（微电子学与固体电子学专业论文）微纳器件封装及相关物理问题研究.pdf

摘要 微纳器件是微、纳电子学与微机械学相互融合的产物，它将集成电路制造工 艺中的硅微细加工技术和机械工业中的微机械加工技术结合起来，制造出机电一 体，甚至光、机、电一体的新器件。目前微纳器件发展已经较为成熟，但是很多 芯片却没有作为产品得到实际应用，其主要原因是没有解决封装问题，其中器件 封装的可靠性是必不可少的环节。 微纳器件封装的性能可以通过实测和计算机仿真两种方法实现，一般来说， 实测方法是在产品完成以后进行，使得整个设计过程周期长，对测量设备要求苛 刻，对复杂的三维器件测量难度较大。计算机仿真可以将仿真贯穿于整个封装设 计过程，优化关键器件参数和位置，且模拟分析过程便捷、时间短。因此本论文 主要采用有限元分析软件a n s y s 对部分微纳器件封装中的热学和力学等相关问 题进行模拟分析。主要包括以下几部分内容： 1 运用a n s y s 软件对微纳器件封装中的热传导问题进行仿真和分析，根据模拟 结果对部分器件模型结构进行改进设计。 2 通过a n s y s 软件建立b g a 单焊点和多焊点模型进行热应力模拟分析，对 f l i p - c h i p 中双焊点模型在填充材料中的热应力问题进行模拟，变更封装结 构和尺寸改变其应力的大小。 3 对部分无铅材料进行热应力模拟，对焊接中产生的金属间化合物( i m c ) 进行 讨论。 4 对微纳器件封装中的电学问题从r c 延迟，互连间距、集成度、占空比和插入 损耗等方面进行初步探讨。 5 用编程软件学习并复核量子阱红外光电探测器单元和焦平面实验数据的计 算。 关键词：微纳器件封装、a n s y s 、仿真、热传导、热应力、金属间化合物。 5 m i c r oa n dn a n od e v i c ei st h ei n o s c u l a t e dp r o d u c t i o no ft h em i c r oa n d n a n oe l e c t r o n i c sa n dm c r o m e c h a n i c s i tc o m b i n e st h es i l i c o nm c r op r o c e s s t e c h n o l o g y o fi cf a b r i c a t e d t e c h n o l o g y a n dm i c r o m a c h i n e p r o c e s s t e c h n o l o g yo fi n d u s t r yt of o r mi n t e g r a t i v eo fm a c h i n ea n de l e c t r i c i t y ， e v e nt of o r mi n t e g r a t i v eo fp h o t o n ，m a c h i n ea n de l e c t r i c i t y t h e d e v e l o p m e n to fm i c r oa n dn a n od e v i e ei sm o r em a t u r ea tp r e s e n t ，b u tal o t o fc h i p sd i dn o tb et h ep r o d u c tt og e tt h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，i t sm a i n r e a s o ni st h a ti td i dn o tr e s o l v et h ep a c k a g ep r o b l e 吐t h ep a c k a g e r e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c ei sa b s o l u t e l yn e c e s s a r i l y tep e r f o r m a n c eo fm i c r oa n dn a n od e v i c ec a nb ea c h i e v e db ym e a s u r e m e t h o do rc o m p u t e rs i m u l a t i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h em e a s u r em e t h o di s a c h i e v e da f t e rp r o d u c e i t sd e s i g np e r i o di st o ol o n g ，r i g o rt ot h e e q u i p m e n t ，a n di t i sh a r dt om e a s u r et h ec o m p l i c a t e d3 dd e v i c e h o w e v e r ， t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nc a ng ow i t ht h ed e s i g np e r i o d ，i t sp r o c e s si s s i m p l e ，a n dc o s tl e s st i m e s oi nt h i sp a p e r ，w eu s et h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s e ( f e a ) s o f t w a r ea n s y st os i m u l a t et h ec a l o r i f i c sa n de n e r g e t i c s o fs o m em i c r oa n dn a n od e v i c e e x a m p l ea sf o l l o w ： 1 、s i m u l a t i o na n da n a l y s eo ft h e r m a lc o n d u c t i o no fm i c r oa n dn a n od e v i c e b ya n s y s ，b a s e do nt h er e s u l t ，w ei m p r o v eo ns o m eo ft h ed e v i c e 2 、b u i l d i n gm o d e lo fs i n g l ea n dm u l t ib u m pi nt h eb g a ，a n dt h e ns i m u l a t e d t h et h e r m a ls t r e s s i ta l s oi sd o n ei nt h ef 1 i p c h i pw i t hu n d e r f i l l f i n a l l y ，c h a n g et h es i z eo ft h em o d e lc a nc h a n g et h e i rs t r e s s 3 、s i m u l a t i o nt h et h e r m a ls t r e s so fs o m el e a 扣f r e em a t e r i a l a n dd i s c u s s t h ei m cw h i c hi sp r o d u c e di nt h er e f l o w 4 、d i s c u s ss o m ee l e c t r i c sp r o b l e mi nt h ep a c k a g e ，s u c ha sr cd e l a y ， i n t e r c o n n e c t i o np i t c h 。i n t e r c o n n e c t i o na r e ar a t i 0 ，i n s e r t e dl o s s ，a n ds o 0 n 5 、s t u d ya n dc h e c kt h eq w i pa n df p ae x p e r i m e n td a t ab yd e l p h ia n de x c e l k e yw o r d ：m i c r oa n dn a n od e v i c ep a c k a g e ；a n s y s ；s i m u l a t i o n ；t h e r m a l c o n d u c t i o n ：t h e r m a ls t r e s s ：i m c 6 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名： 戤蟹 上乃 “一 翰乒 戤 盖 铆 耋| 牌 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 微系统封装发展经历了五次技术浪潮，二十世纪四五十年代的微电子是第一 次也是最重要的一次技术浪潮，它起源于晶体管的发明。射频( r f ) 和无线通信 技术为第二次技术浪潮。第三次技术浪潮为光子学的应用，以康宁公司研制成功 高度透明的光纤和贝尔实验室研制成功室温下工作的半导体激光器为代表。m e m s 代表着第四次微系统封装的技术浪潮，被称为是第二次半导体技术革命。第五次 技术浪潮则是由高度集成产品的系统封装技术组成。图1 1 为微系统封装的主要 示意图 1 。 图卜1 、微系统封装的主要不意图 1 2 微纳器件封装中的重要问题 微纳器件是微米、纳米电子学与微机械学相互融合的产物，它将集成电路制 造工艺中的硅微细加工技术和机械工业中的微机械加工技术结合起来，制造出机 电一体，甚至光、机、电一体的新器件。目前微纳器件已经有了一定的发展，但 是很多芯片却没有作为产品得到实际应用，其主要原因是没有解决封装问题。微 纳器件封装难度较大，目前大多都是由集成电路封装技术发展和演变而来的，但 是与集成电路封装相比有很大的特殊性，不能简单地用集成电路封装技术直接去 封装微纳器件。微纳器件封装主要需要解决的问题有以下四个方面： l 、界面问题：微纳器件中的部件与外界经常发生接触，这也是将微纳器件封装 与普通集成电路封装的区别。微纳器件的输入信号界面复杂，它的输入信号不仅 华东师范大学硕士学位论文 有电信号，根据芯片作用的不同，也有光信号、磁信号、机械力信号，温度高低 等复杂的信号界面。 2 、精度问题：高精度对于微纳器件的封装是必需的，通常其精度分为三种类型， 包括空间精度、几何精度和对准精度。 3 、可靠的拾取工具：微纳器件封装需要将微小部分拾取，放在需要的位置上。 大部分封装工作是在高倍显微镜下进行的。 4 、检测和评估：微纳器件在加工生产和封装过程中，不可避免会出现许多不确 定性因素，因此产品的测试与评估就显得相当重要。 微纳器件封装技术主要包括：1 、晶圆切片；2 、互连技术，其中又包括焊接 互连和粘结互连技术；3 、密封；4 、封装材料。 1 3 微纳器件封装的可靠性问题 封装焊点内部的热应力是使焊点失效的本质之一，在应变不协调处产生应力 集中，导致裂纹萌生和扩展，应力越高，应变越大，裂纹萌生和扩展的可能性越 大。焊点最常见的破坏大都是由于热循环造成。器件使用时，芯片发热，热量透 过封装传导到焊点，使焊点温度上升，由于封装与基板间的热膨胀系数不同，当 温度变化时，封装体会产生翘曲，焊点介于中间，会因应力而产生变形；当停止 使用，温度降回到室温，形成与前相反的应力，使得焊点经历一次次的使用而产 生形变，接着产生裂纹、扩展，形成一断裂面，导致焊点电阻值提高，信号无法 通过焊点而传递，引起元件失效。因此了解焊点内部的应力应变分布是研究焊点 失效行为特别是焊点内裂纹起裂和扩展的前提。 在焊接过程中，熔融的焊料与焊接衬底接触时，高温在界面会形成一层金属 间化合物( i m c ) ，并且受受回流焊温度、时间的控制，而且在后期使用过程中该 i m c 厚度会随时间增加。使得焊料和焊盘之间形成有效的机械连接，研究表明界 面上的金属间化合物是影响焊点可靠性的一个关键因数。金属间化合物的高硬度 和高脆性是同时并存的，高硬度或许有用，高脆性则是应该避免的了。如果焊盘 和焊球之间未形成良好的金属间化合物，则会使焊接强度不够，使用过程中容易 产生裂缝，可靠性变差；而过厚的金属间化合物层的存在会严重导致焊点断裂， 韧性和抗疲劳能力下降，从而导致焊点的可靠性降低。因此控制金属间化合物厚 度对提高焊点可靠性起关键作用。 2 应用有限元分析软件a n s y s 对基本的封装模型进行模拟分析，还可对各种微 纳器件在热传导和热循环下的热应力进行模拟分析。其中，考虑塑性应变下引起 的形变，非线性应变和形变的关系如式( 卜1 ) 3 呵- 吾 w + h + ，j ) ( 1 2 华东师范大学硕士学位论文 其中白应力张量，峨为相关的位移矢量。 在结构应变中，包括弹性、塑性和热三个组成部分，可以用式( 卜2 ) 表示 4 占驴一f 务+ s 手+ 弓 “( 1 - 2 ) f h d u h a m e l 一u 髓n n 定律可以得到弹性应变表达式 5 】( 1 - 3 ) e 岛一等。q 一鼍6 矿哦。岛。i o 珏i 6 l o k k 这里，8 为杨氏模量，t ，为泊松比，勺为克罗内克函数仃为应力张量可以从式 ( 1 - 4 ) 获得。 嘞，+ 加i - o ( 1 4 ) 其中，p ，厶j 和。，分别表示材料的密度，张力和应力张量。 塑性应变可以根据式( 卜5 ) 计算得到 6 ，慨一嘞，置) - 三岛岛一衫( s ，) - o ( 1 - 5 ) 其中，k ，& ，s ，和化的盯分别表示为应力张量，淬火温度，应力张量偏移 量，简化的有效塑性应变和简有效应变。 由热膨胀引起的热应变可以由式( 1 - 6 ) 表示 7 雾；以彤一 耵u 其中d ，z 和6 ：分别表示材料的热膨胀系数，温度差，和克罗内克函数。 a n s y s 软件在其内核中已经存在上述公式，在进行建模仿真的时候，只需建 立相应的模型，选择合适的单元类型，对必需的材料参数进行定义以及施加正确 的载荷即可得到对应的模拟结果。 1 4 微纳器件封装的研究现状分析 2 0 0 3 年，w e i 8 等人用低温光刻胶做掩膜，进行金属电镀制备和封装微惯性 开关。他们把分离的无阻碍的光刻胶掩膜的金属电镀工艺应用到密封腔里制备微 惯性开关和晶片级的封装，开关的高度和空腔可以独立进行控制，其低的加工温 度允许开关在衬底上包含一个预制备的电子信号处理电路。开关的设计简单，是 一个精确的弹簧质量模式，图卜2 为微开关的垂直和侧面外观图。 2 0 0 6 年y o t 址s o n g 等人对于微波和毫米波中的寄生渗漏自由共振子高阻 硅m e m s 封装进行了研究 9 ，使用轻掺杂工艺在硅芯片上制备了高阻硅( h r s ， 1 0 kqc m ) 微电子机械系统( m e m s ) 共面波导( c p w ) 微波和毫米波集成电路( 删i c s ) ， 3 华东师范大学硕士学位论文 以减少泄漏、耦合和共振中的寄生问题。 图1 2 、微开关的垂直和侧面结构图 过去几年，四方扁平封装( q f p ) 和球栅阵列封装( b g a ) 技术在先进的电子产品 制造业具有极大的应用增长。q f p 和b g a 有比传统包装体积更小，高i o s ，更高的 集结区等等。但是，q f p 的一些桥梁在焊剂联接中的潜在问题，b g a 在焊剂联接的 蠕动疲劳失败经常导致产品的失效。x i u j u a nz h a o 等人模仿焊剂联接的形成数 学模型对q f p 和b g a 建立了依据极小能量定理，预示焊剂联接形状的优化。进一 步揭示了在q f p 焊剂联接的桥梁机制和b g a 焊剂联接的疲劳失效 1 0 。 图卜3 、d g 盯器件 光学m e m s 器件已经在电信业方面得到更多的关注，特别在光网和光开关领 域。因为光学m e m s 依赖于高精密光、电子学和力学系统，这类初步的装置仍然具 有独特的封装挑战。光学m e m s 封装经常需要提供光学和电接入，还要求密封，一 定的机械强度，稳定性和可靠性。密封的光学接入采用金属和抗反射涂层处理， 并且电i o 计数要求较高密度的衬底封装技术。y e el l o w 等人探索三种陶瓷封 装技术，高温共烧陶瓷( h t c c ) ，低温共烧陶瓷( l t c c ) 和薄膜陶瓷技术。图卜3 为他 们研究的动态增益均衡滤波器( d g e f ) 1 1 。 2 0 0 6 年h u a i - y u a nc h u 等人发明了三维多电极阵列( 3 dm e a ) 的方法，克服 4 华东师范大学硕士学位论文 了单电极的缺点，能够对一列连续信号重复记录和分析。其难点在于制备3 dm e a 芯片的互连线，他们采用了局部隔离和去除氧化薄膜来形成电极，并通过氧化物 隔离互连线，制成l o x1 0 的3 dm e a ，其中每个电极的间距为1 0 0pm ，见图卜4 中 的3 dm 队 1 2 。 图1 - 4 、3 dm 队 国外倡导和实现芯片封装协同设计的努力已经持续很多年了。随着9 0 n m i 艺 技术逐渐进入量产阶段，芯片与封装的同步设计才开始真正变成现实。这种转变 的一个迹象是处于该领域的两家公司，o p t i m a l 和r i od e s i g na u t o m a t i o n 最近宣 布了一项联合开发计划 1 3 ，将r i od e s i g na u t o m a t i o n 公司的r i o m a g i c i 具与 o p t i m a l 公司的p a k s i e 工具联系在一起。据r i o m a g i c 称是一套考虑到封装问题的 芯片设计软件，可以综合从芯片i o 到封装焊球之间的互连。p a k s i - e 贝o 可以对封 装设计进行三维电磁分析，用来验证或发现可能带来的芯片性能改变。该计划的 目标之一是在芯片设计的早期阶段就可以确定芯片的i o 排布，这样可以对整个 芯片一封装互连系统的成本和性能进行优化。 2 0 0 5 年，d e v c o n 公司推出s y o n 导电粘性焊料，可用于在热熔焊料无效或无法 使用的应用中形成导电通路 1 4 3 。这些树脂或环氧树脂类物质可方便混合和倾 倒，完全填满空洞，固化时很少生成内部气泡。s y o n t r u b o n d 2 0 6 a 导电粘性焊料 是一种易流性液体，可将易受热熔焊料损伤的电气元件连接到一起。这些充银环 氧树脂对于热熔焊料无法与金属或导线相连的应用是十分有用，还可用于微波屏 蔽。t r u b o n d 2 1 4 充银树脂胶是一种导电、不会下陷的胶剂，针对需要导电性连 接的应用，以及不能使用热熔焊料的应用。它可用于电路板，形成导电通路，并 可为电容和损耗测量提供电极。t r u b o n d 2 1 5 充铜树脂胶既可导电也可导热。这 种不会下陷的浆料是充银产品的一种经济型替代品，它可取代热熔焊料，用于电 路板导电通路的制备和修补、r f 屏蔽以及散热器。 5 华东师范大学硕士学位论文 1 5 本论文研究依据及主要研究内容 目前微纳器件产品得到实际应用的主要原因是没有解决封装问题。研究微纳 器件封装的可靠性是其封装中必不可少的环节。本文第二章分析了部分相关器件 封装中的热传导问题。要对微纳器件封装进行合理设计，必须了解整个封装的熟 场分布。热场分布可以由实测和计算机仿真两种方法得到。一般来说，实测方法 是在产品完成以后进行，使得整个热设计过程周期长，对测量设备要求苛刻，对 复杂的三维热场分布能力较差。计算机仿真可以将热场分析贯穿于整个封装设计 过程，优化关键器件参数和位置，切模拟分析过程便捷、时间短。进行器件的热 分析，并对器件进行改进可以保证器件在其正常的温度下工作，同时可以通过散 热设计来使其容易发生器件失效的地方( 如焊点) 处于一个温度变化较小的范围 内，由此提高器件的疲劳寿命。具体研究内容包括： l 、使用相变材料( 石蜡) 的微机械电热水压微执行器的热分析，使用相变材料 可以在芯片工作温度下软化，更好地接触芯片的表面，从而提高传热性能。 2 、对c m o s 传感器测量液体的热扩散率、3 d 多电极阵列以及探测器和读出电 路组合封装的热传导，通过改变冷热源的间距、减薄衬底厚度，增加致冷面积等 方法对器件进行优化分析。 本文第三章采用a n s y s 分析软件，对部分相关器件在热载荷作用下存在的问 题进行了研究： i 、模拟b g a 封装单焊点的三维热应力分布，其中包括i 2 体积单焊点模型、3 4 体积单焊点模型、全体积单焊点模型以及有填充材料和无填充材料的双焊球模 型。这里的焊料选择的是传统的3 s n 3 7 p b 材料。 2 、模拟b g a 封装多焊点的三维热应力分布。 3 、对光电器件的f l i p - c h i p 的焊点进行热应力模拟，主要包括： a 、在载荷条件相同、材料参数相同、焊点尺寸相同情况下，研究衬底厚度对其 热应力分布的影响。 b 、在载荷条件相同、材料参数相同、衬底厚度相同情况下，分别研究焊点的高 度、长度、间距对其热应力分布的影响。 本文的第四章在第三章的基础上，研究焊点材料对相关器件可靠性的影响， 具体研究了s n a 9 3 8 c u 0 7 、s n 9 6 5 a 9 3 5 、5 2 i n 4 8 s n 三种无铅焊料在热循环 条件下的热应力分布，并与前面分析的6 3 s n 3 7 p b 焊料进行比较分析，最后选择 其中性能较好，应用较广的5 2 i n 4 8 s n 和s n a 9 3 8 c u o 7 对其在焊接过程成产 生的金属间化合物( i m c ) 进行研究分析。 随着封装技术的不断发展，其封装密度已经逐渐接近二维封装所能达到的理 论上的最大封装密度，三维集成电路技术可以实现更高的组装技术。本文的第五 6 华东师范大学硕士学位论文 章首先介绍了一种先进的三维集成电路封装技术，对其制作工艺，器件的性能等 进行详细的分析。最后对其封装后产生的相关电学问题进行研究，并用h f s s 软 件对一些具体器件的微带结构进行模拟，分析其插入损耗特性。 本文的第六章对q w i p 的i - v 曲线，进行数据处理，采用直接法、错位相减 法和拟合二次曲线三种方法计算响应电流。用d e l p h i 编程和e x c e l 计算相关的 性能参数。q w i p 焦平面封装后，引入了噪声电压。由于噪声属于随机信号，它 的相位、幅值变化是不可预知的，采用均方值统计特征参数的方法来计算其噪声 电压。并根据国标g b t 1 7 4 4 4 1 9 9 8 计算响应电压、响应率、有效像元率和响应 率的不均匀性等参数。 7 华东师范大学硕士学位论文 第二章微纳器件封装中的热控制仿真 2 1 热控制的重要性 众所周知，当电流经过半导体元器件时，阻抗会使微电子元件内部产生热量。 而为了提高电子器件的性能，降低器件价格，增加器件的可靠性，需要将芯片封 装在一个尽可能小的空间，即高密度电子封装。随着市场要求芯片功率不断增加， 封装体积不断减少，使得热学设计不得不面临既要维持高的热产生率又要保持相 对低的器件温度这样的问题。显然，温度强烈地影响到电子器件的可靠性，过高 的温度会致使集成电路和封装的失效，所以要进行电子封装热学设计来确保高功 率器件正常工作。 1 7 2 2 微纳器件封装的热耗散 对一个特定的电子产品进行封装设计，首先要确定其相关的封装水平，热传 递机制和常用的制冷装置是根据封装水平的不同而变化的。第一级封装主要考虑 从芯片到其封装表面之间的热传导，然后再到印电路板。减小电路( 器件) 和 表2 - 1 各种封装级别对应的热控制方案 封装等级被动制冷方案主动制冷方案 高导热性黏结剂空气喷射冷却 i c 封装硅脂液体冷却 第一级相变材料 高导热性铸模组件 散热片 肋片散热器 浸没冷却 热管 p c b 电源层、地线层传导风扇 第二级绝缘金属层液体冷却 热管冷板 自然对流 主板或机架自然对流空调系统 第三级热管冷板 制冷装置 8 华东师范大学硕士学位论文 外部表面封装之间的热阻是降低芯片温度的最有效的方法。表2 - i 所示的各种被 动式制冷技术是用于减少这项热阻。第二级封装水平热耗散主要是印刷线电路板 的热传导和与周围空气进行的热对流。在多层电路板中，电源层、地线层或潜入 式热管可以提供很好的热传导性，也可以考虑使用绝缘金属层。 大多数微纳机电系统都可以按照第一级或第二级进行封装集成。第三级封装 通常使用主动热控制方法，例如空调系统，制冷系统等。本章主要研究讨论的是 第一级和第二级的热控制仿真。 2 3 热控制的理论基础 2 3 1 热传导 当同一物体中两点间存在温差或两个不同温度的物体相接触时，就会发生热 传导。热传导主要表现在两个方面：物质中相邻的快速与慢速震动的分子间的动 能交换和电子的迁移。良好的导电体也是良好的导热体。 傅立叶导热定律，即在热传导的过程中，单位时间内通过给定截面的热量正 比于垂直该截面方向上的温度变化率和截面面积： q - 一a a 兰 ( 2 - i ) 。 缸 式中，q 是热流量，单位为w ；a 为垂直于热流方向的截面积，单位为酽；o t a z 为温度t 在x 方向的变化率； 为导热系数，单位为w ( i n k ) ，是表征材料导热 性能优劣的参数；式中负号表示热量传递指向温度降低的方向。 2 3 2 热对流 流体处于运动状态就会改变温度场。流动的流体与其相接触的固体表面之间 具有不同温度时所发生的热量转移过程是热对流。热交换是通过把热传递到固体 表面附近的流体边界层，又被流体的环流带走。按这种“对流”方式进行的热交 换，其传热量比纯热传导要高很多。 牛顿冷却对流换热量为： q a a r ( 2 2 ) 式中，a 为换热面积，单位为m 2 ；at 为流体与壁面的温差，单位为：比例常 数。为对流换热表面传热系数，单位为w ( m z k ) 。上式表明，对流换热量与换热 面积和温差成正比。 2 3 3 热辐射 由于热产生的电磁波辐射称为热辐射，是由物体内部微观粒子的热运动状态 9 华东师范大学硕士学位论文 改变而激发出来，是电磁辐射现象中的一种特殊辐射形式。只要温度高于绝对零 度，物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。 2 4 封装的热控制模型与仿真 要对微纳器件封装进行合理设计，必须了解整个封装的热场分布。热场分布 可以由实测和计算机仿真两种方法得到。一般来说，实测方法是在产品完成以后 进行，使得整个热设计过程周期长，对测量设备要求苛刻，对复杂的三维热场分 布的测试能力较差。计算机仿真可以将热场分析贯穿于整个封装设计过程，优化 关键器件参数和位置，且模拟分析过程便捷、时间短。本章主要采用有限元模拟 软件a n s y s 来仿真微纳器件封装中的热场分布。 2 4 1 使用相交材料的微机械电热水压微执行器的热分析 石蜡是一种典型的相变材料，广泛地应用于微执行器中。石蜡的熔点较低， 当温度到达其熔点时，会发生约1 5 9 6 的体积延展，使得它在芯片工作温度下软化， 更好地接触芯片表面，提高传热性能。关于相变材料石蜡，j u ns ul e e 1 8 等人 使用化合物分析模型，即s t e f a n 法和n e u m a n n 解法，分析了石蜡熔化的全过程。 图2 - i 中的( a ) 和( b ) 分别为石蜡层的n e u m a n n 解法的b r a i l l e 单元和微型管 结构图，这里的n e u m a n n 解法中的b r a i l l e 单元和微型管是一种参数化建模的方 式，详细解法过程见文献 1 9 。石蜡n e u m a n n 解法中的b r a i l l e 单元和微型管的 响应时间和初始温度如表2 2 。 图2 1 、微执行器b r a i l l e 单元和微型管结构图 响应时间( s )固体石蜡的初始温度( ) b r a i l l ee e l l4 23 0 m i c r o p i p e t t e 1 0 3 0 通过n 、i s y s 软件分别仿真得到两者的温度场分布，图2 - 2 ( a ) 显示了b r a i l l e 1 0 华东师范大学硕士学位论文 单元在3 0 1 2 、4 2 秒时模型的温度分布，图2 - 2 ( b ) 显示了微型管在3 0 、1 0 秒时模型的温度分布。这是没有热短路的温度分布，即假设石蜡没有熔化，因此 它没有与封装的硅壁面和玻璃衬底接触。 ( 8 )( b ) 图2 - 2 石蜡中温度分布( 8 ) b r a i l l e 单元( b ) 微型管 ( b ) 图2 - 3 、发生热短路时，石蜡的温度场分布 在实际情况下，石蜡在芯片温度上升到4 7 以上时就会熔化，熔化的石蜡 会与硅壁面和玻璃衬底接触导致热短路，温度分布将明显改变，如图2 - 3 所示， 可以看到大量的热量将传导到硅壁面和玻璃衬底，使用相交材料石蜡可以有效地 使热传递到硅壁面和衬底，在硅壁面和衬底上加强散热改进，能有效降低器件工 作温度，延长器件使用寿命。 2 4 2 s 传感器测量液体的热扩散率： y i - t i n gc h e n g 2 0 等人设计了一种c m o s 传感器来测量液体的热扩散率， c m o s 传感器芯片采用v i s 0 5um 2 p 3 mc m o s t 艺实现，它改变了传统测量液体方法 所需要的大量样品和时间。c m o s 芯片如图2 4 所示，一个多晶硅薄膜形成的衬底， 薄膜垂直中心为热源，四个热传感器分别分布在热源的两端。用a n s y s 软件对液 1 1 华东师范大学硕士学位论文 体的温度分布进行仿真，见图2 - 5 。初始温度设定为2 7 4 5 k ，发热功率为0 o l w ， 对应生热率为1 6 5 1 0 ”w m 3 ，液体样本为甲苯。图2 - 6 显示了传感器位置的 甲苯的温度随时间的变化曲线。仿真结果与实验测试结果基本相符，但对于实验 产生的热损失，a n s y s 无法完全用仿真描述，所以仿真的温度比实验结果稍微偏 高。 图2 4 ，测量液体热扩散率的c m o s 传感嚣芯片的侧面图 图2 - 5 、测量液体热扩散率的c h o s 传感器芯片中的液体温度分布图 图2 6 、传感器位置点的液体( 甲苯) 温度的变化 华东师范大学硕士学位论文 2 4 3 三维多电极阵列( 3 d - 旺弧) 2 0 0 6 年h u a i - y u a nc h u 2 1 等人发明了一种制备三维多电极阵列( 3 dm e a ) 的方法，它克服了单电极的缺点，能够对对一列连续信号的重复记录和分析。其 难点在于制备3 dm e a 芯片的互连线，他们采用了局部隔离和去除氧化薄膜来形 成电极和通过氧化物隔离的互连线，最后制成l o x1 0 的3 dm e a ，其中每个电极 的间距为1 0 0um 。图2 7 为3 dm e 封装的侧面结构示意图。 图2 7 、3 9 此a 封装的结构示意图 根据此模型，我们用a n s y s 对其结构进行建模与仿真，因为其中的液体流速 可以近似为零，所以器件和电解液的建模单元类型均采用p l a n e 5 5 ，结构图如图 2 8 所示。 图2 - 8 、3 d 娓a 的a n s y s 建模图 初始温度设定为2 7 4 5 k ，电极发热功率为0 o l w ，对应生热率为1 6 5x1 0 ” w m 3 ，电解液样本为k c l 。图2 - 9 为器件工作时电解液中温度的分布图： 图2 - 9 、3 dm e t 的a n s y s 温度场模拟云图 以上两个器件的温度场模拟均只考虑热在液体中的传导情况，下面针对q w i p 华东师范大学硕士学位论文 器件的热传导模型做比较详细的模拟分析。 2 4 4 量子阱红外探测器封装的热控制 量子阱红外探测器封装热控制的a n s y s 仿真中物理量如表2 3 ，读出电路与 探测器运行时都会产生热量。经过一定时间运行后，其内部损耗发热将于外部环 境的冷却达到温度平衡，从而呈现出稳定的内部温度分布。进行读出电路与探测 器内部温度场分析的目的是获得各部分的稳态温度分布图，从而确保一定的隔热 温差，达到各自优化工作点。 表2 - 3 、各材料的导热系数 物理量：单位：千卡米时k g a a s 导热系数6 0 8 介质导热系数 0 2 9 3 致冷端导热系数 3 5 3 0 s i 导热系数1 5 0 0 引线导热系数 6 9 5 焊点导热系数1 5 0 ( 4 0 k ) ，8 6 ( 1 0 0 k ) a n s y s 程序选择模型单元为三维十节点四面实体单元( s o l i d 8 7 ) ，冷端铜块 的温度为4 0 k ，读出电路加载发热功率l o o m w 。图2 - 1 0 为在初始尺寸的条件下模 拟得到的q w i p 到r o i c 之间的温度稳态分布图： 图2 一1 0 、初始模型器件在工作时的稳态温度分布 可以看出探测器与读出电路的温差接近1 0 0 k 。根据温度场数值模拟的结果， 可以通过以下三方面对工艺方案进行变化： 1 4 华东师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 、缩短探测器和r o i c 之间的距离； 分别仿真了探测器和r o i c 之间间距从l o m m 变化到2 5 m m 的稳态温度分布。 结果显示探测器与读出电路的温差从原来的1 0 0 k 逐渐降变化到3 0 k 。 但是由于上述起主要热传导作用衬底材料在低温时的导热系数变化较大，而 焊点材料的导热系数变化很小，它们的影响在a n s y s 软件仿真中已经被近似考虑 进去。 ( 2 ) 、增加致冷面积 增加致冷面积会使得探测器与r o i c 的温差大大减小，此时探测器和r o i c 的 间距已不是影响温差的主要因素。分别模拟制冷面积l c m ，4 r a m 和2 5 m m 时的稳 态温度分布，结果表明，r o i c 的温度变化不大，温差基本分布在探测器和r o i c 与介质衬底的连接处。 ( 3 ) 、减薄介质衬底厚度 改变介质衬底的厚度对温度分布的结果影响较大，图2 - 1 1 表明厚度从8 0 0 u m 减薄到l o o u m ，其中x 轴代表从探测器中心到r o i c 中心的距离，y 轴代表工作时 的温度分布，图中8 条曲线从上到下分别对应介质衬底厚度从1 0 0l im 变化到8 0 0 l lm 。可以看到衬底厚度小于4 0 0i lm 以后，对于r o i c 散热速率降低。 通过以上三部分的分析，可以得到一个最小的探测器封装模型，稳态温度场 分布如图2 1 2 。 d i s t a n c ef r o m 钾i pt or o i c 图2 1 1 、不同衬底厚度时鲫i p 和r o i c 的温度分布 华东师范大学硕士学位论文 图2 一1 2 、改进模型的温度分布图 2 5 小结 本章主要通过有限元软件a n s y s 介绍了四种微纳器件封装中的热场分布，其 中使用相变材料( 石蜡) 的微机械电热水压微执行器的热分析模拟的是第一级封 装，使用相变材料可以在芯片工作温度下软化，更好地接触芯片的表面，从而提 高传热性能。关于c m o s 传感器测量液体的热扩散率、3 d 多电极阵列以及探测 器和读出电路组合封装的热传导属于第二级封装，可以通过改变其封装的结构尺 寸改变温度场分布，保证器件在其正常的温度下工作。其中探测器封装采用的是 冷板制冷方案。研究表明，超过5 5 的电子设备的失效形式是由于温度过高引起 的，本章用a n s y s 软件对微纳器件封装的热控制进行仿真，可以对器件的设计 起一定的指导作用。 华东师范大学硬士学位论文 第三章微纳器件封装的应力分析 3 1 封装应力 电子封装在制造和使用过程中由于加载而在封装体内部造成的热应力应变 是封装失效的主要原因之一。这中间包括两种典型的加热过程，一是生产过程， 它的温度较高( 如倒装焊回流的典型温度在2 2 0 2 2 到2 3 0 ) ，但次数较少；二是 使用过程，它是多次的，但温度变化范围小。电子封装使用到的许多性能各异的 材料，如金属材料、脆性材料( 如硅芯片，陶瓷基板) 和高分子材料的热膨胀系数 ( c t e ) 各不相同，这些材料组合成一个整体后，加载后的温度变化在不同材料 界面引起压缩或拉伸应力。材料间的热膨胀系数差随温度变化越大，产生的热应 力也就越大。由此引起的疲劳断裂，脆性断裂，蠕变，界面分层和塑性形变等现 象都可以归纳为应力集中和热疲劳失效两种失效模式。 2 2 其中疲劳是最常见的 失效原因，电子封装中9 0 以上的失效都可以归结为热疲劳失效。 电子封装力学设计大致可以划分为针对应力的力学设计和针对疲劳的可靠 性设计。具体可以通过替换材料，变更封装结构和尺寸，引入保护结构或同时采 取几种措施来实现。 结构复杂，品种多样是电子封装的一大特点。先进的电子封装形式有s o i c ( 小外形集成电路) 、b g a s ( 球栅阵列) 、f l i p - c h i p ( 倒装芯片) ，和m c m s ( 多 芯片模块) 等，每个类型又有不同的衍生种类。例如b g a 就有p b g a ( 塑料球栅 阵列) ，s b g a ( 增强型球栅阵列) ，t f b g a ( 细微间距球栅阵列封装) 等种类，即 使在同一种种类内也还有众多的规格尺寸。若是对每一个封装形式都进行建模设 计，其工作量无疑是巨大的。因此在建模过程，需要对各个具体的封装类型进行 参数化处理，封装设计时只需要输入尺寸参数就能完成有限元模型的生成。 3 2b g 封装的三维热应力分析 b g a 封装单焊点和多焊点的三维变形情况的应力分布仿真，采用热一力结合 有限元模拟。传统的s n 3 7 p b 合金作为焊料，硅电路为倒装芯片，基板是f r - 4 材料( 玻纤布基材含浸耐燃环氧树脂) 的p c b 板。 3 2 1 单焊点计算 ( 1 ) i 2 体积模型 所谓的i 2 体积是指在模拟中为了更好地显示模型内部情况，由于模型是轴 对称模型，因此i 2 体积能够很好地反应出其内部的特点。在进行有限元分析时， 为简化问题的求解，建立模型时作以下假设： 2 3 2 4 1 7 华东师范大学硕士学位论文 1 假设模型为3 层实体( p c b 基板、焊点和硅电路芯片) ，其中焊点致密，无空穴、 气孔等缺陷； 2 假设p c b 基板和硅芯片为弹塑性材料； 3 假设加载前焊点内的残余应力为o ； 4 假设材料性能不随温度变化而改变； 5 焊料为粘塑性材料。 采用传统的s n 3 7 p b 焊料与芯片、基板直接互连的几何结构，鼓形焊点，其 结构成轴对称形，模型取3 d - s o l i d 9 2 单元迸行有限元分析，在简化模型中，上 层芯片、中间焊球和下层p c b 板所组成的三层结构被认为是各向同性、均匀的材 料，见图3 - 1 有限元计算模型网格划分，材料的特性参数是各层的主体材料的特 性参数，表3 - 1 和表3 - 2 分别是模型尺寸和材料参数。 2 5 图3 - 1 模型网格划分图 图3 - 2 模型( s n 3 7 p b ) 等效应力云图 表3 - 1 、模型尺寸 p c b 焊点硅芯片 l 半径( p 。) 1 0 4 51 i 厚度( i j m ) 10 70 7 表3 - 2 、模型( s n 3 7 p b ) 材料参数 弹性模量( g p a ) 泊松比 热膨胀系数( p p m 。) 热传导率 w m k ) p c b 基板 1 1 o0 2 81 5o 2 5 s n 3 7 p b3 0 2o 42 45 7 9 s i 芯片 1 3 o0 2 7 82 51 3 2 1 8 华东师范大学硕士学位论文 在该模型中，芯片作为自由表面与p c b 基板通过焊点连接之外不被固定。而 p c b 基板除了与焊点连接之外，整个底面则被刚性固定( 垂直方向) ，其变形受 到一定的限制。模型在一5 5 一1 2 5 温度范围内循环，然后进行求解，得到单焊 点的有限元计算结果。模型最大的等效应力在硅芯片与焊料结合面中心的焊料边 缘处，见图3 2 。 根据相关器件失效分析，裂纹通常起源于焊料与焊盘之间圆角边缘处，并且 沿焊料与焊盘的界面在焊料一侧扩展，最终止于焊盘与焊料的界面处。实验表明 2 6 裂纹扩展途径与仿真的最大应力位置吻合。说明有限元模型的建立、材料属 性的定义、以及边界条件的假设合理，有限元分析可靠。 图3 - 2 进一步表明，焊点应变较大的区域集中在焊球的上下两个焊接界面， 并且从上到下变化规律是先减小后增大。因为p c b 固定端存在着应力，相比较焊 球的上部焊接界面是应力最大处。在s i 芯片、p c b 板和焊球三种材料中，焊球 的热膨胀系数最大，s i 芯片的热膨胀系数最小。温度升高，焊球膨胀，在纵方 向，焊球的自由膨胀受到阻碍，使焊球与芯片的接触面上产生向下的压力。在横 方向，由于芯片与p c b 板热膨胀系数相差比较大，因为焊点的连在，使它们在横 方向膨胀相互制约，因此在焊接界面处应变较大。同时在焊料球中焊点的等效应 力是非均匀线性变化，因而在焊接界面的焊球外侧急剧