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叠层芯片封装热湿机械可靠性的研究pdf

发布时间:2019-09-03 22:12 来源:未知 编辑:admin

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  学校代号:11845 学号:2110902062 学位论文 叠层芯片封装的热湿机械可靠性研究 朱文敏 指导教师姓名、职称: 塞茳婴究旦 学科(专业)或领域名称: 邀电王堂皇固签电王堂 学生所属学院: 挝魁生篚近堂院 论文答辩日期: 2Q12生鱼旦三旦 fTechnology Mechanical ofStacked Hygro·-thermal ReliabilityStudy Die Package — Candidate:ZhuWenmin Supervisor:Prof.Lai Ping June5th2012 SchoolofMaterial and Energy of GuangdongUniversityTechnology 0006 Guangzhou,Guangdong,P.R.China。51 便携式 足值得 题。在 到极大 的影响。封装材料由吸湿所引起的湿膨胀以及在回流焊过程中产生的热应力对封装 的完整性和可靠性有着重要的影响。因此,研究叠层芯片封装中的湿热分布以及可 靠性影响是非常重要的。本文主要利用实验以及有限元分析方法探讨了SCSP封装 在湿热环境下的可靠性问题。 本文对双层芯片的SCSP封装进行了湿气吸附、解吸附以及回流焊实验。对实 验中得到的湿气扩散特征进行分析,并对湿气扩散特征参数进行计算。在实验中发 现叠层芯片封装的吸湿过程存在着Non.Fickian扩散行为,这可能是由于在扩散过 程中存在两阶段扩散。同时利用实验研究了在回流焊中湿热机械应力对叠层芯片封 装的界面分层影响,实验结果表明在经过湿气预处理(85℃/85%RH/168h)后, 回流焊过程中引入的湿热机械应力对封装的可靠性有着重要影响。 利用有限元软件对双层芯片的SCSP封装进行了建模,模型包括湿气扩散以及 湿热机械应力模型。对封装进行湿气扩散模拟,研究封装在不同时间的瞬态湿气分 布情况。经过168小时湿气预处理后,封装的模塑料和基板材料基本上达到饱和。 模拟结果表明,湿应力和热机械应力对封装的可靠性有着重要的影响,在回流焊载 荷下,最大应力出现在底层芯片的边角处。因此,叠层封装器件在湿热环境下最容 易产生失效问题位于底层结构。 最后利用有限元分析方法研究了由吸湿膨胀引起的湿应力和回流焊过程中引入 的热应力对超薄叠层芯片封装可靠性的影响。模拟结果表明封装湿应力和热机械应 力对超薄叠层芯片封装的可靠性影响也是很大的。对超薄叠层芯片封装进行了优化 设计,在一定条件下,增加芯片厚度、减小基板厚度有利于提高可靠性。 关键词:有限元;机械可靠性;湿热;叠层芯片封装 广东工业大学硕士擘位论文 Abstract Thestackeddie scale oneofthe3D is chip package(SCSP)is packages,which usedintheareaof ascell camera. electronics,such widely portable phone,digital SCSPhas areneededto Although manymerits,thereliabilityproblems deeplystudy. issuesassociatedwithmoistureandthermalstressisoneof Reliability the major concernsforSCSP.Mechanicalof in reliability reliabilityepoxymoldingcompounds of circuitsis affectedthe to packagesintegratedOf) by plastic greatly compoundability absorb stresswas the toabsorb moisture.Hygroscopicgeneratedby compoundability moistureandthermalstresswas thereflow witha developedduring process highpeak an roleinthe and of important integrity temperatureplay reliabilityplasticpackages. is tounderstandmoisture/thermaldistribution Therefore,it anditseffectOilthe important ofstackeddie this ofSCSP reliability package.Inpaper,the under reliability damp&hot environmentresearchedfiniteelement was by analysis(FEA)andexperiment. Inthis thesis,moisture andsolderreflowtestsof absorption,moisturedesorption SCSPwere diffusioncharacteristicsofSCSPavailable implemented.Moisture by havebeen and moisturediffusioncharacteristicsare experiments analyzedtypical calculated.Itisfoundthatmoisture deviationsfromidealFickian transport behaviorin SCSP themoisture istheSO-calledNon—Fickian during absorption,which diffusion.It wasattributedto A of works the“two-stage”sorption.variety were experimentaldesign to the stressontheinterfaceofdie/mold and studyhygro-thermo-mechanical compound dieattachmentdelamination.The results experimental showthatthe stressunderleadfleereflow considerable hygro—·thermo·-mechanical temperatureproduce influencetothe afterthemoisture for168hunder85℃ packageintegrity precondition /85%IⅢ. finiteelement distributionofmoisture By analysis(FEA),the diffusion, thermo-mechanical stressand stress stress,hygro-mechanical under environmentweresimulatedandcalculatedfora stackeddie hygro-thermal 2一layer transient of moisture was to analysis estimatethe package.The absorptionperformed moisture distribution.Aftermoisture for168hunder package precondition 8512 II Abstract isfoundthattheexternalmold /85%RH,it andsubstrateofthe is compound package almostsaturated.Thesimulationresults that fully showedthermo-mechanicalstressand stressinfluenceonthe simulationof hygro-mechanical package.By hygroscopic stress reflow was indicatedthatthecritical for swellingduring process,it the position locatedatthediecornerofthebottomdieandtheinterface packagereliability between thebottomdie—attachanddie.Sothe ofthebottom is low reliability layersrelatively under environment. hygro·thermal the effectofultra—-thin Finallyhygro--thermal stackeddie was packageinvestigated which onthe stress moisture and emphasized hygroscopicdevelopedby absorption thermalmismatchstress reflow finiteelement generatedduring processby analysis.The showedthat results thermo··mechanicalstressand stressalsoinfluence hygro··mechanical onthe wasdonefortheultra-thinstackeddie package.Theoptimizationdesign package: the thicknessand thethicknessofsubstrate increasingchip reducing were to helpful the undercertainconditions. improvehygro-thermalreliability Die Keywords:FEA;MechanicalReliability;Hygro-thermal;Stacked Package 目录 摘要………………………………………………………………………………………I Abstract……………………………………………………….:…………………………………………………….II 第一章绪论…………………………………………………………………………………………。1 1.1微电子封装的概述………………………………………………………………1 1.1.1微电子封装的发展……………………………………………………….1 1.1.2三维封装……………………………………………………………………2 1.1.3叠层芯片封装……………………………………………………………一4 1.2微电子封装的热湿可靠性………………………………………………………5 1.2.1热机械应力失效…………………………………………………………..5 1.2.2塑料封装的爆米花效应………………………………………………….6 1.2.3腐蚀……………………………………………………………………….7 1.3叠层芯片封装的热、湿可靠性的研究现状……………………………………8 1.3.1热机械应力对叠层芯片封装可靠性的影响……………………………..8 1.3.2湿热效应对叠层芯片封装可靠性的影响………………………………..9 1.4封装失效分析技术………………………………………………………………9 1.5研究意义与研究内容………………………………………………………….11 第二章叠层芯片封装的湿热可靠性实验研究…………………………………………………。13 2.1吸湿特征分析…………………………………………………………………。13 2.1.1湿气的扩散方程…………………………………………………………13 2.1.2 Non.Fickian湿气扩散……………………………………………………15 2.2界面裂纹机制………………………………………………………………….15 2.3实验内容…………………………………………………………………………17 2.3.1叠层芯片封装的吸湿结果和分析……………………………………….19 2.3.2高温烘烤的影响…………………………………………………………20 2.3.3回流焊试验分析…………………………………………………………21 2.4本章小节…………………………………………………………………………23 第三章双芯片叠层封装的湿热有限元模拟……………………………………………………..25 IV 目录 ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨● ¨¨¨¨¨ ¨¨¨¨¨¨“¨¨¨“¨¨¨¨“¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨『=¨¨¨¨¨““¨¨¨ 一 ¨¨¨¨¨¨¨ ¨¨¨¨¨¨¨2巧5 一一 一 ¨¨¨ ¨¨¨¨¨¨● ¨¨¨¨¨ 『:¨¨¨¨¨¨ ¨ ¨¨“¨¨¨ ~型 一 一 一 ¨¨¨¨ ¨¨¨¨~¨¨¨¨¨ ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨27 ~ ¨¨¨¨¨¨¨¨● ¨¨¨¨『:¨~ 『:¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨ ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨ ¨¨¨¨¨¨¨¨2勰8 一 一 一一 一 一一一 一一 ~ ¨¨¨¨¨ ¨¨¨● ¨¨¨¨¨¨¨¨¨ ¨ 一 一¨¨¨¨ ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨”¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨2勰8 ~ ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨● ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨ 『:¨¨¨¨¨2”9 一 ¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨ ¨¨¨¨¨¨¨¨¨ 『:¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨『:¨¨¨¨¨¨『=¨¨¨¨¨3如D 一 一 ¨¨”¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨『=¨¨¨¨『!¨¨¨¨”¨¨¨『!¨『!¨¨¨¨¨””¨¨¨¨¨『!¨『!¨¨¨. ¨¨¨ ¨¨¨¨¨ H. ¨¨ l ~件 ” 一¨ ¨¨¨”” ¨¨3” 3.4模拟结果与分析…………………………………………………………………31 3.4.1湿度分布分析……………………………………………………………3l 3.4.2湿热机械应力分析………………………………………………………35 3.5本章小结……………………………………………………………………….37 第四章超薄叠层芯片封装的湿热机械可靠性模拟…………………………………………。39 4.1超薄叠层芯片封装湿热有限元分析………………………………………….39 4.1.1有限元模型建立…………………………………………………………40 4.2模拟结果与分析……………………………………………………………….40 4.2.1湿度分布分析……………………………………………………………40 4.2.2湿热机械应力分析………………………………………………………42 4.3结构尺寸对湿热机械应力的影响…………………………………………….44 4.3.1不同芯片面积对湿热应力的影响………………………………………44 4.3.2芯片形状对湿热应力的影响……………………………………………46 4.3-3芯片厚度对湿热应力的影响……………………………………………47 4.3.4基板厚度对湿热应力的影响……………………………………………48 4.4多层芯片UT-SCSP的热湿机械可靠性研究…………………………………49 4.4.1湿气扩散模型……………………………………………………………50 4.4.2回流焊模拟………………………………………………………………51 4.4.3湿热应力分析……………………………………………………………52 4.4.4基板厚度对湿热应力的影响…………………………………………….53 4.5本章小结……………………………………………………………………….54 结论.…………………………………………………………………………………………………………….…...56 参考文献………………………………………………………………………………………………………58 V 广东工业大学硕士学位论文 攻读硕士学位期间取得的研究成果……………………………………………………………64 学位论文独创性声明………………………………………………………………………………….65 致谓l……….………….………………………….…………………………………………………………………..66 VI Contents Contents 1 ChapterIntroduction…………………………………………………………………………………………..1 1.1Theoverviewof microelectronic package…………………………………………………….1 1.1.1The ofmicroelectronic development package………………………………………1 1.1.23D Packge……………………………………………………………………………………….2 1.1.3StackedDie Packge…………………………………………………………………………..4 1.2 ofofmicroelectronic Hygro-thermalreliability package………………………………..5 1.2.1 Failurecausedthermalmachanicl by stress………………………………………….5 1.2.2The of popcornplastic package…………………………………………………………..6 1.2.3 Corrosion…………………………………………………………………………………………7 1.3The ofeffect on studyactuality ofhygro—thermalofSCSP………………8 reliability 1.3.1Thermo。mechanicalstress onthe ofSCSP reliabilitypackage………………..8 1.3.2 effectonthe ofSCSP Hydrothermalreliabilitypackage………………………..9 The 1.4 ofmicroelectronic technology failure packageanalysis……………………………9 1.5 and Significancecontent………………………………………………………….……………….II 2Thetest of on of Chapter studyhygro—thermal SCSP……………………………..13 reliability 2.1The of analysisabsorptioncharacteristic…………………………………………………….13 2.1.1 formoisture Equations diffusion……………………………………………………….13 2.1.2 Non-Fickianmoisture diffusion………………………………………………………..15 2.2Mechanicsofinterfacial delamination………………………………………………………..15 2.3 Experimentalcontent………………………………………………………………………………..17 2.3.1Theresultand of of SCSP……………………………………19 analysisabsorption 2.3.2Theeffectof High temperaturebaking………………………………………………20 2.3.3The ofsolder analysis reflow……………………………………………………………21 2.4Chaptersummary…………………………………………………………………………………….23 3FEAofeffect on Chapter ofhygro—thermaltwo—chipSCSP……………………………………25 3.1Moisturediffusion model………………………………………………………………………….25 VII 广东工业大学硕士学位论文 The 3.2 stressmodel………………………………………………..27 hygro·thermo-mechanical :;.3 Finiteelementmodeloftheestablishment……………………………………….…………28 3.3.1Createa model………………………………………………………………..28, simplified 3.3.2 material Assign properties………………….…………….…………………….…….….29 :;.3.3Mesh…….j…………….………………………………………………..…….………………..3() :;.3.4 andinitial 1 Boundary conditions………………………………………………………..3 :;.4 Simulationresultsand 1 analysis………………………………………………………………….3 3.4.1Moisturedistribution 1 analysis……………….……………….……….………………..3 3.4.2 stress analysis…………………………………………..35 Hygro—thermo—mechanical :;.5 Chaptersummary…………………………………………………………………………………….37 4FEA ofofUT-SCSP…………………….39 ChapterofHygro—thermo—Mechanicalreliability 4.1FEAofeffect on UT-SCSP……………….……………………………..39 ofhygro-thermal 4.1.1Finiteelementmodelofthe establishment…………………………………………40 4.2Simulationresultsand analysis………………………………………………………………….40 4.2.1Moisturedistribution analysis…………………………………………………………..40 4.2.2 stress Hygro·thermo—mechanicalanalysis…………………………………………..42 4.3Structuresizeinfluenceonmechanical stresses…………………………………………..44 4.3.1Differentdiesizeinfluenceonmechanical stresses……………………………..44 4.3.2Thedie influenceonmechanical shape stresses………………………………….46 Thethicknessoftwodiesinfluenceon 4.3.3 mechanicalstresses…………………47 4.3.4Thethicknessofsubstrateinfluenceonmechanical stresses…………………48 4.4 ofthe UT-SCSP…………..49 Hygro-thermo—Mechanicalreliabilitymultilayerchip Moisturediffusion 4.4.1 model…………………………………………………………………50 4.4.2Thesimulationofreflow………………………………………………………………….51 4.4.3 stress Hygro—thermo-mechanicalanalysis…………………………………………..52 4.4.4Thethicknessofsubstrateinfluenceonmechanical stresses…………………53 4.5Chaptersummary…………………………………………………………………………………….54 Conclusions…………….…..……………………………………………………………………..……..…..…..56 References.......….……………..……….……………………..……….…………….…..………..….………..58 theMaster Paperspublishedduring Degree………………………………………………..…………..64 VIII Contents The statementof originality thesis…………………………………………………………………………65 一章绪论 章绪论 1.1微电子封装的概述 21世纪是信息科学技术的时代,随着信息技术的发展,微电子技术得到了大大 的发展。在当今时代中,以集成电路为代表产品的微电子产业已经成为了第一大产 业。在一般情况下,用户需要的不是裸芯片,而是具有封装模块的微电子元件。微 电子封装是从电路设计的完成开始,将裸芯片(chip)、陶瓷、金属、有机物等物质 制造(封装)成芯片、元件、板卡、电路板,最终组装成电子产品的整个过程。微 电子封装是沟通芯片内部世界和外部电路的桥梁,并具有多种功能:机械支撑、信 号传输、物理保护、电源分配、应力缓和、散热防潮、防氧化、防腐蚀、规格化和 标准化等…。 1.1.1微电子封装的发展 微电子封装技术是随着电子元件的发展而发展,至今已经经历了几代的变迁。 性能越来越强,引脚数目越来越多,尺寸越来越少,可靠性变得越来越高。早期的 封装出现在20世纪50年代,当时是以三根引线的TO金属外型封装为主。随着IC 集成度越来越高,封装的引脚数目也越来越多,到了20世纪60年代中期,业界开 发了有8条引线的塑料双列直插式引脚封装(PDIP)。随着芯片尺寸越来越大,管壳 也变得越来越大。到了20世纪60年代术,开发了有引线的陶瓷芯片载体(LCCC)。 到了20世纪80年代中期,开发出的扁平四方型封装(QFP)取代了塑料有引线芯片载 较大,满足不了小型化的要求。实际上,在1968一1969年的两年时间中,业界已开 发出4,夕1-形封装(SOP),但这只适用于少引线电路。在电子产品追求轻、薄、小型 化趋势的推动下,到了20世纪90年代,业界开发出了球栅阵列封装(BGA)以及芯 片尺寸级(CSP)封装。这两种封装具有高的I/O密度、短的电气连接路径以及很 好的电气性能。到了21世纪,电子产品更小、更轻、高性能、高可靠性和低成本的 要求使芯片封装技术不断改进,业界逐渐开发出了系统级封装和三维封装。典型的 广东工业大学硕士学位论文 趋势如图1.1所示。现在,电子产品的功能越来越多、性能越来越强、体积越来越 小、重量越来越轻,电子产品向多功能、高性能和小型化、轻型化方向迅猛发展, 推动着电子封装向密度和可靠性更高的方向不断改进,使封装技术不断壮大发展。 。盛一谚落o^一^v\_缴蠹一瓢铝-一。搿《=l◇一 1960 1970 1980 1990 2000 2010 图1.1微电子封装的发展过程【21 ofmicroelectronic Fig.1·1Development package 1.1.2三维封装 2.D)封装。随着手机、数码相机、MP4、笔记本电脑等移动消费型电子产品对功能 复杂、存储空间大、可靠性高以及小型化等高密度封装的要求程度越来越高,在 MCM(多芯片组件)X、Y平面内的二维封装的基础上,沿Z方向叠层的更高密度 的三维(3D)封装技术得到了充分发展。 3D封装【3】的形式主要分为以下三种:埋置型、有源基板型和叠层型。埋置型3D 封装是一种在各类基板内或多层布线介质层中“埋置”电阻、电容或IC等元器件,在 最上层再安装IC芯片来实现的立体封装;有源基板型3D封装是一种在硅圆片规模 集成后的有源基板上再实行多层布线,在顶层仍安装其他IC或其他元器件,进而实 现立体封装:叠层型3D封装是应用最为广泛的一种,其基本结构是将多个裸芯片 2 第一章绪论 或封装堆叠起来,中间可以有夹层或没有夹层,夹层可以是多层的PCB板(包含或 不包含无源元件),各层互连可以是线焊(wire bond)、倒装焊(FCbond),还可以是 过通孔进行直接互连(TSV)。3D叠层型封装是近年来发展迅速的集成封装技术,从 具体的方案上有封装的堆叠与芯片的堆叠两大类,如图1.2、图1.3所示。 die cpacur 图1.2堆叠封装【31 图1.3番层芯片封装131 PoP SCSP Fig.1-2Package Fig.1—3 Package 3D叠层型封装的优点…如下: (1)外形尺寸减小 相比于传统的二维封装,叠层封装由于沿着芯片表面的Z方向上来实现多层堆 叠封装,因而具有尺寸更小和重量更轻的特点。 (2)硅片利用效率提高 在传统的2D封装技术中,硅片利用效率的提高是很困难的。如在MCM封装 中,裸芯片的应用使焊盘的面积减小了20%~90%,而3D封装则更有效地使用了硅 片的有效区域。一般情况下三维封装技术的硅片利用效率超过100%。3D叠层封装 与MCM封装的硅片使用效率对比图1—4如下所示,从图中可以看出3D封装的焊盘 面积明显比MCM封装的焊盘面积少,硅片有效区域明显能够提高。 焊盘面积 图1.43D叠层封装与MCM封装的硅片使用效率对比酬4i ofsilicon between2Dand3D Fig.i-4Comparisonusage’Sefficiency (3)信号传输延迟减小 3D叠层封装能够缩短芯片间的互连长度,随着互连长度的缩短,互连伴随的寄 广东工业大学硕士学位论文 生电容和电感而随之减小。更重要的是,芯片间的互连长度缩短能够降低信号传输 时间。在高速电子系统中,总延迟时问主要是受传输时间的限制,缩短互连长度使 信号延迟能够减小,如图1—5所示。 3维结构 2维结构 图1—52D与3D的互连长度对比 2D the betweenand3D comparison Fig.1-5length (4)运行速度提高 互连的带宽,特别是存储器的带宽,是阻碍系统性能的主要瓶颈。因此,降低 芯片间信号传输的延迟以及增大总线带宽足提高系统性能的有效方法。在不改变器 件尺寸的基础上,采用3D叠层封装技术能够增大存储器件的容量以及实现CPU和 存储器芯片的集成封装进而提高性能。另外,3D叠层封装缩短了芯片间互连长度, 减小了互连尺寸,降低了互连伴随的寄生电容和电感,使芯片问的噪声更小、功耗 更低。 1.1.3叠层芯片封装 叠层芯片封装是3D封装的一种形式,它主要应用于移动手机、电脑和数码相 Scale 机等电子产品的闪存芯片。叠层芯片封装SCSP(StackedChip Package)就是多 个芯片封装于一个器件中,这不但提高了封装密度,同时也缩短了芯片间的互连长 度,提高了芯片间的运行速度,而且通过叠层芯片封装可以达到器件的多功能化。 叠层芯片封装的结构与球栅阵歹iJ(BGA)的结构十分相似。利用粘接层将芯片粘 贴在BT基扳上,然后通过金线来实现互连,封装器件通过焊球与PCB板连接起来。 与BGA不同的是叠层芯片封装在垂直方向把多块芯片粘叠起来然后进行封装。 图1-6是四种不同的叠层芯片封装的形式,(A)是由4块面积逐渐减少的芯片垒 叠组成的金字塔结构,可以在下层芯片的边缘打金线块面积相似的芯片 再加上一块没有功能的硅片(spacer)组成的悬臂结构,而这一块没有功能的硅片是为 4 第一章绪论 了垫高芯片与芯片2_f自J的距离,便于打金线;(C)与(B)类似,但是在4块芯片中没 有:悬臂硅片,而是将这块芯片旋转90度.便于在芯片前后直接打金线。(D)的模型 是(C)的进一步的变化,它是由两块旋转90度的芯片组成ISl。 妒…,勺 A 醪形…………,…,誓溯B r…/ 、7l I r” , 、 …1 r 1 r~ , ~ 7一 r7 q r…‘、] D 鬲“……of 一≮I…翻c F^ ,、翻 r f 1 1 , I\ 彭~ I l *习 譬} {了 图卜6四种不同结构的替层芯片封装 Fi2.1.6Fourdifferentstructurestackednackapirio 当前微电子封装主要以塑料封装为主,塑封器件因具有体积小、重量轻、性能 高、成本低等优点使得塑封器件在商用和工业的电子设备的应用越来越广泛。但足 塑封器件仍然有一定的可靠性风险,塑料封装在潮湿环境或高低温变化的情况下引 起的失效问题越末越突出,因此人们对塑料封装的可靠性问题越来越得到重视。 1.2.1热机械应力失效 塑封材料的玻璃化转换温度在130~160℃。一般的商用塑封器件主要满足3 (汽车温度)。但是,这些范围比传统的军用温度范围(.55~125℃)要窄。另外,还 有许多应用,甚至要求更极端温度下的性能,如寒冷气候的太空设备达.65℃甚至 更低;汽车点火控制要求到175。C[61。因此,塑封器件内部的各种材料的热膨胀系数不 同,导致在温度载荷下不同部分的热应变而产生的应力破坏,此时的热应力会使器 件发生翘曲,引起器件内部分层或裂缝。此外,温度的升高导致材料的力学性能下 降,聚合物与芯片、金属框架之问粘接强度降低,所以在环境温度的突然变化对塑 封器件影响很大。如图1.7所示,由于热应力的作用使金线拉断,器件引起断路失 广东工业大学硕士学位论丈 效。因此,热应力在塑料封装的影响越来越引起人们的关注。同时,在低温环境变 化下也可以使塑封料与芯片间产生应力,最后出现分层等失效问题。Mertolt7】已经发 现了低温循环试验中所产生的应力能够使塑料封装器件产生分层。 图1.7由热应力引起的引线拉断的剖面图 wirecausedthermalstress Cross-sectionoffractured by Fig.1-7 1.2.2塑料封装的爆米花效应 塑封材料是以塑料等树脂类聚合物材料,这种封装材料很容易吸收湿气。虽然 在塑封材料上涂上防水涂层能够有效防止液态水的进入,但并不能阻止湿气渗透到 塑料封装。塑料封装发生于高温回流焊中表面贴装在PCB时的爆米花效应,是由湿 气引起的一个正常的现象,这种失效可以归因于在塑封材料中的湿气突然蒸发而形 成的内在高压。图1.8表明了这种失效机制,塑料封装的裂缝可以逐步分成四个阶 段。第一阶段,如图1.8(a)所示,在预处理过程中,塑封材料开始吸收从大气环 境中湿气并浓缩在塑封材料中的微空洞中。因此,界面的粘接强度降低了,特别在 高温环境下,这种影响更大。在第二阶段中,如图1.8(b)所示,由于在回流过程 中温度升高,浓缩中的湿气开始蒸发,封装内部的蒸汽压变得很高。当在界面中的 应力超过粘接强度时,界面中的微空洞或者是缺陷开始快速生成并最终引起分层。 在第三阶段中,如图1.8(c)所示,蒸发的湿气所产生的压强驱动着界面分层,使 分层更加严重,最终引起封装膨胀。最后,在封装中侧部中形成裂缝并向外延伸, 使裂缝扩大,如图1.8(d)所示。当裂缝到达模塑料的最外部时,水蒸气产生的高 压突然间得到释放,导致界面分层并产生爆米花般的声音,这就是塑料封装的“爆米 花”效应【sJ。 6 (c) (d) 图卜8由湿气引起的封装分层及裂缝: (a)封装吸收湿气,(b)界面分层,(c)封装膨胀,(d)封装爆裂 delaminationand caused absorbsmoisture,(b) Fig.1—8Package crackingbymoisture:(a)package delamination, interfacial (C)packagebulging(d)packagecracking 1.2.3腐蚀 在热与湿环境下,腐蚀对电子封装器件的影响也足很大的,在储存和使用的工 作过程中,腐蚀会对封装中的金属产生作用,使封装的引线或引脚产生短路或者断 路,最后封装器件产生失效。腐蚀可以分为以下情况: (1)Au/A1化合物失效。金和铝在长期储存和使用中所形成的Au.Al化合物, 会使引线键合强度降低,接触电阻增大,变脆开裂,最终可能引起性能退化或开路。 (2)模塑料的热分解产物如环氧树脂或阻燃剂产生的溴或含溴分子对引线键和 处产生腐蚀。Au/Al引线键合在高温以及氧气作用下会产生明显的退化过程,图1-9 为引线键和退化的典型图。在湿气环境中模塑料吸收湿气后会使模塑料膨胀以及更 加容易分解腐蚀分子,因此在湿气环境下腐蚀分子对引线键和的退化影响更大。 (3)在电偏置与湿气情况下的电腐蚀【91。这种电腐蚀主要是因为湿气为金属离 子提供了通道途径,使金属离子容易到达阴极或阳极,最后形成金属须,使得阴极 与阳极短路失效。 广东工业大学硕士学位论文 图1.9典型的引线退化图 A viewof wirebonds Fig.1-9typical degraded 1.3叠层芯片封装的热、湿可靠性的研究现状 叠层芯片封装器件具有较大的发展前景,但是叠层芯片封装器件的可靠性风险 是不可忽视的。当叠层芯片封装器件在潮湿坏境的情况下,叠层芯片封装器件可能 会产生失效。国内外对叠层芯片封装器件的可靠性的研究主要利用可靠性试验以及 有限元分析模拟两方面工作。 1.3.1热机械应力对叠层芯片封装可靠性的影响 温度变化对叠层芯片封装器件的影响也是很大的,因为塑封叠层封装器件内部 的各种材料的热膨胀系数不一致,导致产生的热应力会使器件发生翘曲,引起器件 内部分层或出现裂缝,所以在各种工艺中温度的突然变化塑封器件可能会产生失效。 Wan∥o】等利用影栅云纹法以及密栅云纹法测试出多层芯片封装在回流过程中 的翘曲情况,发现模塑封材料是主要影响封装翘曲的因素,在相同芯片高度以及模 塑料高度的情况下,八层芯片叠层封装的翘曲情况是四层的8倍。在八层芯片叠层 封装中小尺寸芯片的封装出现较小的翘曲应力。Zhangt川对堆叠芯片BGA组件中利 用实验数据以及FEM模拟对比的方法分析了多芯片组件在装配过程中所产生的翘 曲,并发现在模型使用非线性方法能够有效预测其结果。Yangt挖l利用FEM模型以及 影栅云纹测试法分析在150。C的高温贮存下的多芯片叠层封装中的引线框架与金丝 界面中的开路失效机制,并对此提出改进措施。 温度循环是一种可以有效观察应力疲劳的温度模拟试验,人们利用温度循环试 8 第一章绪论 验研究各层材料之间的粘附情况以及应力分布情况。芯片封装焊点的寿命预测一直 是芯片封装可靠性问题的重要内容,实践证明热载荷作用是芯片封装组件失效破坏 的主导因素,因此热循环条件下的芯片封装有限元模拟及焊点寿命预测在芯片封装 组件的可靠性评价中有着非常重要的地位。 桂林电子科技大学的康雪晶11,】利用有限元分析软件研究了温度循环下叠层芯片 点的热疲劳寿命。浙江工业大学的许杨剑f14】基于Darveaux的能量法应用弹粘塑性有 限元法对芯片叠层球栅阵列尺寸封装的焊球,在热循环条件下进行数值模拟和焊球 Chunlee和HsinChillliuI”】等人利用有限元法研究三维叠层芯 疲劳寿命预测。Chang 片封装结构,通过在基板下面加一个应力缓冲层可以提高焊球热循环寿命。Jani Miettinen等人116,利用有限元法研究层叠系统级的热行为,并探讨了环境试验与模型 的关系,最后建立边界条件独立紧凑热模型。 1-3.2湿热效应对叠层芯片封装可靠性的影响 复旦大学的顾靖m,通过对双芯片叠层封装器件进行高温高湿加速实验(85℃/ 60%RH/120h)及有限元模拟分析由应力引起的失效机理。桂林电子科技大学的李 莉t侣I采用有限元模拟分析了以QFN形式的六层超薄芯片叠层封装器件在经过回流 焊后的热应力及翘曲分布情况.Prackll91通过有限元分析软件对3D超薄芯片叠层封 装在不同厚度的基板以及在不同回流工艺条件下模拟分封装出现裂缝或分层的情 h)以及利用有限元模型分析了两层堆叠芯 况。Kiml201通过预处理(85℃/85%RH/3 片由水汽引入的芯片界面结合状况、湿热膨胀性质以及气压对器件的影响。Hual2q 利用湿热有限元模型分析了四层堆叠芯片封装由水汽引入的水汽扩散过程以及在回 流过程中的应力分布以及分层过程,并用试验方法研究了基板与模塑材料是最容易 发生分层的位置1231。 1.4封装失效分析技术 微电子封装器件具有一定的可靠性风险,在各种应力情况下如潮湿、温度、振 动等可能会产生失效。为了更好地分析其失效机理的情况以及对封装器件作进一步 的改进,使封装质量提高,对于器件的失效分析有一定的必要性。目前,对封装进 9 广东工业大学硕士学位论文 行失效分析主要有两种手段,一是实验分析方法,利用各种专用设备和检测方法对 失效封装样品进行检测与分析;二是利用有限元模拟分析。对封装在各种使用条件 下进行数值模拟,找出可能引起封装失效的因素。 实验分析方法可以分为破坏性分析和非破坏性分析两种。非破坏性分析就是在 不破坏器件结构的条件下而获取器件失效的原因的方法。破坏性分析则是需要破坏 器件的结构,再利用各种仪器设备对失效原因进行分析。 常用的非破坏性分析手段有:X光透射分析、C模式超声扫描显微镜(C.SAM)、 也可以帮助了解聚合物材料的热性能、力学性能和流变性能,对于工艺条件的改进 是很有帮助的。 探测物体内的结构,缺陷,以及对材料做定性分析。其优点是非破坏性,对粘接层 面敏感度高,能穿透大多数材料。超声显微镜通常用于检测IC封装中的缺陷。这些 缺陷包括封装中的各种裂纹及空洞,塑封体与芯片之间的剥离,粘片或引线框架中 的剥离等,如图1.10所示,典型的引线框架剥离分层图,从图中可以看出引线框架 确实出现分层情况。 图卜10引线 ofacoustic Fig.1-1Examples microscopyimage 剖面分析方法是一种很常用的破坏性分析方法,即将封装模块进行切割,观察 其截面情况。选择合理的切割位置和剖面制备的方法,然后在光学显微镜、电子显 微镜等进行进一步的观察和分析,以获取更多的信息。 有限元分析在封装的可靠性研究应用非常广泛,利用有限元模拟计算可以避免 10 第一章绪论 样品重复试验,缩短时间,与试验结果进行验证对比,准确找到潜在的设计缺陷并 确定最佳结构,有效地提高样品的可靠性。有限元模拟可以有效模拟封装器件的应 力分布、湿气分布或热分布等,人们可以清晰分析出封装器件的失效机理,并进行 预测和改进。本文正是利用有限元仿真软件ANSYS对叠层芯片封装的湿热环境的 影响进行可靠性分析。 ANSYS是融结构、传热学、流体、电磁、声学和爆破分析与一体的大型通用和 商用有限元软件,它被广泛应用于众多工业领域如机械制造、石油化工、轻工、造 船、航空航天、汽车、铁路、土木工程、水利、电子、生物医学等,为各领域的科 学研究以及工程应用有巨大的推动作用。它含有多种有限元分析的能力,包括从简 单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。ANSYS提供了两种工作模式,即人机 交换模式和命令流输入模式(APDL)。通过利用APDL的程序语言可以实现参数化 的建模、参数化的加载、参数化的分析控制求解以及参数化的结果后处理,从而实 现参数化有限元分析的全过程【24】。 1.5研究意义与研究内容 叠层芯片封装是一种得到广泛应用的三维封装技术,叠层芯片封装不但提高了 封装密度,同时也减小了芯片之问的互连导线长度,从而提高了器件的运行速度, 而且通过叠层芯片封装还可以实现器件的多功能。随着封装密度增加,封装由于热 机械应力的影响越来越明显。同时现在的封装材料主要以塑料等树脂类聚合物材料, 而这类材料很容易在贮存过程中吸收湿气,当在回流过程中由于高温对器件的可靠 性影响很大,因此研究叠层芯片封装受热湿机械力的作用以及改善其可靠性具有一 定的必要性。 通过应用高温高湿试验对叠层芯片封装器件施加应力,对试验中的样品进行检 测和分析,从而评估叠层芯片封装在湿热环境下的质量和可靠性水平,为进一步推 广塑料叠层封装器件在高可靠领域的应用提供技术支撑。 本文主要研究了叠层芯片封装的湿热可靠性问题。基于湿气扩散模型,对湿气 扩散特征系数进行实验测定。对叠层芯片封装进行回流焊试验以研究湿热对其界面 可靠性的影响。接着利用有限元模拟了双芯片叠层封装和超薄叠层芯片封装的湿气 扩散过程以及回流焊过程中的湿热机械应力。 本文的结构安排如下: 广东工业大学硕士学位论文 第一章论述了本课题的背景,叠层芯片封装的在湿热可靠性的研究现状以及封 装失效分析的技术手段,最后介绍了本文的章节安排。 第二章论述了双层芯片叠层封装在湿气吸附、解吸附以及回流焊的实验研究。 第三章利用有限元工具模拟分析双层芯片叠层封装在回流焊过程所受到的湿热 机械应力布。 第四章利用有限元工具模拟分析超薄叠层芯片封装器件的湿热可靠性,并

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