發(fā)生失效。
測(cè)試過(guò)程中記錄：最大剪切力、力—位移曲線及失效狀態(tài)。測(cè)試完成后，還需要觀察芯片和基板表面的殘留情況，進(jìn)一步判斷破壞發(fā)生在芯片貼裝材料內(nèi)部還是相關(guān)連接界面。
2. SiP鍵合線失效——Wire Pull鍵合線拉力測(cè)試
對(duì)于采用Wire Bond結(jié)構(gòu)的SiP，鍵合線數(shù)量可能較多，并且不同芯片之間的線徑、線弧高度及鍵合位置也可能存在差異。如果鍵合工藝異常，可能出現(xiàn)線弧斷裂、第一鍵合點(diǎn)脫離、第二鍵合點(diǎn)脫離、焊盤相關(guān)破壞等情況。針對(duì)這類連接，可采用Wire Pull鍵合線拉力測(cè)試。
測(cè)試方法：將拉鉤移動(dòng)至目標(biāo)鍵合線下方，在規(guī)定位置向上加載，直至鍵合線或鍵合區(qū)域發(fā)生失效。設(shè)備記錄最大拉力，同時(shí)根據(jù)斷裂位置進(jìn)行失效模式分析。判斷到底是線斷了，還是鍵合點(diǎn)發(fā)生了脫離。
3. SiP倒裝凸點(diǎn)失效——Bump Shear凸點(diǎn)剪切測(cè)試
如果SiP內(nèi)部部分芯片采用Flip Chip倒裝結(jié)構(gòu)，則芯片與封裝基板之間還存在大量微小凸點(diǎn)。
這些凸點(diǎn)可能出現(xiàn)焊料破壞、界面分離、UBM相關(guān)失效或焊盤剝離等問(wèn)題。針對(duì)可進(jìn)行單凸點(diǎn)機(jī)械測(cè)試的樣品，可以采用Bump Shear凸點(diǎn)剪切測(cè)試。
測(cè)試方法：使用微型推刀對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)凸點(diǎn)，在設(shè)定剪切高度下沿水平方向加載，直至凸點(diǎn)發(fā)生破壞。測(cè)試后結(jié)合最大剪切力 + 力—位移曲線 + 凸點(diǎn)殘留狀態(tài)分析單顆倒裝凸點(diǎn)的機(jī)械連接質(zhì)量。
4. SiP BGA焊球失效——Ball Shear焊球剪切測(cè)試
對(duì)于采用BGA作為外部互連結(jié)構(gòu)的SiP，底部焊球在制造和后續(xù)裝聯(lián)過(guò)程中可能出現(xiàn)焊料破壞、界面分離、焊盤剝離或焊球脫落等問(wèn)題。針對(duì)單顆BGA焊球，可以進(jìn)行Ball Shear焊球剪切測(cè)試。
測(cè)試方法：推刀移動(dòng)至目標(biāo)焊球側(cè)面，在規(guī)定剪切高度下沿水平方向加載，直至焊球發(fā)生失效，并記錄最大剪切力及力—位移曲線。
如果SiP底部具有規(guī)則排列的大量BGA焊球，還可以進(jìn)一步建立焊球測(cè)試矩陣。例如：A1 → A2 → A3 → B1 → B2 → B3……設(shè)備按照預(yù)設(shè)位置連續(xù)完成Ball Shear測(cè)試，同時(shí)將每個(gè)位置與對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄。這樣更適合分析SiP底部中心、邊緣、角部等不同區(qū)域焊球的機(jī)械強(qiáng)度及一致性。
四、SiP推拉力測(cè)試可以參考哪些標(biāo)準(zhǔn)？
由于SiP并不是一種結(jié)構(gòu)固定的單一封裝，因此實(shí)際測(cè)試通常需要根據(jù)具體互連結(jié)構(gòu)、測(cè)試項(xiàng)目以及產(chǎn)品技術(shù)要求選擇相應(yīng)的試驗(yàn)方法。
例如，半導(dǎo)體封裝機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試中常涉及以下標(biāo)準(zhǔn)或試驗(yàn)方法：
1、MIL-STD-883 Method 2019《Die Shear Strength》
主要涉及微電子器件芯片剪切強(qiáng)度測(cè)試，可用于Die Shear相關(guān)測(cè)試參考。
2、MIL-STD-883 Method 2011《Bond Strength (Destructive Bond Pull Test)》
涉及鍵合強(qiáng)度破壞性拉力測(cè)試，可用于Wire Pull等鍵合可靠性測(cè)試參考。
3、JEDEC JESD22-B116《Wire Bond Shear Test Method》
針對(duì)線鍵合結(jié)構(gòu)的剪切測(cè)試方法，適用于相應(yīng)鍵合結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度評(píng)價(jià)。
4、JEDEC JESD22-B117《Solder Ball Shear》
針對(duì)焊球剪切測(cè)試，可作為BGA焊球及適用焊料凸點(diǎn)剪切測(cè)試的方法參考。
以上就是科準(zhǔn)測(cè)控小編為您介紹的SiP系統(tǒng)級(jí)封裝結(jié)構(gòu)、常見機(jī)械失效問(wèn)題及推拉力測(cè)試方法。SiP并不是一種結(jié)構(gòu)固定的封裝形式，因此其可靠性測(cè)試也需要根據(jù)具體產(chǎn)品確定。如果您有關(guān)于SiP推拉力測(cè)試、SiP芯片剪切、SiP金線拉力、SiP焊球剪切、Bump Shear、Ball Shear或Alpha-W260自動(dòng)推拉力測(cè)試機(jī)選型等方面的疑問(wèn)和測(cè)試需求，歡迎聯(lián)系科準(zhǔn)測(cè)控，獲取免費(fèi)的專業(yè)技術(shù)支持。
