（化工过程机械专业论文）温湿度条件下塑封电子器件力学行为的模拟.pdf

中国近代第一所大学 f o u n d e din18 9 5 天洋大謦 tia n jinu niv e r sit y 硕士学位论文 - 学科专业： 作者姓名： 指导教师： 化工过程机械 赵树峰 陈旭教授 天津大学研究生院 2 0 0 5 年1月 中文摘要1 在确定了材料和材料间界面的力学性能基础上，对塑封电子器件温湿度条件 下的力学现象进行模型模拟研究是寻找塑封器件失效原因，分析各种因素影响趋 势和程度，进行合理的材料和结构选择的好方法。 本文模拟了塑封器件在钎料回流中的热传导过程。利用质量传递基本理论测 定塑封用环氧树脂的吸湿性能，发现第二相( 液相) 的生成是导致湿气在塑封用 环氧树脂中扩散过程不遵循f i c k 第二定律的主要原因，并依此修正水分扩散的 控制方程f i c k 第二定律，使控制方程很好的描述塑封用环氧树脂在不同的环境 温度、环境相对湿度和塑封用环氧树脂内不同湿集中度下的湿气扩散过程。试验 结果还显示一定温度下塑封用环氧树脂的饱和含湿量与周围环境空气的相对湿 度成正比。通过对比热传导方程与质量扩散控制方程，用有限元软件的热分析模 块实现了塑封器件吸湿过程的模拟。利用热力学理论拟合得到的溶解度一温度关 系和吸湿过程模拟结果计算钎料回流过程中的蒸汽压力变化，表明钎料回流过程 中蒸汽压力远小于饱和蒸汽压力。测定塑封用环氧树脂的湿膨胀系数，建立反映 热膨胀、湿膨胀影响的有限元模型，实现了热膨胀、湿膨胀影响在结构场中的耦 合。引入界面断裂力学和复合型断裂理论分析钎料回流过程中，热膨胀、湿膨胀、 蒸汽压力等因素和初始裂纹长度对结构的影响趋势，分析裂纹扩展过程中各因素 的影响。当裂纹尺寸较小时，对结构的影响因素中，热膨胀居主要地位，但由于 i 型成分比重较大，湿膨胀和蒸汽压力的影响也不可忽略。当裂纹尺寸增大时， 蒸汽压力逐渐成为最主要影响因素。从而建立了一套比较完整的温度湿度条件下 塑封电子器件的力学分析方法。 关键词：有限元分析电子封装湿膨胀扩散系数钎焊回流分层塑封器件 国家自然科学基金资助项目( 1 9 8 7 2 0 4 9 ) 和教育部高校青年教师奖资助。 a b s t r a c t 2 v i r t u a lm e c h a n i c a lp r o t o t y p i n gw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h e r m a la n dm o i s t u r e i n f l u e n c eo dp l a s t i ce l e c t r o n i cp a c k a g ei st h em o s tp r o m i s i n gm e t h o df o ri n v e s t i g a t i o n o ft h er o o tc a u s eo fm e c h a n i c a lf a i l u r e ，i m p a c tt r e n da n dl e v e lo fd i f f e r e n tf a c t o r s ，a n d m a t e r i a la n ds t r u c t u r es e l e c t i n g t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep a c k a g i n gm a t e r i a l s a n di n t e r f a c eb e t w e e nd i f f e r e n tm a t e r i a l sa r en e c e s s a r yf o rt h er e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e s so fh e a tt r a n s f e rw a ss i m u l a t e df o rp l a s t i cp a c k a g e d u r i n gp r o c e s so fr e f l o w t h em o i s t u r ea b s o r p t i o nc h a r a c t e r i z a t i o no ft h em o l d i n g c o m p o u n dw a sd e t e r m i n e db ye m p l o y i n gt h et h e o r yo fm a s st r a n s f e r ，a n di tw a sf o u n d t h a tt h ep h e n o m e n ao f m o i s t u r ed i f f u s i o nd i dn o to b s e r v et h ef i c k 。ss e c o n dl a w , w h i c h w a sa t t f i b u t e dt ot h eo c c l m - t e n c eo ft h es e c o n dp h a s e t h eg o v e r n i n ge q u a t i o no f d i f f u s i o nw a sc o r r e c t e dt oa g r e ew i t ht h em o i s t u r ed i f f u s i o np h e n o m e n aa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n dm o i s t u r ec o n c e n t r a t i o no fm o l d i n gc o m p o u n d i tw a sa l s o f o u n dt h a tt h es a t u r a t e dm o i s t u r ec o n t e n to fm o l d i n gc o m p o u n dw a sp r o p o r t i o n a lt o t h er e l a t i v eh u m i d i t ya tc e r t a i nt e m p e r a t u r e t h em o i s t u r ed i f f u s i o nw a ss i m u l a t e db y e m p l o y i n gt h et h e r m a la n a l y s i sm o d u l eo fc o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n tc o d e ，a n s y s ， t h r o u g hc o m p a r i s o no ft h eg o v e r n i n ge q u a t i o no fh e a tt r a n s f e ra n dm a s sd i f f u s i o n t h ev a p o rp r e s s u r ed u r i n gt h er e f l o wp r o c e s sw a so b t a i n e dw i t ht h er e s u l to fm o i s t u r e d i f f u s i o ns i m u l a t i o na n ds o l u b i l i t y t e m p e r a t u r ec u r v ea c c o r d i n gt oa r r h e n i u se q u a t i o n ， a n di tw a sf o u n dt h a tt h ev a p o rp r e s s u r ei ni n i t i a ld e f e c td u r i n gr e f l o ww a sm u c hl e s s t h a nt h es a t u r a t e dv a l u ea tt h es a m et e m p e r a t u r e t h ec o e f f i c i e n to fm o i s t u r e e x p a n s i o no f t h em o l d i n gc o m p o u n dw a sd e t e r m i n e d ，f i n i t ee l e m e n tm o d e l sw i t ht h e i m p a c to ft h e r m a le x p a n s i o na n dm o i s t u r ee x p a n s i o nw e r eb u i l t ，a n dt h ec o u p l eo f i m p a c to ft h e r m a le x p a n s i o na n dm o i s t u r ee x p a n s i o no ns t r u c t u r ef i e l dw a sr e a l i z e d t h ei m p a c tf a c t o r s ，s u c ha s ，t h e r m a le x p a n s i o n ，m o i s t u r ee x p a n s i o n ，v a p o rp r e s s u r e a n di n i t i a ll e n g t ho ft h ec r a c k ，o nc r a c kp r o p a g a t i o nd u r i n gr e f l o wp r o c e s so fs o l d e r w e r ea n a l y z e db a s e do ni n t e r f a c ef r a c t u r em e c h a n i c sa n dm i x e dm o d ef r a c t u r e i tw a s f o u n dt h a tt h e r m a le x p a n s i o np l a y e dt h ek e yr o l ew h i l ec r a c kw a ss m n l ，b u tt h e i m p a c to ft h em o i s t u r ee x p a n s i o na n dv a p o rp r e s s u r ec a n n o tb en e g l e c t e db e c a u s e 2t h i sp r o j e c t i ss u p p o r t e db y t h e n a t i o n a l n a t u r a ls c i e a c ef o u n d a t i o no f c h i n a 0 9 8 7 2 0 4 9 ) a n d t h e t e a c h i n g a n d r e s e a r c ha w a r dp r o g r a mf o ro u t s t a n d i n gy o u n gt e a c h e r si nh i g h e re d u c a t i o ni n s t i t u t i o n so f m o e ，e rc i ” h i g hp r o p o r t i o no ft h em o d e io fc r a c k t h ev a p o rp r e s s t t r eb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n td u r i n gt h ep r o p a g a t i o no ft h ec r a c k as e to fm e t h o d sf o rm a c r o s c o p i c m e c h a n i c a lr e s e a r c ho ft h ep l a s t i ce l e c t r o n i cp a c k a g eu n d e rt e m p e r a t u r ea n d h u m u i d i t yc o n d i c t i o nw a se s t a b l i s h e du p o nt h ep r o g r e s s e sm e n t i o n e da b o v e k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，e l e c t r o n i cp a c k a g e ，m o i s t u r ee x p a n s i o n ( t t y g r o s w e l l i n 曲，d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，s o l d e rr e f l o w , d e l a m i n a f i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：赵耐晦签字日期：矽驴f 年月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权垂盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇匙拊晦 签字日期：即y 年。月y f 日 聊虢叩她 导师签名： i u 蚴刷 i 1 签字目期：o 柝2 月哆日 第一章文献综述 第一章文献综述 塑封电子器件在温度、湿度条件下的可靠性是电子工业主要关注的问题之 一，目前有6 5 的封装失效可以归咎为温度载荷下的力学问题【1 1 。未来的电子产 品将功能集成、更i o n , j , 型化，更大的能量释放密度和互连密度，将使温度、湿度 条件下的可靠性更为关键。 通过观察塑封电子器件中的破坏形式，发现多数温度、湿度条件下的可靠性 问题可以追溯到生产和工艺设计阶段。但是，在电子工业中反复试验法( 试误法， 而a 1 a n d e r r o rm e t h o d ) 仍广泛应用于生产和工艺改进中。这种方法就是设计、 制造、测试器件的几个重复循环，产品的可靠性只是设计完成之后考虑的问题。 因此，急需建立一种全新的方法适应产品的功能集成、小型化。在目前的方法中， 建立有限元模型，对塑封电子器件的制造工艺过程和各种温湿度的工作环境进行 模拟分析研究，是很好的方法。 1 1 微电子器件主要的力学失效形式 封装失效的现象有“p o p c o r n ”，芯片( d i e ) 和银浆( d i ea t t a c h ，e p o x y ) 之 间分层( d e l a m i n a t i o n ) ，金属基板( p a d ) 和银浆之间分层，芯片和金属基板与 塑封胶分层( 如图1 2 和图1 ，3 所示为器件在回流前后的超声波透射和反射的图 像) ，芯片裂纹( 如图1 - 4 所示) ，塑封胶裂纹等。 失效形式主要有以下几方面： ( i ) 热应力破坏 由于塑封器件所采用各种材料的热膨胀系数( c t e ，c o e f f i c i e n to ft h e r m a l e x p a n s i o n ) 不同，而导致在温度载荷下不同部分的热应变不同造成的应力导致 的破坏。此外温度会导致材料的力学性能下降，聚合物与芯片、金属框架、印刷 电路板( p c b ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 之问粘接强度降低。 ( i i ) 湿应力破坏 微电子封装中聚合材料和复合材料吸湿膨胀而芯片和金属框架不膨胀，产生 湿应力。与温度类似吸湿后材料的力学性能下降，聚合物与芯片、金属框架、印 刷电路板之间粘接强度降低。 第一章文献综述 ( i i i ) 回流过程中蒸汽压力造成的破坏 回流过程中，高温( 2 4 0 。c 2 6 0 。c ) 使得材料吸收的水分发生相变( 汽化) 而导致塑封体内缺陷空穴内的很高蒸汽压力【2 1 而导致的缺陷扩展。图1 - 1 为蒸汽 压力造成的破坏的示意图。 ( i v ) 固化收缩( c u r i n gs h r i n k a g e ) 造成的破坏 电子封装中聚合材料在固化过程中体积收缩而产生的应力造成破坏。 ( v ) 焊球金属的疲劳破坏 由于温度循环产生的周期性的蠕变和塑性变形而导致的焊点金属的低周热 疲劳破坏，这需要焊点金属的粘弹性本构模型，计算蠕变和塑性变形来预测温度 循环时焊点金属的疲劳寿命1 3 】。 i s t u 怄抽$ 搏r 砒l o nh 珞m 8 m - i ， 轴c 蝴缸伸r dm o u n t g m m 1 9 l e n 删。g 。 轴c | 嘲e 抽轴m i n a 删p n 舯a m n g 图1 1 吸湿导致的破坏 f i g 1 1f a i u r ec a u s e db ym o i s t u r ea b s o r p t i o n 图1 2 回流前后超声波透射得到的图像 f i g 1 2t h r o u g h s c a np i c t u r eb e f o r ea n da f t e rr e f l o w 2 第一章文献综述 图1 3 回流前后超声波反射得到的图像 f i g 1 - 3c s c a np i c t u r eb e f o r ea n da f t e rr e f l o w 图1 2 ，图1 3 中左边的颜色条从上到下代表分层( d e l a m i n a t i o n ) 程度加重。 可以看出在钎料回流后明显发生了界面分层。 1 2 失效原因 图1 - 4 芯片裂纹 f i g 1 4d i ec r a c k 封装失效的原因可以归结为材料和结构的因素： ( i ) 材料 吸湿性能：材料的饱和含湿量，吸湿膨胀程度，吸湿对材料力学性能及界面 性能有较大的影响。自从望封器件发现“p o p c o m ”破坏现象，湿度对电子封装 中聚合材料和复合材料性能的影响成为一个重要的问题。湿度对材料性能的影响 第章文献综述 图1 3 回流前后超声波反射得到的图像 f i g1 - 3c - s c a np i c t u r eb e f o r ea n da f t e rr e f l o w 图1 - 2 ，图1 - 3 中左边的颜色条从上到下代表分层( d e l a m i n a t i o n ) 程度加重。 可以看出在钎料回流后明显发生了界面分层。 1 2 失效原因 图1 - 4 芯片裂纹 f i g 1 - 4d i ec r a c k 封装失效的原因可以归结为材料和结构的因素： ( i ) 材料 吸湿性能：材利的饱和含湿量，吸湿膨胀程度，吸湿对材料力学性能及界面 性能有较大的影响。自从塑封器件发现“p o p c o r n ”破坏现象，湿度对电子封装 中聚合材料和复合材料性能的影响成为一个重要的问题。湿度对材料性能的影响 中聚合材料和复合材料性能的影响成为一个重要的问题。湿度对材料性能的影响 第一章文献综述 主要有两个方面 l 】，材料吸湿膨胀导致湿应力及聚合物界面粘结强度的降低。聚 合物吸湿膨胀而芯片和金属框架不膨胀，变形的不匹配导致应力( 称作湿应力) 与热失配导致的应力类似。 t a y 和l i f t 4 1 指出在塑封器件中由湿应变导致的湿应力将叠加在热应力上。 t a n a k a 和n i s h i m u r a p l 指出湿度将使塑封框架界面强度降低。湿度的影响力n ? a f j t 回流过程“p o p c o r n ”破坏的问题。 力学性能：塑封用聚合物材料的力学性能因温度不同有较大的变化( 具有很 强的温度相关) 。 ( i i ) 结构 使用相同的材料，不同的结构设计会导致不同的结果，所以在设计阶段通过 模拟得到合理的结构是必要的。 1 3 目前研究状况 与在1 1 节和1 2 节所提出的的失效形式和原因对应，目前对塑封器件力学 破坏的研究主要集中在： ( i ) 材料性能方面的研究：水分对塑封材料机械性能和界面断裂性能的影 响，塑封材料的温度相关力学性能( 弹性模量，泊松比，热膨胀系数等) 、应变 率相关力学性能和吸湿性能的测定和表征。 ( i i ) 复合型断裂、界面断裂理论的探索研究，判据的选择。 ( i i i ) 对吸湿回流过程的模拟如何实现。 ( i v ) 热膨胀失配导致的热应力的影响，聚合物材料吸湿膨胀导致的湿应力 的作用，回流过程中聚合物材料吸收水分在塑封体内缺陷空穴内形成的蒸汽压 力。 下面对这些研究的现状逐一进行介绍。 1 3 1 塑封材料性能方面的研究 塑封材料性能研究主要集中在吸湿性能的测定和表征，湿膨胀系数的测定， 温度相关和应变率相关力学性能的测定和表征，界面断裂性能的测定等。 ( 1 ) 吸湿性能的测定和表征。 大多数的机械破坏出现在吸湿后的回流过程，所以吸湿与回流是两个值得关 注的过程。本文利用有限元进行模拟分析就是针对这两个过程。k i t a n o 等1 4 ”进行 了一系列塑封器件的试验，证实了导致塑封器件分层、破坏的不是器件整体含湿 量，而是关键部位的局部湿集中度。进行钎料回流试验的器件有两种，分别是干 第一章文献综述 燥后在8 5 8 5 r h 条件下吸湿的器件，和在8 5 8 5 r h 条件下吸湿饱和再在 8 0 干空气中干燥的器件。试验发现，吸湿时间长于3 4 小时和脱湿时间短于2 6 小时的器件在回流过程中出现界面分层现象，而吸湿3 4 小时器件的含湿量为饱 和含湿量的7 5 ，脱湿2 6 小时器件的含湿量为饱和含湿量的2 5 ，说明导致塑 封器件分层、破坏的不是器件整体含湿量。经过一维模拟分析得到器件分层发生 部位在器件吸湿3 4 小时和脱湿2 6 小时后的湿集中度分别为6 3 和6 0 r 弱l 。所 以得出结论：导致塑封器件分层、破坏的不是器件整体含湿量，而是关键部位的 局部湿集中度 5 4 1 。经过上述分析，说明研究塑封器件的分层就需要知道器件内湿 集中度的场分布，这就需要确定塑封材料的吸湿性能后，对器件的吸湿过程进行 模型模拟分析。 f i c k 第二定律被广泛用于描述质量扩散现象，但是很多学者发现塑封用聚合 材料吸湿并不严格遵循f i c k 第二定律，w o n g 等f 6j 观察到材料在常温低湿的环 境下湿气扩散很好地符合f i c k 第二定律，但在高温高湿的环境下不符合f i c k 第 二定律。 b h a t t a c h a r y y a 等【7 1 在8 5 ，四种不同的相对湿度环境下进行塑封用环氧树 脂的吸湿试验，发现随着环境湿度的增加，扩散系数降低。r o y 等【8 1 把高温高 湿环境下的n o n f i c k i a n 现象解释成为类似粘弹性理论中的时间相关、过程相关 的现象。f r i s c h 9 1 和c m l l l ( 1 0 1 是最早发现聚合物中水汽扩散的n o n f i c k i a n 现象 的学者之一，他们把这种现象解释为时间相关性。f f i s c h i n l 提出在聚合物的玻璃 转化温度( g l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，您) 以下扩散系数是过程相关的。 w e i t s m a n i 垃】应用连续介质力学和不可逆热力学基本理论，计算弹性、粘弹性 聚合材料的应力状态对湿气扩散的影响。由b i o t 1 4 提出，为s c h a p e r y l l 5 】所采 用的，借鉴粘弹性理论中的内部状态变量( 标量) 的方法得到了较好的效果。 这些研究都指出了塑封用环氧树脂的吸湿不遵循f i c k 第二定律，并且采取 了一些唯象的处理方法修正了f i c k 第二定律，但是都没有解释发生这种现象的 本质原因。要准确的描述吸湿过程需要测定聚合材料扩散系数，在一定的空气温 度和相对湿度的环境下饱和含湿量，溶解度等参数。 ( 2 ) 塑封材料的温度相关力学性能( 弹性模量，泊松比，热膨胀系数等) 、 应变率相关力学性能和吸湿性能的测定和表征。 在之前的研究中，确定材料性能的方法可以分为两类：一类是拉伸试验，另 一类是动力学分析( d y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y s i s ，d m a ) 【l “。使用传统的拉伸 测试方法，用大体积的试样( b u l ks a m p l e ) 来测定不同填充材料的力学性能。但 在实际的封装中，一些封装材料的实际尺寸远小于试样的尺寸，在同样的固化条 件下，他们的固化程度会有很大差异。因此由大体积试样得到的力学性能不能反 第一章文献综述 映材料在工作状态下的真实情况。d m a 方法可以使用小试样，但d m a 方法只 能测定材料的温度相关性能，不能得到率相关性能。而这些值是有限元模拟所需 要的。因此有必要利用微型拉伸试验机来确定封装材料的力学性能。由于缺少测 试标准和设备，对封装材料性能的研究还很少。 试样形状的选择，般高分子材料板材拉伸试样大都采用哑铃形试样 1 7 1 ，复 合材料采用长条形试样。材料试样的宽度和厚度对试验结果有一定影响，因而对 试样的宽度和厚度在比例上要有一定要求。同一种材料所取试样的厚度不同，其 拉伸强度会有很大的差别，这是由于在材料制造加工过程中不可避免的产生缺陷 ( 如塑封胶中的v o i d ) ，而缺陷存在的几率与试样的体积或表面积有关，试样大 缺陷存在的几率就高，而试样受力破坏首先是在最危险的缺陷处发生，因此大试 样存在的破坏几率比小试样高。 z h a n g ，s m 和w a n g 16 1 ，q i a n 1 8 等及文献f 1 9 - 2 3 】均指出，聚合物材料具有很 强的率相关、温度相关的非线性力学性能。 q i a n 等i l8 l 利用六轴亚微米测试仪测定了聚合物薄膜( p o l y m e rf i l m ) ，填充材 料( u n d e r f i l l ) 和望封用环氧树脂( m o l d i n gc o m p o u n d ) 的力学性能，并给出了 如下的表征方法， 脊以) 叫鬻f s i g n 扛哪。) ( 1 - i ) 艺非弹性m i s e s 等效应变率 ( t ) 一定温度参考塑性应变率 毋】可以采取幂函数形式，指数函数形式，双曲形式 m i k y o u n g 等1 1 9 】指出塑封用环氧树脂( m o l d i n gc o m p o u n d ) 具有时间相关的 粘弹性力学性能，有应力松弛现象。封装材料及结构的改进不只是出于应力方面 的考虑，而且有助于热性能的改善。新的封装材料应该具有更低的热膨胀系数和 弹性模量。但是通过加入添加剂来降低热膨胀系数的方法会造成弹性模量的提 高。降低热膨胀系数的效果会被弹性模量的提高所抵消。在封装设计和改进时， 预测材料和结构参数改变对封装的应力和变形的影响非常重要。m i k y o u n g 等 根据试验结果提出了粘弹性模型 r ，、珥 e = e oe x p i - i 二i i ( 1 - 2 ) l ， l e o 初始模量， 矸松弛特征时间， 屠一松弛形状参数 第一章文献综述 y e u n g 等f 2 4 】研究了封装材料的粘弹性性能，并指出利用粘弹性模型预测封装 的翘曲比弹性模型预测的更准确。n a k a m u r a 等【2 5 l 丰旨出对于环氧树脂铝叠层粱， 热粘弹性模型的变形结果与试验值符合的很好，与弹性模型有很大的差异。x i o n g 等1 3 6 进行了粘弹性对能量释放率影响和复合型边界裂纹的粘弹性有限元分析。应 力松弛现象是粘性的表现，随温度的升高加快。 r e n 等1 2 1 通过对其建立的弹性、弹塑性、粘弹性和粘弹塑性有限元模型模拟 计算结果进行比较研究，指出材料的非线性力学性能对封装的翘曲变形影响较 小，对应力有显著的影响。r e n 等f 2 l j 所采用的材料粘性模型的两种形式为： 厂鬲、9 i 川= d f ；一1j 手2 盯o ( 1 3 1 口” 。 其中i 川为单轴等效塑性应变，孑为非零应变率下的屈服应力，6 0 为静态屈 服应力，d ，p 为材料参数： 、 = a ( s i n h b 盯y e x p l 一等l ( 1 - 4 ) l j 其中叠。单轴等效蠕变率，盯为等效应力，日为自由能，尺为气体常数，r 为温度，a ，b ，”为与温度和加载有关的常数。这是一种原用于粘塑性金属材料 的统一型本构模型1 2 7 】f 2 8 】。 e r n s t 和z h a n g 等f 2 2 j 指出，通常认为塑封用聚合材料的粘弹性行为就是指弹 性模量的时间相关，而忽略泊松比的时间相关性，这将影响模拟计算结果。e r n s t 和z h a n g 等【2 2 1 对现有的材料性能测定方法进行了对比研究。s h i 等利用t y p e 3 5 6 3s i l i c af i l l e de p o x y ( l o c t i t ep t el t a ) 作了材料性能实验。 ( 3 ) 界面断裂性能的研究与测定 随着近些年来对塑封电子器件的力学行为和机械可靠性研究的不断发展和 深入，界面性能的研究也由最初时的对粘接强度的研究发展为对界面断裂性能的 研究，但是对界面断裂性能的研究还要依赖于界面断裂理论的发展，这种基础性 的研究需要建立在大量的试验结果和数据的基础之上。 目前普遍采用的测定塑封用环氧树脂与金属基板或p c b 之间界面断裂性能 的试样为双层端部切v 1 弯曲试样( t w o 1 a y e re n d n o t c hf l e x u r es p e c i m e n ，e n f ) 1 2 9 ， 这种试样相对易于制作，但是不能测定出如图1 5 所示的界面断裂性能曲线。目 前的研究表明裂纹i 型和i i 型成分所占的比重不同时界面的临界能量释放率不同 p o 】，所以需要测定并绘制出如图1 - 5 所示的界面断裂性能曲线才能正确反应出界 面断裂性能( 详细说明请参见2 5 1 节，5 1 节和5 2 节) 。w a n g 等口i j 采用六轴亚 微米测试仪测定裂纹尖端位移场，来确定界面断裂韧度。 第一章文献综述 g r ( 、i ，) 。 图1 5 典型能量释放率临界值与相角的关系4 1 f i g 1 - 5t y p i c a lv a r i a t i o no f g c ( 叻w i t hp h a s ea n g l ep 界面断裂性能受温度和裂尖处塑封胶湿集中度的影响，而试样裂尖处湿集中 度的获取，从目前的情况来看不能直接测定，需要测定塑封用环氧树脂的吸湿性 能( 详细请参见第三章) 后建立模型，模拟吸湿过程来得到。所以对于每一种界 面都需要测定不同温度和不同裂尖处塑封用环氧树脂湿集中度下的断裂性能，而 不能简单的将经历与实际塑封器件相同吸湿过程的试样的界面断裂性能作为实 际塑封器件的界面断裂性能，因为试样与实际塑封器件的外形、结构不同，即使 材料相同，经历的吸湿过程相同，起裂处裂尖的湿集中度不同，断裂性能也是不 同的。这种简单的替代将导致错误。 图1 - 6c t s 试样测定不同相角下界面断裂性能 f i g 1 - 6i n t e r f a c ef r a c t u r et o u g h n e s sa td i f f e r e n tp h a s ea n g l ew i t hc t ss p e c i m e n 8 第一章文献综述 h a u c k 等【3 副采用c t s ( c o m p a c tt e n s i o ns h e a r ) 试样( 如图l 一6 ) 并结合有 限元模型，测定界面断裂性能随相角从o 。到9 0 。全程变化关系曲线。这是一个测 定界面断裂性能的好方法，但是试样复杂，制作成本高，完成这样的试验有很大 的难度。 引入断裂力学研究塑封电子器件力学破坏现象后，测量塑封材料的断裂性能 ( 断裂韧度) 就成为一个亟待解决的问题。面临的主要问题：首先，需要能够提 供温湿度环境的适用于封装尺度的材料性能试验仪；其次，能够设计结构合理试 样，来测定界面断裂性能，并且排除固化收缩残余应力，残余热应力和残余湿应 力的影响。 n i s h i m u r a 等【2 9 l 建立了套新的测定界面断裂韧度的实验方法，排除了各种 残余应力的影响。通过把塑封胶浇铸在金属板上，并在试样一端预制初始分层， 制作e n f 试样。为了使实验结果能够真实的反映界面断裂性能，试样的制作应 尽量与真实生产工艺相同，塑封胶的充模压力、温度、时间等工艺参数，采用的 金属板应与生产中所用金属框架( l e a d f r a m e ) 具有相同镀层。 m o l d i n g r e s i d u a i s t r e s sn s t r e s s 钾 图1 7 断裂韧度测定试验原理示意图 f i g 卜7d e t e r m i n a t i o no f i n t e r f a c ef r a c t u r et o u g h n e s s s h e a r s t t e s s 从原理示意图1 7 可以看出，这种方法是通过对相同试样上下表面加载得到 的结果进行平均来排除残余应力的影响。但是从图1 7 中可以看出，用这样的方 法来消除残余应力的影响，只考虑了剪应力即i i 型裂纹的作用，而这样预制裂 第一章文献综述 纹并不是完全剪切作用( h 型裂纹) ，而是具有一定的拉伸作用成分( 即1 型裂 纹) ，l i u 3 3 1 等指出e n f 试样的相角大约为8 0 0 ，而不是纯剪切型( 9 0 0 ) ，s a w y e r 等 3 4 1 指出相角可以通过有限元的方法得到。g e k t i n 和b a r c o h e n 3 5 悃力和力矩平 衡理论计算三层材料结构正应力和剪应力的解析解，并与有限元结果进行比较。 通过这样的试样的试验结果，只能得到一定相角( 8 0 0 ) 下的临界能量释放率， 而不能得到临界能量释放率随相角变化的曲线。 t a n a k a 等【3 6 j 测定两种塑封胶制成的e n f 试样的界面断裂性能，实验结果表 明，经历不同温湿度条件的平均含湿量相同的同种塑封胶制成的e n f 试样在相 同温度下的界面性能不同，进行钎料回流时发生界面分层( d e l a m i n a t i o n ) 的温 度也不同。 01 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 06 0 0 m o i s t u r ea b s o r p t i o nt i m e ( h r ) 图1 - 8 文献蚓中界面性能实验结果 f i g 1 - 8e x p e r i m e n tr e s u l to f t h ei n t e r f a c ef r a c t u r et o u g h n e s s 图1 8 是在高于固化温度的2 0 0 测定的界面应力强度因子的临界值随吸湿 时间的变化情况。如果没有固化收缩现象，在高于固化温度的温度下，热与吸湿 都导致塑封胶的膨胀，那么随吸湿时间的增加测到的塑封胶侧加载得到的托bj 与金属框架侧加载得到的墨b 2 应该是单向变化( 分别始终位于平均值的一侧) ， 不应该发生关于平均值的反向，而从图1 8 却可以发现试验结果发生了关于平均 值的反向，这说明存在着与热膨胀和吸湿膨胀相反的收缩应力，从而证明了固化 l o 2 5 1 5 0 唯 瞄 o 0 o 一诗乱芝一逭10l。g毋jsco；u一。j一 第一章文献综述 收缩现象的存在。 t a n a k a 等【3 6 还提出了由于吸湿膨胀产生的应力强度因子，应该叠加在热膨 胀的应力强度因子上，但没有进行进一步的理论分析和模型模拟计算，也没有考 虑回流过程中蒸汽压力的影响。 t a y 等口7 1 采用e n f 试样，测定了经历j e d e c ( j o i n te l e c t r o nd e v i c e e n g i n e e r i n gc o u n c i l ) 标准规定的m s l l ( m o i s t u r es e n s i t i v el e v e l1 ) ，m s l 2 的 试样，以及干试样在1 8 0 c ，2 2 0 。c ，2 6 0 。c 的应力强度因子的l 临界值，并对热传 导过程进行有限元模拟，但进行分层预测时只考虑了由热膨胀导致的应力强度因 子和能量释放率，没有考虑湿膨胀的影响。 l a y 等1 3 7 l 中的界面性能试验结果还被 用于l i n 1 甜，t a y f l 明中分层的预测。l i n 与 f a y 3 0 1 3 研中均考虑了湿膨胀的影响，首 先分别对热传导和湿扩散过程进行模拟，模拟结果采用式( 1 5 ) ，( 1 6 ) 计算得到分 别由热膨胀和湿膨胀导致的应力强度因子或，积分值。 胱= o r , r - ，+ 暨鼍曲一尚1 圭毒眠) 嘞等卜m s ， f 群2 一，+ 璺詈出一旦1 - 2 v ：o l l 2 旦0 x j ) 一气篝卜( 1 - s ) 其中一o y k f l k 为沿裂纹面的拉力，f = 1 4 - - 从v t + ! 云 得到分别由热膨胀和湿膨胀导致的应力强度因子，叠加后进行分层的预测。 但都没有考虑回流过程中蒸汽压力的影响。 一个需要说明的问题是，由于试样规格不同，试样与真实封装结构不同，即 使封装材料相同，试样经过与塑封器件产品相同的m s l 预环境后，试样预制裂 纹尖端处的湿集中度与真实塑封器件初始裂纹尖端处的湿集中度不同，这样测定 的临界值与真实塑封器件初始裂纹处的模拟计算值不具有可比性。所以，应该测 定试样预制裂纹尖端处在不同湿集中度和不同温度下的断裂性能，而这个预制裂 纹尖端处的湿集中度，从目前来看需要按照第三章的方法测定塑封胶的吸湿性能 后用有限元模拟的方法得到。 关于吸湿利弊的分析。吸湿导致的塑封胶力学性能的降低，界面力学性能的 降低，回流过程中的蒸汽压等是吸湿对塑封器件不利的影响。吸湿对塑封器件的 机械行为也有有利的影响，对于塑封器件在固化温度以下的情形，固化收缩应力 和热失配导致的应力都是收缩，此时的吸湿膨胀会部分缓解这种不利的应力状 态。 第一章文献综述 ( 4 ) 湿膨胀系数的确定 进行有限元模型模拟分析，湿膨胀对结构的影响进行定量的研究，就必须确 定塑封用环氧树脂的湿膨胀系数。类似于热膨胀系数表征温度变化对结构的影 响，湿膨胀系数表征湿度对结构的影响。 i 、，h i ( j jl l 皿 l 一 7 臼- 匝 占确 j 、 | 毛 l 是 摩 卜 至 斧 一j = | 曼 c 妥 盅 、 苗 亡 、 _ e 、 基 t i m e c o n c e n t r a t i o n ( c = a m ，、，) 1 7 r n e d i m e n s i o n a lc o m b i n e sb o t hm o i s t u r ed e s o r p t j o n r e d u c t i o nm e 8 s u r e r i t e n t s 图1 9c m e 测定的原理示意图 f i g 1 9d e m o n s t r a t i o no fc m e d e t e r m i n a t i o n w o n g p 采用t g a 和t m a l 4 0 】测定了塑封用环氧树脂的湿膨胀系数，图1 - 9 为测量原理的示意图。实验结果显示封装用聚合材料湿膨胀系数受温度影响很 小，而且湿集中度对湿膨胀系数的影响也很小。 需要说明的是应该在试样处于均匀的湿集中度分布场时测量材料的湿膨胀 系数，否则试样外部内部的湿集中度差造成的应力和结构应变会导致测量结果的 不可信。但是由于湿气扩散是一个非常缓慢的过程，所以只有一定温度湿度环境 下试样的吸湿饱和状态才能被认为是均匀的湿集中度场。要得到如文献【3 9 1 中确定 湿膨胀系数的应变平均含湿量曲线需要试样在相同的温度、不同湿度下几次 达到吸湿饱和状态。 1 3 2 复合型裂纹界面断裂理论的探索研究 对界面断裂力学的研究起始于上世纪5 0 年代末，1 9 5 9 年w i l l i a m s 最先分 析了各向同性双材料晃面断裂问题，采用渐进级数展开法，得到i 型和i i 型裂纹 尖端应力具有r - 1 2 + i 6 的奇异性，i i i 型裂纹尖端应力具有r 1 彪的奇异性而无振荡型 的结论。以后，许多研究者在此基础上去评价双材料的界面失效。由于应力场和 第一章文献综述 应力强度因子的复杂性，在研究断裂韧性的定义及裂纹扩展准则过程中遇到了较 大的困难，直到8 0 年代才有较大进展。 h u t c h i n s o n 等1 4 2 j 研究了双层材料的复合型界面裂纹问题，成果现在被广泛应 用于塑封器件的塑封用环氧树脂与金属基板或p c b 的分层研究。n a k a m u r a 和 k a m a y h 【4 驯发展了针对封装中薄膜分层问题的，用