萧丽冰
深圳市正基电子有限公司
摘要：现如今，我国的科技发展十分迅速，封装基板的可靠性对封装产品至关重要。通过对超薄层压基板封装产品的失效实例进行分析研究，确认由于基板阻焊层受应力造成阻焊层与铜层出现分层。经基板分层应力仿真模拟，发现阻焊层的厚度对阻焊层受到的应力影响最明显。增加阻焊层的厚度，可减小阻焊层与铜层之间的应力，解决阻焊层与铜层之间的分层问题，也提高了基板封装产品的可靠性。
关键词：超薄层压基板；阻焊层；分层；翘曲；短路
引言
目前,随着国内外LED行业向高效率、高密度、大功率等方向发展,开发性能优越的散热材料已成为解决LED散热问题的当务之急。一般来说,LED发光效率和使用寿命会随结温的增加而下降,当结温达到125℃以上时,LED甚至会出现失效。为使LED结温保持在较低温度下,必须采用高热导率、低热阻的散热基板材料和合理的封装工艺,以降低LED总体的封装热阻。陶瓷基板不仅具备优良的散热性能，而且其热膨胀系数能够与LED芯片的较好地发生匹配，从而能够很好地避免因热应力引起的热变形。这不仅解决了LED的散热难题，同时也解决了因热膨胀系数不匹配而引起的光衰与死灯问题，是今后LED封装基板发展的重要方向之一。但由于陶瓷基板本身不具有电导性,因此在用作大功LED散热基板之前必须对其表面进行金属化和图形化。陶瓷基板的金属化主要有多种不同的方法，目前业界普遍采用的主要为以下几种：钼锰法、薄膜法、直接敷铜法(DBC)、厚膜法和化学镀法。
1产品简介与失效分析
如图1所示，产品为典型的超薄层压基板封装结构，使用的是2层封装基板，元件使用表面贴装技术通过锡膏a与封装基板焊接在一起，芯片使用金线与基板键合连接。产品使用的封装基板b为典型的双层结构，分别由阻焊层(Soldermask，缩写为SM)、铜层（Copperlayer）、中间层（Corelayer）组成。22颗产品经过湿度灵敏等级3MSL3（Moisturesensitivelevel3）试验后，出现20%测试失效，失效产品测试输出图显示产品信号输出端与接地端短路，如图2所示。湿度灵敏等级3试验参考JEDECJ-STD-20MSL3，试验条件及方法为：产品放置在温度30℃、湿度60%RH的密闭腔体内192h，然后经过3次回流，回流峰值温度为260℃。
2基板分层应力的模拟仿真分析
2.1阻焊层厚度与应力的仿真分析
对30μm厚度和20μm厚度的阻焊层进行仿真模拟，结果显示，在260℃时，30μm厚度的阻焊层与铜层间的应力（剪切力和剥离力）明显小于20μm厚度的阻焊层与铜层间的应力。同时，剪切力和剥离力都随阻焊层边缘到铜层边缘的距离而变化，不同厚度阻焊层的剪切力和剥离力差值随距离增大而逐渐减校在260℃时，越厚的阻焊层会有越小的应力，就会降低分层的风险。
2.2阻焊层覆盖面积与应力的仿真分析
对不同覆盖面积的阻焊层进行仿真分析，结果显示，在260℃时，不同覆盖面积的阻焊层与铜层间的应力（剪切力和剥离力）随阻焊层边缘到铜层边缘的距离而变化，剪切力随覆盖面积变大而减小，剥离力随覆盖面积变大而增大，且逐渐变为相同大校在260℃时，阻焊层覆盖面积的变化对应力的降低作用很小，不会降低分层的风险。通过以上几个变量的仿真分析结果表明，在260℃时，增加基板的阻焊层厚度，对减小阻焊层受到的应力最明显。
2.3阻焊层CTE与应力的仿真分析
对低CTE（110×10-6K-1）和失效产品高CTE（130×10-6K-1）进行仿真分析，结果显示，在260℃时，不同CTE的阻焊层与铜层间的应力（剪切力和剥离力）随阻焊层边缘到铜层边缘的距离而变化，在小于0.02mm的距离时，应力差别明显，且低CTE的阻焊层与铜层间的应力（剪切力和剥离力）小于高CTE的阻焊层与铜层间的应力；在大于0.02mm的距离时，不同CTE阻焊层的剪切力和剥离力随距离增大很快接近。在260℃时，阻焊层CTE的变化对应力的降低作用比较小，不会降低分层的风险。
3阻焊层改进的验证
3.1缺陷试样表面形貌观察
边部分层缺陷出现在薄规格(厚度2.0mm)冷轧基板SPHC热轧操作侧上表面。分层缺陷沿轧向长度较长，最长可达300多米，且出现在热轧卷外圈，即热轧卷尾位置。取边部分层缺陷试样，进行细致观察，可见缺陷试样表面存在两条沿轧制方向线状缺陷，两线状缺陷分别位于钢板边部12mm(线状缺陷1)和18mm(线状缺陷2)位置。冷轧前，对冷轧基板SPHC进行切边时，实际切边量为10mm，切边后钢板边部与线状缺陷2间可从上表面撕下一条长丝，这说明分层缺陷始于线状缺陷2处。同时，从切下的碎边中发现钢板本身存在分层。对表面线状缺陷进行镶样、磨抛后观察，可见线状缺陷1呈直线状，宽度较宽，且不同位置宽度存在细微变化，同时，对表面线状缺陷进行深度磨抛后，线状缺陷1消失，而线状缺陷2依然存在，表明线状缺陷1深度较浅。
3.2失效与焊接温度关系分析
由于阻焊层分层主要是因为高温和CTE不匹配产生应力造成，通过更高温度的3次回流，然后进行功能测试（试验样品数量各为100颗），测试结果显示，30μm厚度的阻焊层在更高温度320℃后才会出现失效；测试失效批产品，失效与前面类似，且随着试验温度的上升，失效比例会大幅度增加。
3.3分析讨论
分层缺陷具有如下特征:(1)缺陷试样表面存在两条沿轧制方向线状缺陷，线状缺陷1位于钢板边部12mm位置，表面存在小翘皮，深度约100μm;线状缺陷2位于钢板边部18mm位置;(2)始于表面线状缺陷2，止于距边部4mm处钢板中心偏下位置;(3)缺陷可将钢板分为厚度基本相同的上下两层，上层轧制温度低于下层;(4)缺陷的产生与试验钢化学成分、铸坯中心偏析或硫化物夹杂等原因无关，但分层处存在一层氧化铁。根据以上分析结果，可推测边部分层缺陷产生原因为精轧某道次轧前钢板边部整体翻边，后两层钢板在轧制时被压平。将横截面金相试样经抛光、饱和苦味酸溶液侵蚀后，用光学显微镜(Zeiss)观察钢板横截面金属的流线，分层缺陷处整体金属的流线，分层缺陷起始位置上下两层金属在缺陷形成前并不是一体的，轧制过程中下层金属被上层金属挤压形成沿上层金属边缘连续变化的金属流线。分层缺陷结束位置上下两层金属在缺陷形成前是一体的，上层金属以边部4mm钢板心部为轴，整体翻边后形成连接上下两层金属的弧形流线。
结语
论文对基板阻焊层锡渗透短路失效的实例进行了分析，因为产品封装材料的CTE差异，在温度变化后，产生的应力造成阻焊层与铜层之间分层，阻焊层的厚度能够改变阻焊层受到的应力，增加阻焊层的厚度后，阻焊层受应力降低，解决了产品的分层问题，同时阻焊层厚的封装基板产品的可靠性和耐焊接温度特性也会更好。但本文尚未涉及通过提高阻焊层与铜层之间的粘合力来改善解决其分层问题，接下来可从提高粘合力这个方向来进一步研究探讨。
参考文献
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论文作者:萧丽冰
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：缺陷论文; 应力论文; 线状论文; 基板论文; 厚度论文; 钢板论文; 金属论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;