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哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 功率载荷下叠层芯片尺寸封装热应力分析 摘要 随着信息技术的发展，微电子器件的应用越来越广泛。在使用中，电源 开启与关闭会引起芯片温度波动，造成器件各层材料之间出现较大热应力。 目前，封装行业对器件热载荷可靠性做了大量研究工作，而对功率载荷的研 究很有限。与热载荷相比，功率载荷能真实地模拟芯片发热机制。因此，对 功率载荷下芯片封装热应力的研究具有重要理论意义和实际应用前景。 本文采用有限元分析软件a n s y s 对叠层芯片尺寸封装( s c s p ) 的热应力 分布进行研究。结果表明，在功率载荷条件下，芯片上的最大等效应力为 1 4 3 m p a ，接近芯片的断裂强度1 6 0 m p a ，因此是造成芯片破坏的主要因素； 芯片上的最大剪应力为6 5 4 m p a ，很容易造成芯片与封装材料分层；芯片工 作时，其温度可达至u 4 1 2 0 9 k ，高温会影响芯片速度和可靠性。 分析材料厚度与热膨胀系数对芯片可靠性的影响，结果表明，随着芯片 体积增大，芯片温度有所下降，器件的可靠性随之增强；随着塑封料和粘结 剂热膨胀系数的增大，芯片应力有所增大。 通过对封装材料和结构的研究，优化封装模型，优化后芯片最高温度、 最大应力和剪应力分别为4 0 8 4 8 k ，9 5 2 m p a 和3 5 4 m p a ，优化设计降低芯 片和系统温度，起到提高器件性能和可靠性的作用。 对不同工艺水平下的芯片进行功率载荷分析，结果表明，随着工艺水平 的提高，器件集成度相应提高，芯片温度逐渐变大：当工艺达到o 1 3 p m 时，芯片生热率增大将导致芯片热量严重积累，使芯片性能和可靠性受到严 重影响；工艺达到0 1 5 m 时，应力达到足以破坏芯片的程度，需要对封装 材料和系统结构重新设计。 本文分析o 2 5 “m 工艺下的芯片热应力分布。与功率载荷下分析结果比 较，热分析加载条件是温度，在载荷温度一致时更加方便：功率载荷分析 加载条件是功率，在以热源生热进行应力分析时更精确。 本文研究结果为进一步优化材料参数、改善器件性能提供了理论依据， 对s c s p 封装设计具有重要意义。 关键词功率载荷；叠层芯片尺寸封装；可靠性；热应力 竺筌篓堡三奎薹羞耋鉴圭茎堡篷圣 t h e r m a ls t r e s sa n a l y s i so f s t a c k i n gc h i ps c a l e p a c k a g eu n d e r p o w e rl o a d a b s t r a c t w i i ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h em i c r o e l e c t r o n i c s d e v i c e sa r ew i d e l yu s e d 髓et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n so nc h i pw i l lb eg e n e r a t e d b yt u r n i n go no rs h u t t i n go f ft h ep o w e rs o u r c e ，w h i c hc a u s et h ea p p e a r a n c eo f t h e r m a ls t r e s sa m o n gm a t e r i a l s a tp r e s e n t , t h ep a c k a g i n gi n d u s t r yh a sd o n e p l e n t yo fw o r k st ot h er e l i a b i l i t yi nt h e r m a ll o a dw h i l et h es t u d yo fp o w e rl o a di s v e r yl e s s c o m p a r e dw i t ht h et h e r m a ll o a d , p o w e rl o a dc a ns i m u l a t et h e m e c h a n i c so fa c t u a lh e a t i n go fc h i p s ot h er e s e a r c ho fd i et h e r m a ls t r e s su n d e r p o w e rl o a dh a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d i nt h i sp a p e rt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sh a sb e e nu s e dt o s i m u l a t et h et h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni ns t a c k i n gc h i ps c a l ep a c k a g e ( s c s d u n d e rp o w e rl o a d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mv o nm i s e ss t r e s so nd i ei s 1 4 3m p au n d e rp o w e rl o a d , w h i c hi sc l o s et ot h ed i ec r a c ks t r e n 醛h ，a n di ti st h e m a i nf a c t o rf o rt h ed i ed e s t r o y i n g t h em a x i m u ms h e a rs t r e s so nt h ed i ei s6 5 4 m p a t h es h e a rs t r e s so nd i ei sa p tt oc a u s et h es p l i tb e t w e e nt h ed i ea n dt h e p a c k a g em a t e r i a l d u r i n gt h ed i ew o r k i n g ，t h et e m p e r a t u r ei s4 1 2 0 9 ka n dt h e h i g ht e m p e r a t u r ei n f l u e n c e st h ed i es p e e da n dr e l i a b i l i t y 、 t h ei n f l u e n c eo ft h em a t e r i a l st h i c k n e s sa n dt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t o nt h e d i er e l i a b i l i t yi ss i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e t e m p e r a t u r e 0 1 1 s i l i c o nd i ed e c r e a s e sa n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c ei n 群e a s e s 螨氇t h ei n c r e a s e o f t h es i l i c o nd i ev o l u m e 。a n dt h ed i es t r e s si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h e r m a i e x p a n s i o nc o e f f i c i e n to f t h em o l d i n gc o m p o u n da n dt h ee p o x yp a s t e ， t h r o u 【g ht h er e s e a r c ho ft h ep a c k a g em a t e r i a la n ds t r u c t u r e ，t h ep a c k a g e m o d e li so p t i m i z e d t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e ，m a x i m u ms t r e s sa n ds h e a rs t r e s s a r e4 0 8 4 sk ，9 5 2 m p a ，3 5 4 m p ar e s p e c t i v e l ya f t e ro p t i m i z i n g t h eo p t i m i z e d 堕玺鎏矍三查茎玉兰篓：耋堡兰苎 d e s i g nc a r ld e c r e a s et h et e m p e r a t u r eo ft h ed i ea n dd e v i c ea n di r e p r o v et h e f u n c t i o na n dr e l i a b i l i t yo f t h ed i e ， t h ed i e sa r ea n a l y z e db yp o w e rl o a du n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed e v i c ei n t e g r a t i o nl e v e la n dt h et e m p e r a t u r eo ft h e d i ei n c r e a s e s w i mt h ei m p r o v e m e n to fp r o c e s sl e v e l w h e nt h ep r o c e s s i n gl e v e lr e a c h e s0 1 3 p r n ，t h ei n c r e a s eo ft h ed i eh e a tg e n e r a t i n gr a t ew i l lc a u s et h ea c c u m u l a t i o no f t h eh e a t ，w h i c ha f f e c t st h e d i ef u n c t i o na n dr e l i a b i l l t ys e r i o u s l y w h e nt h e p r o c e s s i n gl e v e lr e a c h e so 1 5p m ，t h es t r e s si sl a r g ee n o u g ht od e s t r o yt h es i l i c o n ， t h e nt h ep a c k a g em a t e r i a la n dt h es y s t e ms t r u c t u r en e e dt or e d e s i g n t h et h e r m a ld i s t r i b u t i o no ft h e 0 2 5 1 t mp r o c e s s i n g d i ei ss i m u l a t e d c o m p a r e dw i t ht h ep o w e rb 矗a n a l y s i s 。t h el o a dc o n d i t i o no ft h e n n a la n a l y s i si s t e m p e r a t u r e i ti sc o n v e n i e n tt ou s et h e r m a la n a l y s i sw h e nt h el o a dt e m p e r a t u r ei s t h es a m ea n dt l l el o a dc o n d i t i o ni sp o w e r , w h i c hi sa c c u r a t et ou s et h ep o w e rl o a d a n a l y s i sw h e nt h ea n a l y s i sc o n d i t i o ni st h e r m a ls o u r c e t b er e s e a r c hr e s u l tp r o v i d e st h e o r yt os u p p o r tt h ef u r t h e ro p t i m i z i n gf o rt h e m a t e r i a l p a r a m e t e ra n di m p r o v e t l i ed e v i c ef u n c t i o n 1 th a sa l l i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ei ns c s pd e s i g n k e y w o r d sp o w e rl o a d ；s t a c k i n gc h i ps c a l ep a c k a g e ；p r o c e s s i n g ；t h e r m a ls t r e s s 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文功率载荷下叠层芯片尺寸 封装热应力分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日强：2 0 电年弓只缮b 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 功率载荷下叠层芯片尺寸封装热应力分析系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密面。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名：障出呼 日期：2 0 d 年孓月日日期：2 0 0 ，7 年；月日 日期：易w 7 年3 月f 7 日 哈尔演理t 人学t 学硕f 。学位论文 1 1 电子封装的作用 第1 章绪论 电子封装是研究如何为电路处理或储存电信号提供电连接和合适操作环 境的- - 1 3 科学和技术，即把构成电子器件的各个元件以及各组成部分，按照要 求合理布置、联合、连接、与外界环境隔离以及保护等操作工艺【l 】。电子封装 的功能可分为四个方面。 1 电子封装对微电子元件起着机械支撑和机械保护作用。集成电路的芯 片以及其他元件要依托不同类型的封装才能应用到各个领域的不同场所，以满 足整机装配的需要。 2 电子封装对微电子元件起着传输信号输入输出，a l j i o 和分配电源的 作用。各种输入，输出信号和电源只有通过封装上的引线才能将芯片和外部电 子系统相沟通，元器件的功能才能得到实现和发挥。 3 电子封装对微电子元器件起着散热的作用。集成电路加电工作时，会 因工作而发热，特别是功率集成电路，工作时芯片产生热量较大，这些热量若 不散发掉，就会使芯片温度过高，从而影响集成电路的性能或造成电路失效。 因此，必须通过封装来散发芯片产生的热，以保证集成电路的性能和可靠性。 4 电子封装对微电子元件起着环境保护的作用，以免芯片在工作环境中 因受潮、氧化、腐蚀等而损伤失效。实际上，微电子元器件的应用越来越广 泛，集成电路芯片等元件若无封装，其性能根本无法实现。因此，集成电路的封 装是集成电路各种性能得以实现的重要保证。 电子封装发展总原则是：在保证可靠性的前提下，提高传输速度，提高功率 密度，提高散热能力，增加输入输出端数，减小器件尺寸，降低生产成本。 这种市场需求对电路封装技术提出了相应的要求：( 1 ) 单位体积信息的提高( 高 密度化) ；( 2 ) 单位时间处理速度的提高( 高速化) 。为了满足这些要求，势必要 提高电路封装的功能密度，这就成为了促进微电子封装技术发展的最重要的因 素。微电子封装技术已经历了好几代的变迁，从d i p 、q f p 、p g a 、b g a 到 c s p 再到m c m ，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来 越接近于l ，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距 减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等。 晴尔演理t 人学t 学硕f 学位论文 1 2 微电子封装历史回顾 一九四七年十二月，巴丁、肖克莱、布拉顿发明了第一个锗触点式半导体 晶体管，随后诞生了半导体收音机，二十世纪六十年代初期，第一块i c 问世， i c 封装从此开始口l 。开始时，封装是以i c 芯片( c h i p ) 的形式出现的，成为连接 半导体芯片与电子系统的桥梁；随着i c 芯片的发展，其封装形式也在不断地发 展，并且逐步超出了原来形式的功能，发展为电子系统设计中的重要部分，并 取得了长足的进步。 1 双列直插式( d i p ) 封装 六十年代至七十年代，随着i c 的出现，整机生产以分立器件为主，i c 为 辅，此时的技术需求，只是寻求更稳定的工作。由于i c 芯片制造处于初始阶 段，集成度很低；另一方面，从电子管走向晶体管，本身整机体积已大大缩 小，故而对i c 封装没有更多的要求。所以此阶段采用了最易实现的以双列直插 式( d i p ) 为代表的封装1 3 】，辅以单列直插式( s i p ) 与针栅阵列( p g a ) i5 1 封装，满足 了线路板( p c b ) 波峰焊装配的要求。此时引脚间距均约为2 5 4 m m 。 2 塑封有引线芯片载体( p l c c ) 、四边引线扁平封装( q f p ) 紧凑型封装随着一九七八年表面组装技术( s m t ) 的出现而提出，整机体积 的缩小，其线路板面积也随之减少。s m t 技术符合发展潮流，回流焊代替波峰 焊，进一步提高p c b 的成品率，从而对i c 封装也提出新要求。i c 芯片制造技术 发展顺应其要求，i c 封装开发出以塑封有引线芯片载体( p l c c ) 1 6 1 ，引线间距为 1 2 7 m m 、四边引线扁平封装( q f p ) i ”，引脚白j 距为0 8 1 0 m m 为代表的紧凑型封 装形式，辅以小型双列直插式( s - d i p ) t 8 i ( 引脚间距1 7 7 8 m m ) 、小型封装 ( s o p ) t ”( 引脚间距为1 7 7 8 m i n ) 、载带自动焊封装( t a p ) i ”】等，封装形式走向多样 化，其目标只有一个，那就是缩小面积，顺应电子产品小型化、轻薄化和组装 自动化趋势。 3 窄间距小外形封装( s s o p ) 、窄间距四边引线扁平封装( s q f p ) 、球栅阵 y o ( b g a ) 封装。 九十年代中前期，随着计算机技术的快速发展，以个人计算机( p c ) 为代表 的计算机产业，经历了从3 8 6 至t j 5 8 6 的快速发展，每前进一代，支持其发展的i c 集成度、速度等跨越了一个台阶。一方面，计算机向高档次工作站、超级计算 机延伸：另一方面，特别是微软公司推出了划时代的w i n d o w s 操作系统，使计 算机从专家使用走向平民化，由企业向家庭延伸，从而带来了计算机产业质与 哈尔滨理t 人学丁学硕i 学位论文 量的重大变化。这时，原有的p l c c ，q f p ，s o p 己不能满足它的发展要求，在 p c b 的s m t 中，引入更小、更薄的封装形式，以窄间距小外形封装( s s o p ) 1 ”1 2 1 ( 引脚间距为o 6 5 r a m ) 、窄间距四边引线扁平封装( s q f p ) ( 引脚间距为0 6 5 r a m ) 为代表的封装形式：特别提出有内引线的球栅阵歹i j ( b g a ) 1 3 - 1 6 1 的封装形式，其 典型的b g a 以有机衬底替代传统的封装内引线框架7 9 1 ，使i c 引脚大大增加， 使原有4 0 0 脚较难进行s m t 的q f p 形式在b g a 中容易实现，从而使i c 芯片高集 成度功能在实际中获得应用。 ， 4 芯片倒装球栅阵歹i j ( f c b g a ) t ”i1 2 1 1 、最小球栅阵y ( i ( a b g 舢、芯片尺寸封 装( c s p ) “1 2 3 1 、多芯片组件封装( m c m ) 2 4 1 九十年代中后期至今，随着i t 产业的兴起、无线通讯的兴旺、多媒体的出 现，全球范围的信息量急剧增加，信息数据的交换和传输实现了大容量化、高 速化和数字化，促使电子信息设备向着高性能、高集成、高可靠性方向迅速发 展，使电子信息产业迅速壮大；支持其发展进程和关键技术就是i c 组装技术， 它包含了i c 封装与p c b 的s m t 技术。i c 封装是电子信息设备的细胞，近几年进 入了高速发展期，新的封装形式不断涌现并获得了应用。i c 的封装己不仅仅作 为i c 芯片的功能表现形式，对芯片起保护作用；同时还在一定成本下满足不断 增加的性能、可靠性、散热、电源分配，包括以下要求：( 1 ) 芯片速度与处理 能力增加，需增加更多引线脚数，更快时钟频率和更好电源分配；( 2 ) 要求更 多功能、更低功耗与更小尺寸；( 3 ) 使组装后的电子产品更薄、更轻、更小； ( 4 ) 更符合环保要求；( 5 ) 价格上更便宜。 要达到以上的要求，一方面，i c 封装要寻求更好的封装形式，另一方面， 传统的s m t 与i c 封装相融合，引入i c 芯片制造过程中，寻求满足上述要求的理 想方案。 第一，在纯i c 封装方面，由于整机频率的提高，传统的线焊技术已不能满 足高频的要求，焊线本身的长度、线分布电容所产生的射频效应、延迟效应等 等，直接影响了整机性能的提高，于是出现了芯片倒装球栅阵歹i j ( f c b g a ) 与最 小球栅阵列( u b g a ) 。直接用芯片倒装于封装基板上，使得数以千计的超多针 化p b g a 在超级计算机、工作站中得到了应用，且同时应用于通讯领域内，呈 高速增长态势。其封装的球形引脚间距达到o 5 m m ，具有优异的引出小电阻、 小寄生电容，满足了超级计算机、工作站与无线通讯中的高速、高频与高密度 封装的要求。 第二，i c 封装越来越与p c b 的s m t 组装相融合，出现了多样性的芯片尺寸 封装( c s p ) 、多芯片组件封装( m c m ) 。c s p 就是把裸露的芯片直接倒装于p c b 晴尔演理t 人学t 学颈j 学位论文 上，在倒装片上线焊，在线焊基板上倒装片，进一步减少了器件重量及所占的 空间。而m c m 是把多块裸露的i c 芯片安装于一块多层高密互连衬底上，并封 于同一管壳内，它与等效的单芯片封装相比，降低传输延时3 4 ，减少体积 4 5 。 第三，i c 圆片制造中的布线技术、i c 封装、s m t 互相融合，形成倒装层叠 的三维封装。三维封装中除了用传统的线焊方法外，还采用了层叠倒装式的圆 片级封装( w l p c s p ) ，其具体的方法是：在圆片减薄后划片前，用i c 圆片制造 中的布线技术在圆片背面布上互连引线端，再划片后组装时，第一个芯片倒装 于衬底上，第二片再倒装于第一片上，通过第一片芯片的背面连线相连接，再 层层重叠，也就是叠层芯片封装，此种形式现在己经用于逻辑与存储器件上。 第四，半导体技术的发展，最终给系统集成( s o c ) t 2 ”提供了技术支撑。一 方面设计规则的缩小带来了集成度提高：另一方面，i c 设计e d a 技术的换代， 从顶向下的v h d l 和v e r i l o gh d l 语言的设计方法，使设计效率大大提高，做到 了可以把整个系统集成于整个芯片上，从而给i c 封装带来了全新的概念。 可以看出，随着i c 封装、s m t 的进步，整个信息产业发展，i c 封装中的圆 片级、芯片级( 单片) 、s m t 中的板级、i c 设计中的系统级等相互间的界限己逐 渐模糊，i c 封装、s m t , i c 芯片技术相互渗透、相互促进，出现了多样化的发 展趋。i c 技术的发展近年来己经与i c 封装技术的发展密不可分。i c 工业的飞速 发展，集成度同益增高，对封装技术提出了更高的要求，出现了高密度封装， 并研究和开发了若干种新的先进封装技术：球栅阵列技术( b g a l 、多芯片组件 技术( m c m ) 、芯片尺度封装技术( c s p ) 、芯片直接贴装技术( d c a ) 、晶圆规模 集成技术( w s i ) 、叠层芯片尺寸封装技术( s c s p ) 1 2 ”8 i 等。这些新型的封装形式成 为近年来研究的重点和热点，其中叠层芯片封装技术更是发展迅速，他成为存 储器和消费类电子产品的重要应用技术。 1 3 先进的叠层芯片尺寸封装 1 3 1c s p 的定义 c s p 的英文全称是c h i ps c a l ep a c k a g e 或c h i ps i z ep a c k a g e 。c s p 是指封装外 壳尺寸不超过裸芯片尺寸1 2 倍的一种先进封装形式。它主要是最近几年流行的 b g a i i d , 型化、薄型化方向发展而形成的一类崭新的封装形式。所以，目前公 认提法是焊球节距大于l m m 的仍称为b g a ，小于l m m 的称为c s p 。 哈尔演理t 人学t 学硕f + 学位论文 1 3 2c s p 的特点 c s p 之所以能迅猛发展，是因为它具有以下优点。 1 c s p 是一种先进的芯片小型化封装方式，它可实现3 倍于常规封装形式 的组装密度，能有效地减少芯片封装后的厚度，并且芯片与p c b 板的问距不超 过1 0 m m ，从而有效地降低了封装带来的电感、电容等寄生效应的影响，大幅 度地提高了c s p 芯片的电性能。 2 c s p 封装的小型化、薄型化有效地降低了封装材料的成本和p c b 板上的 占有面积，使得p c b $ | j 造商无须掌握c o b 和倒装焊技术就可大幅度地提高p c b 上芯片的组装密度、由于c s p 技术是对原有单芯片封装技术，特别是b g a 技术 的自然延伸，因此，可利用原有的表面安装设备和材料，而无须像当初的s m t 以及现在的m c m 那样，必须经过技术与工艺的变革，机器设备长时间的更 新。 3 与裸芯片安装方式相比，c s p 提供了坚固的封装保护，便于操作，可测 性好，并在大多数情况下具有与p c b 板相匹配的标准引脚，组装起来容易，通 常无须对p c b 进行重新设计。 基于以上众多的优点，c s p 技术的研究开发和应用迅速，但还须解决以下 几个方面的技术问题：一是如何解决与c s p 相配的细间距高密度p c b 板；二是 成本过高，此外还有散热问题、老化检测问题和标准化问题。 标准化是困扰c s p 的另一个难题。目前的5 0 余种c s p 的i o 节距相差很大， 缺乏统一的标准，这给c s p 的推广带来很大的障碍。l s i 芯片的特征尺寸按摩 尔定律每一至两年就缩小一次，这必然带动c s p 的i o 节距一起缩小，而p c b 板 的i o 节距缩小的速度跟不上芯片的缩小速度。这使得c s p 很难获得一个稳定的 标准。 1 3 3 叠层芯片尺寸封装 通常，c s p 是针对单个芯片的封装方法，但随着电子封装的小型化、薄型 化，近年来出现了将多个芯片叠层以后，封装成c s p 的形式，这实际上是一种 3 d ( 三维) 结构封装技术。目前，正在研制的叠层芯片尺寸封装就是这种封装技 术的代表。 闪存卡和手机是推动3 - d 封装的两块主要市场。以前，多个器件一闪存、 静态随机存储器或动态随机存储器、逻辑电路或专用集成电路各自封装，浪费 哈尔滨理1 = 大学丁学硕 学位论文 印刷电路板空间，扩大产品体积，不利于市场轻便化的要求。将多个芯片叠装 在一起的c s p 封装，不需采用昂贵、耗时的圆片级集成。如果在这种器件内芯 片间使用隔层，就可以将尺寸相近的芯片用金丝焊接起来。这就是叠层芯片尺 寸封装，英文名字叫s t a c k i n gc h i ps c a l ep a c k a g e ( s c s p ) 。s c s p 一般有2 3 层芯 片( d i e ) 、焊线( w i r e ) 、粘结剂( e p o x yp a s t e ) 、塑封料( m o l d i n gc o m p o u n d ) 、基板 ( s u b s t r a t c ) 和焊球( b a u ) 组成。s c s p 封装分为两种形式i 冽：一种是金字塔形的叠 层封装，上层芯片比下层芯片面积小，两层芯片之间有粘结剂相连，如图1 1 ( a ) 所示；另一种是悬臂式的叠层封装，上下层芯片大小相同，中间加一层较 小的空白芯片，用粘结剂把空白芯片和上下层芯片粘接起来，如图1 1 ( b ) 所 示。 a ) 金字塔型叠层封装 a 1p y r a m i d a ls c s p ”悬臂式叠层封装 b ) c a n t i l e v e rs c s p 图1 1两种叠层式芯片封装示意图 f i g 1 lt w o k i n d so f s c s pm o d e l 1 4 微电子封装的研究现状 近年，关于集成电路封装和焊点可靠性的研究和报道很多。复旦大学材料 科学系顾靖等人，通过高温高湿加速实验对双芯片叠层封装器件的失效进行 了研究，观察到存在塑封料与上层芯片、基板与塑封料或粘结剂的界面分层和 下层芯片裂纹等失效模式。浙江工业大学的许杨剑等人口。i ，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了数值模拟和 焊球疲劳寿命预测。上海大学滕建勇等人p 2 1 对芯片尺度封装中焊线进行应力分 析，研究表明，金线所受应力与塑封材料的膨胀系数、焊点大小、金线粗细、 金线拱起高度等因素有关。复旦大学与三星中国半导体有限公司合作，进行无 铅焊球b g a 封装的可靠性的跌落、弯曲试验m j ，得出焊点寿命和加速度的关 系。清华大学王雪梅等人m l ，对功率器件管壳热应力分析，发现热失配对器件 哈尔演理t 人学t 学硕f 学位论文 管壳应力影响很大。金纬等人m 1 ，对叠层芯片封装的粘结剂溢出高度进行研 究，得出粘结剂与芯片应力的关系，为叠层芯片封装提供了依据。 国外对于微电子封装可靠性的研究更多更早。1 9 8 6 年欧洲空间科技中心对 无引线陶瓷芯片载体封装进行了热循环实验，结果表明，在1 0 0 周热循环之 后，发现s n p b 焊点出现热失效和可视裂纹p 6 1 。1 9 8 9 在美国j p lm a g e l l a n 宇宙飞 船的地面实验中，也发现了电子封装s n p b 焊点的热循环失效1 3 ”。b o o nw o n g 等 人m i 的研究表明焊点的主要表现是蠕变行为。他们建立模型：裂纹在富p b 和富 s n 相的相界处萌生；在裂纹尖端应力场的作用下，通过沿晶蠕变，空洞扩展， 最后被破坏。a l a t t a r w a l a 等人1 3 9 1 在热循环失效后的焊点断面上发现了循环 条纹和穿晶裂纹，他们认为，电子封装中的焊点在热循环下的失效为蠕变和循 环的共同作用。p e t e rm h a l l 认为l 蚰i ，在任意温度下，焊点同时经历蠕变和应 力松弛应力还原。r w r o h d e 等人i 认为：对于焊点而言，应力是帮助热 激活的位错在处于应变强化和再结晶过程中的晶体结构中滑动的动力，并在此 基础上建立了应力松弛模型。m c h a m e d 和b u s s o 的研究表明 4 2 1 ：s n p b 钎料的 瞬时拉伸应力、屈服应力和应变速率密切相关，随应变速率的增加，应力水平 显著增加。b a k e r 考察了不同温度下共晶6 0 s n 4 0 p b 钎料的应力松弛行为i ”1 ，研 究发现，随温度的升高，应力松弛时间显著减小。y a n g l 叫采用压痕蠕变实验研 究共晶6 3 s n 3 7 p b 钎料的蠕变行为，结果表明，不同温度下的蠕变曲线不同。 b u s s o 的研究表明1 4 “，s n p b 钎料的瞬时拉伸应力强度和屈服应力强度和温度密 切相关，随温度的增加，应力强度显著降低。在机械循环蠕变过程中，s i l p b 基 钎料合金的变形包括弹性变形、塑性变形、蠕变变形和粘弹性变形等。 1 5 本文研究的目的和意义 1 5 1 本课题的目的和意义 目前，微电子封装正在逐步从传统的面向器件转为面向系统、面向最终用 户，封装的功能在此基础上得到极大的加强和提高。随着集成电路产品的进 步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，叠层芯片封装( s t a c k i n gd i e p a c k a g e ) 是一种得到广泛应用的三维封装技术。采用芯片叠层封装，基板平面 组装密度提高，发热量也随之增加。器件是由不同材料通过焊料连接在一起 的，在使用过程中，往往要承受多次的大幅度热载荷，温度的变化将使构成器 哈尔演理t 人学t 学硕l 学位论文 件的不同材料产生与其热膨胀系数相对应的热胀冷缩，但由于受到外部约束或 内部的变形协调要求而不能自由发生，就会在器件内引起附加应力。如果各种 材料的热膨胀系数相差较大，则在器件内产生较大的应力，从而引起器件的变 形乃至失效。同时为了避免对现有工艺进行大的改动，叠层封装一般通过减薄 芯片的厚度来保证总的封装厚度不变，但芯片厚度的减小会造成芯片刚度减 小，易于变形，在受到机械冲击的作用时，也会造成芯片的破坏。 在器件的使用过程中，它会经过反复的开关现象，开就表示芯片上加载有 功率，器件就会升温，而关则代表器件没有功率载荷。从文献资料来看，日前 的分析研究大多局限于热载荷的研究，对于功率载荷的研究非常有限。与热循 环不同，功率载荷在器件上产生不同的载荷条件。为了保证器件的可靠性，必 须选择合适的模拟技术和实验操作。热循环4 “1 是评估焊点可靠性的行业标准 之一。但是比较实际应用中的温度分布，热循环模拟同时在封装，焊点，和基 板的任一节点上施加相同的温度，忽略了整个器件内温度梯度的存在。在功率 循环中，由于器件消耗电功率，会产生两个重要现象：一是既沿器件厚度方 向，又沿径向产生温度梯度；二是在电源开关瞬时，器件和p c b 升降温速率不 同。这些会使器件和p c b 不可避免地产生热变形失配，导致器件内部的热应 力。因此，研究芯片在使用过程中的应力分析情况有重要的现实意义，它可以 指导我们对封装进行有效的控制，对封装方式和材料进行优化和合理选取。 本文对功率载荷下叠层芯片的应力进行分析，通过对不同结构和属性的器 件模型进行模拟分析，确定应力更小的器件模型，对不同工艺条件下的芯片进 行功率载荷的分析，研究工艺水平对芯片温度和应力的影响。分析0 2 5 “m q - 艺 条件下的热载荷应力分布并与功率载荷分析进行比较，分析出两种分析方法的 不同与优缺点。 1 5 2 本课题的研究内容 本文研究内容来自黑龙江省普通高等学校骨干教师创新能力资助计划：震 动声集成多功能传感器封装技术研究( 1 0 5 3 g 0 3 3 ) 。 本课题采用有限元分析软件a n s y s ，通过建立有限元模型，进行网格划 分、加载，在功率载荷下，分析芯片的温度和应力分布，改变材料厚度和参 数，对改变后的状态进行分析，优化封装结构和材料参数。对不同工艺条件下 的封装进行对比，分析工艺水平对封装的影响。把功率载荷下的分析结果与热 载荷下的应力分析进行对比，找出两者的优缺点。具体内容分以下五个部分： 竺尘堡兰三垒兰三兰堡! ：兰些丝兰 1 采用常用的金字塔形结构，进行双层芯片模型分析。考虑到结构的对称 性，建立1 4 有限元模型。 2 应用有限元分析软件a n s y s ，对模型进行网格划分，加载功率载荷， 在功率载荷下，分析芯片应力分布；改变材料结构和属性，分析其对封装应力 分布的影响，确定应力分布与结构材料的关系，并与实验及热循环下的情况进 行对比。 3 在以上分析的基础上，通过改变材料的结构和属性，设计出具有最小的 最大等效应力的模型，进行有限元分析，对分析结果进行比较。 4 对不同工艺水平下的芯片做功率载荷分析，分析出工艺对叠层芯片封装 温度和应力的影响。 5 对优化后的模型进行热载荷应力分析，其结果与功率载荷分析结果比 较，分析两者特点。 坠尘堡! 三垒兰三兰堡! ：兰竺丝苎 第2 章热分析理论及有限元法简介 2 1 热力学第一定律 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律：当系统与外界发生能量传 递与转换时，加给系统的能量等于系统内能的增加与系统对外界做功之和。热 力学第一定律的数学表达式为： q = d u + w( 2 1 ) 式中：9 一热量： 彳u 一系统内能： 一做功： q o ，外界对系统加热；q o ，系统内能增 加；a u o 系统对外界做功，w o 外界对系统做功。 2 , 2 热传递类型 热传递主要有三种类型：导热、对流换热和热辐射i “。 2 2 1 导热 导热是依靠物质的分子、原子或者自由电子等微粒的热运动来传递热能 的。只要有温度差，无论固体、液体或气体中都会有导热现象。单位i 对l a j 内通 过平壁的导热量q 称为导热热流量。傅立叶在研究固体导热现象时，确定了导 热所传递的热量q 与温度度d t d x 、垂直于热流的截面积f 成正比，即傅立叶 定律： q = 一z r a ，t( 2 2 ) m 九为导热系数。通过单位面积的热流量q f ，称为热流密度，用g 表示，则 上式可写为： g = 一a 孚( 2 3 ) g , g x 负号表示热流量传递方向与温度梯度的方向相反。 坠尘堡呈三查兰三茎堡! ：耋堡丝塞 2 2 2 对流换热 流动流体与固体壁面之间的热交换过程称为对流换热。这种换热过程，既 包括壁面与流体直接接触的导热，还包括因密度差异在流体内引起的热对流。 英国物理学家牛顿提出了对流换热公式牛顿冷却定律。即壁面外表面与冷 却水之间的对流换热公式为： q = 掣= 孚 盯 ( 2 - 4 ) r o = 口f 。一对流换热热阻( o c ，w ) 。可见，对流换热的热流量q 与温差一t 3 成正比，与换热热阻尼成反比，d 越大，热阻越小，则对流换热越强烈。反 之，乜越小，则对流换热越弱。 2 2 3 热辐射 1 热辐射的本质 物体中的原子内部处于束缚态的电子从高能态轨道向低能态轨道跃迁时， 使电场发生变化，电场的每一变化相应地产生一个磁场，而磁场的每一变化又 产生另一个电场。这样，电子跃迁所放出的能量通过交替变化的电磁波向四周 放射出去，这种能量就叫做辐射能。因此辐射能是原子内部经过复杂激动的结 果，而热辐射是因热能使原子内部激动所发出的电磁波。可见物体只要有一定 的温度，便不可避免地发出热辐射；物体温度越高，所发出的热辐射就越大。 2 物体吸收率、反射率和穿透率 当辐射能q 投射到一个物体上时，一般说来，一部分能量函被物体吸 收，另一部分能量必被反射，其余能量q b 透过物体，如图2 1 所示。 各能量之间有下列关系： 函+ 妹+ 如= q( 2 5 ) 其中，q 以 一物体的吸收率，用a 表示，g 一俨物体的反射率，用r 表 示，q d q - - 物体的穿透率，用d 表示，三者关系为a + r + d = i 。 如果一= l ，则r = 0 ，d = 0 ，说明落在物体上的辐射能全部被该物体所吸 收，这类物体叫做绝对黑体，或简称黑体。如果r = 1 ，该物体称为绝对白 体，或称白体。如果d = i ，该物体称为绝对透明体，或称透明体，自然界中没 有绝对黑体、绝对白体和绝对透明体，这些都是为了研究辐射现象而假定的。 晴尔滨理t 人学丁学硕i 。学位论文 a ，r 和d 的数值要由物体的性质、温度和辐射的波长来决定。同样，吸收和 反射也由辐射的波长所决定。白表面只能反射可见光线( 太阳光) ，对于不可见 的热射线，白布、白漆和黑布、黑漆一样能够吸收。对热射线的吸收和反射有 重大影响的不是表面颜色，而是表面的粗糙程度。不管什么颜色，平滑面或磨 光面，其反射率都要比粗糙面高好几倍。这是因为热射线射到凹凸不平的壁面 上会形成多次反射和吸收而使总吸收量( - 增大。 f i 张q i l 、 箍锄 图2 1辐射能吸收，反射和透视示意图 f i g 2 1a b s o r p t i o n , r e f l e c t i o na n dc l a i r v o y a n c eo f r a d i a n te n e r g y 3 辐射力 物体每单位表面积在单位时间内所放出去的从波长扣o 到7 。= o o 的一切辐射 总能量，称为辐射力。用符号e 表示。若某物体面积为几所放射出去的热流 量为q ，则辐射力为： e ：gwm2(2-6) f 2 3 三类基本边界条件 传热学中，热传导方程把温度场在空间和时间域内各点值相联系，指出存 在物体内的各种导热现象必须遵循的客观规律。导热物体内的各种温度场