在传统的芯片级封装和堆叠的封装上封装（PoP）技术中，嵌入在焊料连接中的微铜接触可以在跌落测试和热循环测试中提供更高的可靠性能。
便携式电子器件由于其填充因子和典型应用条件的限制，往往在机械冲击方面有着极其苛刻的要求。为了满足这些应用中器件寿命周期的要求，无铅焊料合金组装的半导体封装采取了多种方法进行改进。封装元件的板级底部填充技术是其中一种，但它增加了组装的周期和成本。底部填充的另一个潜在不利影响是降低了疲劳所致的热循环性能。调整合金成分配比是另一种提高机械冲击性能的方法，但它同样可能导致热循环性能的恶化。
一种称作μPILR的新型封装互连技术，正在多种电子应用中接受机械性能方面的评估。该技术使用封装衬底上的集成固态铜接触阵列取代传统的球形焊料球栅阵列（BGA）互连。铜接触阵列采用常规表面贴装技术（SMT）焊接在PCB上（图1）。
分析
在分析的第一部分，我们使用一种已是业界标准的叠层芯片型芯片尺寸封装（CSP）作比较基准，与以同样方式制作的封装体进行对比；后者只是使用固态铜接触阵列取代BGA互连。叠层芯片型CSP产品通常应用在移动电子器件的存储器子系统中，如手机，其存储部分一般由非易失性存储器（NVM）和RAM组合实现。本文测试了每种互连类型的特征寿命和失效机理，并对μPILR的互连性能做出评估。之后进一步扩展，研究了在封装上封装（PoP）叠层结构中使用μPILR互连的可靠性。
未来对系统功能性的要求将不断提升，为了应对这一趋势，PoP设计需要充分考虑堆叠组合中顶层、底层封装体间不断增加的I/O数目，但同时需要保持或进一步降低PoP的填充因子。这将需要采用更窄的互连节距和更高的布线密度。更窄的互连节距要求更为严格的封装体机械性能，使得叠层封装体组装到主PCB后能维持高的成品率。影响PoP组装成品率的主要因素包括封装体变形控制，以及互连接头的焊料量控制，这可避免在焊料回流工艺中形成开路或者焊料桥接等缺陷。此外，必须满足跌落测试和热循环测试的可靠性要求，最理想的情况是无需使用板级底部填充技术。为了评测μPILR PoP技术，将采用非常有挑战性的尺寸：PoP底层的面阵列封装节距为0.4mm，而顶层四周排布封装的互连节距为0.5mm。FROM EDN
μPILR PoP可靠性测试结果
SMT工艺之后，按照JEDEC跌落测试标准JESD22-B111和-40℃到125℃的IPC-9701 TC3规范，对μPILR PoP进行了测试。图5所示为临界封装结构的跌落测试结果的Weibull分布图。μPILR PoP测试样件的失效模式是沿着底层封装体与测试板焊盘间连接的焊料开裂。对于-40℃到125℃的热循环测试来说，在高达2500次循环情况下仍未观察到μPILR PoP的任何失效。
结论
μPILR互连与BGA的对比测试结果显示，与传统的无铅BGA连接相比，像 μPILR铜接触之类的替代型互连方法，可以在跌落测试和热循环测试中都获得特征寿命的提升。需要特别指出的是，对应结果是在使用NiAu作为基板焊盘表面抛光材料和SAC 305作为焊料情况下获得的。
通过使用其他的μPILR接触表面抛光材料和焊料合金，如含有OSP的铜和低银含量的合金，可能获得更优的跌落测试结果。由此可知，μPILR PoP在互连材料的选择上，可以提供较宽的工艺窗口，从而在SMT供应链和组装工艺方面可以提供更高的灵活性。
μPILR PoP的高可靠性是使用铜接触的结果，铜接触在这里充当开裂“阻挡”的角色，阻滞任何由应力引起的焊料开裂的传播。在传统的BGA连接中没有这样的特点，而且如前文所介绍的，在BGA封装的失效位于基板焊盘界面的焊料处，在跌落测试和热循环测试中这分别是由高拉应力所致的疲劳积累和高塑性应变引起的。在与 BGA的对比测试中，μPILR互连在跌落测试可靠性方面有重要的统计性提升。
对比测试样件的设计和组装
通过比较μPILR互连以及工业标准BGA产品的可靠性来进行评估。BGA产品采用的是堆叠芯片型CSP设计，互连为0.8mm节距的面阵列，由与我们合作的集成器件制造商（IDM）提供。μPILR和BGA封装在设计和组装方面基本一致。其最大不同在于：BGA封装使用无铅焊球（98.5%Sn 1.0%Ag0.5%Cu (SAC 105)），而μPILR封装使用集成的固态铜接触。封装体尺寸为13.0×11.0×1.04mm，共108个封装引脚，这些引脚可分成两组，一组包含四个角落的引脚，每个角落一个，另一组包含其余104个以阵列方式排布的引脚。四个角落处的引脚是虚设的，对器件功能是非关键的（NCTF）。对这些 NCTF引脚的分析并不用于性能比较。其余的104个引脚对器件功能都是关键的（CTF），与测试板相接形成连续的菊花链对性能进行监控。μPILR和 BGA封装体使用两层双马来酰亚胺三嗪树脂（BT）基板和与之匹配的组装材料。通过四个厚度为100μm的硅芯片来实现芯片叠层的机械结构。组装中还使用了柔性芯片粘结材料和环氧树脂模塑填充材料。
可靠性测试结果
用于跌落测试和热循环测试的测试板是按照JEDEC标准JESD22-B111规范设计的。测试板使用了350μm直径的过孔分离焊盘（VOP），图形采用非焊料掩模定义（NSMD）。μPILR和BGA测试样品都以SMT的方式使用无铅96.5%Sn3.0%Ag0.5%Cu(SAC 305)免清洗焊膏焊接在测试板上。针对μPILR和BGA元件，使用厚度为5.0mil、方形孔径尺寸分别为16.0mil和13.0mil的丝网，进行SMT焊膏的涂覆。丝网孔径的差异是每种互连类型所需焊料总量决定的。
之后按照JEDEC标准JESD22-B111所描述的规范进行跌落测试，并计算机械冲击条件下的特征寿命。跌落测试中，元件经受的载荷峰值为1500g ±100g，脉冲持续时间的峰值为0.5毫秒。测试板上的15个测试位都被测试元件占据。图2所示是μPILR和BGA跌落测试的Weibull分布图。为显示出统计性差异，使用90%的置信下限对这些结果进行计算。对于BGA型样品，特征失效模式是封装体焊盘-焊料界面处焊料连接的开裂。而在μPILR 元件中，没有发现任何焊料连接方面的失效。最可能的失效在于封装基板的布线断裂，主要是布线脱离μPILR接触焊盘沿线宽过渡的位置。