系统级封装（SIP）焊点跌落可靠性研究

摘要：系统级封装（System in package,SIP）已经成为主流的封装技术，随着电子产品小型化和多功能化的发展，系统级封 装将会发挥越来越重要的作用，在微电子和电子制造领域具有广阔的应用市场和发展前景。但是微电子产品的应用环境也越 来越恶劣，特别是最近几年，便携式穿戴产品的应用普及，对产品的可靠性提出了更高的要求，跌落失效对于产品来说，在设计的过程中是不得不考虑的因素。 

关键词：系统级封装；跌落；可靠性

 引言

 电子产业飞速发展的今天，便携式穿戴产品已深入人们的日常生活，并且向更轻更薄更多功能的方向 发展。为了缩短产品的上市时间，将更多的功能芯片集成在一个封装内，系统级封装应用而生。电子产品 从制造开始，经运输到消费者手里，难免会发生碰撞和跌落，而产品失效往往发生在芯片连接到电路板上 的微小焊点的位置，因此，研究系统级封装焊点在跌落冲击载荷下的可靠性对电子产品进一步发展具有重 要意义。

图 1 SIP 组成

1 系统级封装概述

 根据国际半导体路线组织（ITRS）的定义：SiP 为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器 件，以及诸如 MEMS 或者光学器件等其他器件优先组装到一起，实现一定功能的单个标准封装件，形成 一个系统或者子系统。 从架构上来讲，SiP 是将多种功能芯片，包括处理器、存储器等功能芯 片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能，与 SOC（片上系统） 相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式， 而 SOC 则是高度集成的芯片产品。

2 系统级封装跌落测试的标准 

跌落冲击实验分为板级跌落和产品级跌落，其中板级跌落更具可操作 性。本文依据标准 MIL-STD-810F“环境考虑的测试方法标准和实验室测试”以及国际电工委提供 的 IEC68-2-27,“基本环境试验规程国际标准”。跌落试验的主要目的是为了模拟电子产品在制造和使用过程中出现的撞 击，以致更好的指导设计，达到保证产品结构和功能的完整性,而产品的失效 往往表现为焊点的失效，所以在设计电子产品时，应该更多的关注焊点的可靠 性。在进行系统级封装产品跌落试验时，首先将产品固定在载物台上，在一定 的高度释放产品，使之自由跌落撞击到规定的位置，跌落撞击的参数一般包含： 跌落高度，跌落次数，撞击平面，样品开始跌落时的位置和状态以及测试要求 等。

图2 SIP 架构

图3 板级跌落的试验设备 

图4 焊点失效的原理 

图5 焊点 IMC 厚度

表 1 板级跌落试验条件

3 系统级封装跌落焊点可靠性

系统级封装产品在跌落过程中，产生的冲击应力载荷以惯性的形式直接作用在焊点上，另一方面冲击能力转化为印刷电路板的动能，这种动能使印刷电路板往复上下弯曲振动，而最糟糕的是印制电路板的刚度与板上贴装的元器件刚度不一致，弯曲振动过程中使焊点的金属间化合物承受一定的应力应变的作用，而一旦冲击载荷过大，就会导致金属间化合物断裂，这样直接导致系统级封装产品的失效。

研究表明，系统级封装焊点失效的机理可以用图 4 的模型来解释，半正弦的加速度施加之后，固定 PCB 的螺栓处首先受力发生弯曲变形，随后应变、应力传递到PCB板的中心、焊点以及封装结构上。冲击激励消失后，整个封装随惯性进行自由的振动，并且在内应力的作用下，PCB 发生上下往复的弯曲变形，这种变形直接导致焊点处承受着拉应力和压应力，结果在金属间化合物界面层的应变/应力最大处发生损伤并开裂。由此可知，PCB 的往复弯曲是导致系统级封装焊点互连失效的根本原因。图5、图6 是对焊点进行金相试验分析图。

4 结束语 

便携式穿戴产品在轻薄化趋势发展的情况下，能完美实现轻薄化要求的SiP 会得到更多的应用。随着应用市场的增加、恶劣的应用环境给SiP封装提出了更高的要求，特别是在跌落可靠性方面。跌落试验表明在靠外侧边缘上的系统级封装焊点首先受到冲击而且承受的应力、应变最大，最易发生损坏导致产品发生失效。IMC失效常发生在外角处，表现出 IMC 发生断裂，分析失效的机理可对设计起到指导的意义。研究表明对晶圆进行底部填充处理，再进行 Molding，这样更能保证系统级封装焊点的机械强度，提高产品的可靠性。

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