微电子封装高聚物热、湿—机械特性及其封装可靠性研究

论文摘要

信息技术和电子产品已成为当今世界的第一大产业。IC的核心是集成电路芯片，但是每块芯片都要经过合适的封装才能满足使用要求。因此，随着芯片集成水平的不断提高，微电子封装已与IC设计和制造共同构成了IC产业的三大支柱。 本论文着重对环氧树脂封装材料进行了疲劳破坏实验、数值模拟和对倒装焊底充胶特性、倒装焊可靠性以及湿热对封装材料的影响三方面进行了系统的研究，主要工作包括以下几方面内容： 第一方面。根据ASTMD-638标准制作试件，通过常温和高温静态拉伸实验测绘出EMC材料的应力应变曲线，同时确定了材料相应的力学性能。同样采用ASTMD-638标准制作试件，然后对该试件进行常温和高温的拉—拉疲劳实验，在实验过程中同时测定材料的应力应变等值，通过测出的这些值和实验结果，改进现有的疲劳寿命预测模型，确定了环氧树脂材料的疲劳寿命预测方程，通过此公式可以对温度在25℃～150℃之间、一定应力水平下的环氧树脂封装材料进行疲劳寿命预测，而且通过常温疲劳实验结果得出了常温时单对数S-N曲线。 运用扫描电子显微镜分别对试件的常温、高温拉伸断口和常温、高温疲劳断口进行显微金相分析，得出了环氧树脂封装材料的主要失效机制：常温下颗粒与基质问的分层、基质间的开裂、颗粒本身的开裂；而高温时，由于环氧树脂封装材料中基质的软化，颗粒与基质间的分层是最主要的失效形式。用有限元数值模拟了实际微电子封装器件PBGA的部分组装、封装和热循环过程，对器件中应力应变进行分析计算。同时采用所确定的疲劳寿命预测模型，进行了封装材料疲劳寿命的预测，进而确定了环氧树脂封装材料中可能失效和最可能失效的位置。 第二方面。倒装焊因为具有最短的电连接通路、卓越的电气性能和相当高的I／O数目成为高密度封装中最有前途的互连技术之一。封装材料经受温度循环过程，由于各材料间的热膨胀失配，在封装材料内部将产生周期的应力应变过程，导致封装材料失效，最终引发芯片或焊点破坏。 为改善元器件的热-机械性能，使用以碳纤维和粒子填充的聚合物并得出导热系数预测模型和热膨胀系数预测模型。预测的底充胶导热和匹配性能高于目前采用的底充胶；通过有限元模拟的方法，对导热系数对温度场的影响研究表明：高导热系数底充胶可以使倒装焊温度均匀而降低应力、应变，提高可靠性；热膨胀系数对应力的影响作了模拟的研究结果表明：从使用的高、低热膨胀系数的等效应力来看，若热膨胀系数的增加一倍，焊点边缘的最大应力与焊点的内部应力比有17～49％的增加；对填充了底充胶的倒装焊焊点，分别用[C-M]与[E-W]公式对焊点寿命进行了预测，验证了Engelmaier的结果。 第三方面。湿热一直是聚合物封装器件可靠性的最大威胁，主要表现在热膨胀比不匹配、脱层以及对材料粘弹性的改变。论文用拉伸蠕变实验验证了水分对蠕变的影响，并得出了含水量对粘弹性影响量之间的关系；研究了填料对吸水量的影响关系；研究了水分对剪切模量和玻璃体转化温度的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 论文课题来源和意义
• 1.1.1 论文课题来源
• 1.1.2 论文课题研究的背景和意义
• 1.2 论文目前研究的现状
• 1.2.1 微电子封装技术的发展与演变
• 1.2.2 论文目前研究的现状
• 1.3 论文主要研究的内容
• 第二章 传热学、力学理论基础
• 2.1 传热学基本理论
• 2.1.1 Fourier定律
• 2.1.2 传导基本微分方程
• 2.1.3 基本边界条件
• 2.1.4 对流换热边界层分析及边界层微分方程组
• 2.2 热应力理论
• 2.2.1 热应力中的变分原理
• 2.2.2 弹性热应力问题
• 2.2.3 弹塑性热应力
• 2.3 本章小结
• 第三章 微电子封装复合材料的疲劳理论
• 3.1 机械疲劳基础与理论
• 3.1.1 疲劳失效基础
• 3.1.2 疲劳失效特征
• 3.1.3 复合材料疲劳破坏准则
• 3.1.4 疲劳S-N曲线
• 3.2 复合材料的疲劳模型与寿命预测
• 3.2.1 剩余强度衰减模型
• 3.2.2 剩余刚度衰减模型
• 3.2.3 疲劳模量衰减模型与寿命预测
• 3.2.3.1 疲劳模量衰减模型
• 3.2.3.2 基于疲劳模量衰减模型的疲劳寿命预测
• 3.3 本章小结
• 第四章 环氧模塑封装材料力学特性与实验
• 4.1 概述
• 4.2 环氧树脂封装材料的粘弹性本构关系模型
• 4.3 环氧树脂封装材料的疲劳寿命预测模型
• 4.4 环氧树脂封装材料实验与数据处理
• 4.4.1 实验概述
• 4.4.2 实验准备
• 4.4.2.1 试样材料与试样制备
• 4.4.2.2 实验使用的设备
• 4.4.3 拉伸实验
• 4.4.3.1 实验参数的选择与实验步骤
• 4.4.3.2 实验结果与数据处理
• 4.4.4 疲劳实验及寿命预测模型的确定
• 4.4.4.1 实验参数的选择与实验步骤
• 4.4.4.2 实验结果与数据处理
• 4.4.5 环氧树脂封装材料失效机制
• 4.5 本章小结
• 第五章 底充胶封装材料的导热与膨胀性能
• 5.1 概述
• 5.2 微电子封装材料对导热的要求
• 5.2.1 常用底充胶封装材料
• 5.2.2 物质的导热机理
• 5.2.3 环氧树脂基复合材料
• 5.2.4 氮化铝陶瓷
• 5.2.5 硅的化合物
• 5.2.6 碳纤维填料
• 5.3 复合材料导热系数模型与测试验证
• 5.3.1 复合材料导热系数的基本方程
• 5.3.2 复合材料的导热系数改进方程
• 5.3.3 复合材料导热系数的经验模型
• 5.3.4 纤维填料的导热系数模型
• 5.4 高热导率纤维和颗粒共填充的聚合物基复合材料导热模型
• 5.5 复合材料的热膨胀性能
• 5.6 本章小结
• 第六章 倒装焊技术及其热、力学可靠性研究
• 6.1 倒装焊技术概述
• 6.2 倒装焊技术的起源、特点与发展
• 6.2.1 倒装焊技术的起源
• 6.2.2 倒装焊技术的特点
• 6.2.3 倒装焊技术的发展
• 6.3 衬底（基板）材料与底充胶工艺
• 6.4 倒装焊可靠性研究热点
• 6.4.1 焊点的可靠性
• 6.4.2 底充胶材料、工艺和可靠性
• 6.4.3 倒装焊的有限元模拟
• 6.4.3.1 底充胶对温度分布的影响
• 6.4.3.2 不同热膨胀系数和不同位置倒装焊焊点的应力对比
• 6.5 影响倒装焊芯片的可靠性因素探讨
• 6.6 本章小结
• 第七章 倒装焊SnPb焊点的可靠性寿命预测
• 7.1 SnPb焊点材料模式
• 7.2 填料的粘弹性本构关系
• 7.3 SnPb焊点寿命预测模型题
• 7.4 焊点疲劳可靠性的数值模拟
• 7.4.1 芯片的有限元模型
• 7.4.2 数值模拟结果与讨论
• 7.5 本章小结
• 第八章 环氧树脂封装BGA应力分析及封装材料疲劳寿命
• 8.1 阵列封装BGA封装器件概述
• 8.2 环氧树脂封装BGA有限元仿真
• 8.2.1 环氧树脂封装BGA的结构
• 8.2.2 环氧树脂封装BGA几何尺寸及有限元网格化分
• 8.2.3 环氧树脂封装材料特性
• 8.2.4 封装组装工艺及热循环加载
• 8.3 仿真结果分析
• 8.3.1 芯片键合分析
• 8.3.2 加工再流分析
• 8.3.3 热循环时环氧树脂封装材料疲劳寿命的预测
• 8.4 本章小结
• 第九章 湿热对IC封装材料的性能影响及其分析
• 9.1 材料与试样的制备
• 9.2 吸湿实验
• 9.2.1 试样的恒温吸湿
• 9.2.2 吸湿量与填料的关系
• 9.3 蠕变实验
• 9.4 DMA热膨胀与湿度膨胀系数的测定
• 9.4.1 EPN1180热膨胀系数（CTE）的测试
• 9.4.2 恒温湿度阶梯扫描实验测定湿度膨胀系数（CME）
• 9.4.3 湿度变化引起的膨胀
• 9.5 湿热对剪切测试的影响
• 9.5.1 剪切实验
• 9.5.2 干、湿试样的剪切主曲线比较
• 9.6 本章小结
• 第十章 结果讨论与创新
• 一、结论与创新
• 二、存在的问题、建议
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果