随着AI计算、数据中心、服务器、GPU、ASIC及汽车电子的快速发展，芯片I/O数量和封装复杂度持续提升，传统互连方式面临更高密度要求。FC-BGA（Flip Chip Ball Grid Array）通过倒装芯片互连、高密度封装基板以及底部BGA焊球阵列，成为高性能芯片重要封装形式之一。
（图片源自TOPPAN，仅作展示）
但互连数量越多，需要关注的机械连接也越多，任何一个层级出现结合异常，都可能产生可靠性问题。本文科准测控小编将从FC-BGA的结构出发，介绍其关键机械连接及常见失效问题，并重点解析Bump Shear凸点剪切、Die Shear芯片剪切、Ball Shear焊球剪切等推拉力测试方法在FC-BGA封装机械可靠性验证中的应用。
一、FC-BGA是什么？
FC-BGA全称Flip Chip Ball Grid Array，即倒装芯片球栅阵列封装。
与传统Wire Bond BGA区别在于，芯片与封装基板之间采用Flip Chip倒装互连。这样可以在芯片表面布置更多I/O连接点，并配合高密度、多层封装基板完成信号重新分布。
其信号传导线路可以理解为：
芯片/晶粒 → 倒装凸点 → 封装基板→BGA焊球→PCB
二、 FC-BGA有哪些机械连接结构？
结合典型FC-BGA结构，可以重点关注以下三个层级：
1、 芯片与基板之间的倒装凸点连接
芯片采用Flip Chip方式倒装在封装基板上，通过分布在芯片底部的大量凸点实现连接。根据具体封装工艺，倒装互连可采用焊料凸点、铜柱凸点等结构。
2、芯片与基板之间的Underfill连接区域
倒装芯片完成互连后，芯片与封装基板之间可填充Underfill底部填充材料。Underfill分布在倒装凸点周围，共同组成复合机械连接区域。
3、封装基板与BGA焊球之间的连接
FC-BGA的另一层关键机械连接位于封装底部。大量BGA焊球按照规则阵列分布在封装基板底面，用于后续实现封装器件与PCB之间的板级连接。
倒装凸点属于芯片与封装基板之间的内部互连，而BGA焊球属于封装与PCB之间的外部互连。
三、FC-BGA有哪些机械失效问题？怎么测试？
FC-BGA的机械失效可能发生在倒装凸点、芯片整体互连、Underfill相关界面以及底部BGA焊球等不同位置。由于各层级的结构尺寸和受力方式不同，需要采用对应的剪切或拉力测试方法进行验证。
1、倒装凸点失效——Bump Shear凸点剪切测试
倒装凸点承担芯片与封装基板之间的连接作用。如果凸点焊接、UBM或焊盘相关界面存在异常，机械加载后可能出现凸点断裂、界面分离、焊盘剥离等失效。
针对单颗焊料凸点或铜柱凸点，可以进行Bump Shear凸点剪切测试。
测试方法：使用微型剪切刀对准目标凸点，在规定剪切高度下沿水平方向加载，直至凸点发生破坏。设备记录最大剪切力及力—位移曲线，测试后结合凸点和焊盘残留状态判断具体失效位置。
2、凸点阵列整体连接异常——Die Shear芯片剪切测试
单颗凸点测试主要评价局部互连，而一颗FC-BGA芯片下方通常分布大量倒装凸点，因此还需要关注整个凸点阵列的机械连接状态。
针对这一问题，可以根据样品状态进行Die Shear芯片整体剪切测试。
测试方法：使用宽幅推刀接触芯片侧面，沿平行于基板的方向持续加载，直至芯片或相关连接区域发生破坏，并记录最大剪切力和力—位移变化。
对于未填充Underfill的样品，测试结果主要反映倒装凸点阵列整体连接的机械表现；对于已经填充Underfill的样品，测试结果还会受到Underfill及相关界面的共同影响，因此更适合评价整体复合连接状态。
3、Underfill相关界面失效——附着力及对比测试
Underfill填充在芯片与封装基板之间，并包围倒装凸点。如果材料选择、界面处理或固化工艺存在异常，在后续环境应力作用后可能出现界面分层、局部脱粘等问题。
针对Underfill相关可靠性，可以根据样品结构设计相应的界面附着力或剪切评价方法，通过加载后的破坏位置分析其界面结合状态。
另一种方法是对比Underfill填充前后的Die Shear测试结果，观察整体剪切力及失效模式发生的变化，辅助评价Underfill加入后对整体连接结构的影响。
4、底部BGA焊球失效——Ball Shear焊球剪切测试
FC-BGA封装底部的BGA焊球在制造、回流及后续机械载荷作用下，可能出现焊料破坏、界面分离、焊盘剥离或焊球脱落等问题。
针对单颗BGA焊球，可以进行Ball Shear焊球剪切测试。
BGA焊球剪切测试过程
来源：《BGA封装器件焊点抗剪强度的试验》
测试方法：将推刀移动至目标焊球侧面，在规定剪切高度下沿水平方向加载，直至焊球发生失效。测试过程中记录最大剪切力、力—位移曲线以及测试位置，完成后再观察焊球与焊盘残留形貌。
对于FC-BGA规则排列的大量BGA焊球，还可以建立测试矩阵，按照设定顺序连续完成多个位置的Ball Shear测试，并将焊球位置与对应剪切数据自动记录，方便比较中心、边缘、角部等不同区域的机械强度及数据一致性。
四、FC-BGA推拉力测试需要关注哪些关键点？
FC-BGA包含微小倒装凸点、整颗芯片以及阵列BGA焊球等不同尺度的测试对象，因此实际测试不能只关注最终力值，还需要控制测试位置、剪切高度、刀具尺寸、测试量程及失效模式等因素。
1、剪切高度
无论Bump Shear还是Ball Shear，剪切高度都会影响测试结果。
位置过高，可能使凸点或焊球产生较明显的弯曲；位置过低，则可能使推刀接触焊盘或封装基板。因此，需要根据凸点、铜柱或焊球的实际尺寸及适用测试方法设置剪切高度。
2、推刀与量程匹配
FC-BGA不同结构的尺寸和失效载荷差异较大。
例如单颗倒装凸点尺寸较小，而Die Shear测试面对的是整颗芯片及相关连接区域，两者需要的推刀尺寸和测试量程并不相同。
因此，应根据实际测试对象选择相应的传感器量程、剪切刀具及夹具。
3、微小结构精准定位
对于高密度倒装凸点，测试头需要准确移动至目标位置。如果定位出现偏差，可能造成推刀接触位置不一致，甚至干涉相邻结构。
因此，随着凸点尺寸和Pitch减小，对设备的显微观察、运动控制及定位能力也提出了更高要求。
4、失效模式分析
FC-BGA推拉力测试不能只比较最大力值。
测试完成后还需要观察凸点、焊球、焊盘以及Underfill相关区域的残留状态，区分材料内部破坏、界面分离、焊盘剥离及分层等不同失效模式。
只有将力值 + 曲线 + 测试位置 + 失效模式结合起来，才能更完整地评价FC-BGA机械连接可靠性。
以上就是科准测控小编为您介绍的FC-BGA机械连接结构、常见失效问题及推拉力测试方法。针对FC-BGA这类多层级、高密度互连封装，科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据凸点、芯片及BGA焊球等不同测试对象匹配相应量程、推刀和夹具；对于规则排列的BGA焊球，还可建立测试矩阵，实现自动定位、连续批量剪切及测试数据对应记录，为FC-BGA封装机械可靠性验证和失效分析提供测试数据支持。
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