（机械制造及其自动化专业论文）微电子封装高聚物热、湿机械特性及其封装可靠性研究.pdf

摘要 摘要 信息技术和电子产品已成为当今世界的第一大产业。i c 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i c 设计和制造共同构成了i c 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a s t m d - 6 3 8 标准制作试件，通过常温和高温静态拉伸实验测 绘出e m c 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 a s i w d - 6 3 8 标准制作试件，然后对该试件进行常温和高温的拉一拉疲劳实验，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2 5 c 1 5 0 c 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 一曲线。 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、基质问的开裂、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，颗粒与基质问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p b g a 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 1 7 , 4 9 的增加；对填充了底充胶的倒装焊焊点，分别用【c 删与 f _ - w l 公式对焊点 寿命进行了预测，验证了e n g e l m a i e r 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 微电子封装高聚物热、湿机械特性及其封装可靠性研究 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问的关系；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。 关键词t 封装高聚物疲劳寿命倒装焊底充胶热机械特性湿热机械特性 蠕变粘弹性可靠性 摘要 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cp r o d u c t sh a v eb e e nt h el a r g e s ti n d u s t r i e si n t h ew o r l d t h ec o o fi n t e g r a t e dc i r c u i tg c ) i sc h i p m o r e o v e r , e v e r yc h i ph a st ob e p a c k a g e ds u i t a b l yb e f o r ei tc a l lb eu s e d w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n t so fi c i n t e g r a t i o n ，t h ee l e c t r o n i cp a c k a g i n g , t o g e t h e rw i t hi cd e s i g na n di cm a n u f a c t u r i n g ， b e c o m et h et h r e es t a n c h i o n so fi ci n d u s t r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，m a n ye m p h a s e sa r el a i do nt h r e ea s p e c t s o n ei st h ef a t i g u e f a i l u r eo fp a c k a g i n gm a t e r i a lb ye x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n o t h e ri s c h a r a c t e r i s t i co ff l i pc h i pu n 4 e r f i l la n df l i pc h i pr e l i a b i l i t y a n dt h el a s to n ei st h e h y g r o s c o p i ce f f e c to nt h ev i s c o e l a s t i c i t yo fp a c k a g i n gm a t e r i a l s c o n c r e t e l yt h et h e s i si s c o m p r i s e do ff o l l o w i n g s f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea s 加- 6 3 8s t a n d a r d t h es p e c i m e ni sm a d e t h e nt h e s t a t i ct e n s i o ne x p e r i m e n t sa i es t u d i e d 砒r o o mt e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e a n d t h es t r e s s - s t r a i nc u r v ea n ds o m em e c h a n i c sp e r t o r m a n c e so ft h ep a c k a g i n gm a t e r i a la l e o b t a i n e d n e x t t h et e n s i o n - t e n s i o nf a t i g u ee x p e r i m e n t sa i n v e s t i g a t e da tt h er o o m t e m p e r a t u r ea n dh i 【g ht e m p e r a t u r es e p a r a t e l y t h r o u g ht h et e s t , t h es t r e s s s t r a i nc u r v e a n ds o m em e c h a n i c sp e r f o r m a n c e sa n dt h ef a t i g u ef i f ep r e d i c t i o nf u n c t i o na b o u tt h e p a c k a g i n gm a t e r i a l a r eg a i n e d a n dt h ei m p r o v e df a t i g u el i f eo fe p o x yp a c k a g i n g p o l y m e r , w h i c ht e m p e r a t u r ei sb e t w e e n2 5 a n d1 5 0 c a nb ep r e d i c t e db yu s i n g t h ef u n c t i o n a tt h es a m et i m e t h es nc u r v ei so b t a i n e da tt h el o o mt e m p e r a t u r e r u p t u r e so ft e n s i o na n df a t i g u e , a tl o o mt e m p e r a t u r ea n dl l i g ht e m p e r a t u r e a i n v e s t i g a t e d t h ef a i l u r em i c r o c o s m i cm e c h a n i s m s a l ed i s c u s s e db yu s i n gt h es c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e t h em a i nf a i l u r em e c h a n i s m sa t h ed e l a m i n a t i o nb e t w e e nt h e f i l l e ra n de p o x y , c r a c k i n go fe p o x yo rf i l l e ra tr o o mt e m p e r a t u r ea n dt h ed e l a m i n a t i o n b e t w e e nt h ef i l l e ra n de p o x ya th i g ht e m p e r a t u r eb e c a u s eo fs e f t e no fe p o x y t h ep a p e r u s e sf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gt os i m u l a t et h ea c t u a lm o u n t , p a c k a g ea n dt e m p e r a t u r e c y c l ep r o c e s s e so fap b g aa n dt h a ts t r a i na n ds t r e s s 辨a n a l y z e d s i m u l t a n e o u s l yt h e f a t i g u el i f ei sp r e d i c t e db yu s i n gt h ea b o v ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o nf u n c t i o n t h ep o s s i b l e a n dm o s tp o s s i b l ef a i l u r ep o s i t i o n si ne p o x yp o l y m e rp a c k a g ea f o u n d s e c o n d l y , f l i pc h i pi so ft h es h o r t e s tc o n n e c t i o n ，e x c e l l e n te l e c t r o n i cp e r f o r m a n c e a n dv e r yh i g hy on u m b e r sa n dh a st h em o s tp o t e n t i a l si nh i g h - d e n s i t yp a c k a g e d u r i n g t h es e r v i c e ，p a c k a g ec o m p o n e n th a st oe n d u r ep e r i o d i c a lc y c l i n gt e m p e r a t u r ed u et o c i r c u i t so re n v i r o n m e n ta n d d o s et h ep a c k a g em a t e r i a l b e c a u s eo ft h em i s m a t c ho f c o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o na n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fe v e r ym a t e r i a li nt h e 微电子封装高聚物热、湿机械特性及其封装可靠性研究 p a c k a g e ，c h i p ，p a c k a g em a t e r i a la n ds o l d e r j o i n t sn t l u s tb ee n d u r e dc h a n g e so fs t r e s sa n d s t r a i na n df i n a l l yr e s u l ti nf a i l u r es u c ha sc h i po rs o l d e r j o i n t s f o ri m p r o v i n gt h et h e r m a l m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o n e n tb a s e d0 1 1 r e s e a r c ho ft h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h e r m a le x p a n s i o n ，c a r b o nf i b e ra n ds i l i c af i l l e d e p o x yu n d e r f i l li s s t u d i e da n dap r e d i c t i o nf o r m u l ao ft h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n da p r e d i c t i o nf o r m u l ao ft h e r m a le x p a n s i o no ff i b e ra n ds i l i c af i l l e dc o m p o s i t e 勰b r o u g h t f o r w a r d a n dt h eb e s tt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h eb e s tt h e r m a le x p a n s i o no fu n d e f f i l l s ， b e t t e rt h a nn o wu s e do n e s ，a p r e d i c t e d t h o u g hf i n i t ec l e m e n ts i m u l a t i o n ，a f f e c t so f t h e r m a lc o n d u c t i v i t y0 1 1t e m p e r a t u r ep r o v e st h a th i 呐t h e r m a lc o n d u c t i v eu n d e r f i l lc a l l m a k et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ne q u a b l ya n dt h e r e f o r ed e c a t h es t r e s sa n ds t r a i n i n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fu n d e r f i l l e dp a c k a g e b y c o m p a r i s o no fh i g ha n dl o w c o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ( c t e ) u n d e r f i l l ，a f f e c t so fc 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 no l ls t s ss h o w s t h a ti ft h ec t ei sd o u b l e d t h es t l e s $ o u t s i d et h es o l d e rj o i n t w i l lb e1 7 4 9 g r e a t e rt h a to fi n s i d et h es o l d e rj o i n t s o l d e rj o i n t sl i f ef o ru n d e r f i l l e d f l i pc h i pa p r e d i c t e du s i n g 【c - m a n d e - w f o r m u l aa n dt h ee n g e l m a i e r r e s u l t si s p r o v e d t h i r d l y , h y g r o s c o p i ce f f e c t sh a v eb e e no n eo fk e yp r o b l e mt ot h ep o l y m e r p a c k a g i n gc o m p o n e n t s m a i n l yc h a r a c t e r i s t i ci sh i 曲s t l 宅s $ a n ds t r a i ni n d u c e db yt h e h y g r o s c o p i ce x p a n s i o nm i s m a t c h ，d e l a m i n a t i o n ，a n dt h ec h a n g e so fv i s c o e l a s t i c i t y t e n s i o nc r e e pt e s t sp r o v et h em o i s t u r ee f f e c t sv i s c o e l a s t i c i t ya n dl e l a t i o nb e t w e e nt h e v i s c o e l a s t i c i t ya n dm o i s t u r ec o n t e n ti so b t a i n e d a n da l s ot h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef i l l e r c o n t e n ta n dm o i s t u r ec o n t e n ti so b t a i n e d a tl a s t ，m o i s t u r ee f f e c t0 1 1t h em o d u l u sa n d g l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea r eo b t a i n e db yu s i n gt h e8 h e a ft e s t s 1 k e y w o r d s ：p a c k a g i n gm a t e r i a l ，f a t i g u el i f e , f l i pc h i pu n d e r f i l l ， t h e r m a l m e e h a n i e a l c h a r a c t e r i s t i c s ，l a y g r o s e o p l e - m e c h a n i c a l c l m r a c t e r i s t i e s , ：r e e p ，v i s c o e l a s t i c i t y , r e l i a b i l i t y 独创性( 或刨新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：皇鲞垒：日期皇! 尘：生 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 日期兰塑曼：! ! 日期生! 兰：! ! 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍了本论文的课题来源和意义，详细概述了与本课题研究内容相 关的国内外的发展和研究状况，最后简述了本论文的主要研究内容。 1 1 论文课题来源和意义 1 1 1 论文课题来源 本论文的选题主要来自国家自然科学基金项目：微电子封装高聚物的热机械 疲劳损伤研究( 批准号：6 0 1 6 6 0 0 1 ) 1 1 2 论文课题研究背景和意义 微电子封装器件的可靠性是电子工业关心的主要问题，为了提高封装器件的 可靠性，粒子填充热固性聚合物作为重要的微电子封装材料已被广泛应用：如作 为i c ( 集成电路) 的模塑封装材料( m o l d i n gc o m p o u n d ) ，在倒装焊芯片( f l i pc h i p ) 中 作为硅芯片与p c b 基板之间的底充胶( u n d e r f i l l ) ，在芯片级封装( c s p ) 、塑封球阵 列( p b g a ) 以及系统芯片( s o t ) 等封装形式中也是极为重要的封装材料；此外，聚 合物基的导电胶粘剂也正被研究以替代含铅的焊膏而作为高密度组装的互连材 料。这类材料的共同特点是常常加入高比例的填充粒子，碳纤维，以提高其机械性 能，减少它与其它材料热膨胀系数的差异以降低器件在热载荷下的应力。 据研究证明，如果在f l i pc h i p ( f c ) 的芯片和基板空隙中填入一层薄薄的底充 胶( u n d e f f i u ) ，可以提高焊点的热循环寿命l o 倍以上【l l ，可使倒装焊芯片的可靠 性提高5 一1 0 倍 2 1 。但是微电子器件在封装、组装以及温度循环加载的过程中，由 于器件内部各材料间热膨胀系数的不匹配性，会在材料内部产生较高水平的热机 械应力，导致7 封装材料的疲劳破坏，这种疲劳破坏又反过来影响了微电子器件 的可靠性，是器件失效的主要原因之一。目前国内外对这类封装材料疲劳破坏的 研究还相当少，同时对于封装材料疲劳破坏的失效机理，疲劳寿命预测等也没有 一个比较全面的研究。文献 3 - 5 1 仅从理论上研究了在热循环加载下u n d e r f i l l 材料的 分层和开裂准则，没有实验验证；文献旧初步探讨了全同立构聚丙烯的疲劳损伤演 化，但并未进行材料的失效判定及预测材料的疲劳寿命；文献 7 - 9 1 着重研究无增强 颗粒填充的纯高聚物的细观损伤演化的研究；还有一些文献主要是集中研究层板 型复合材料，纤维规则分布增强型聚合物基复合材料的疲劳损伤和疲劳寿命预测 【i 3 】。综上所述，对于微电子封装材料的疲劳研究就变得非常重要。 另一方面，由于电子器件朝着体积微小化、高互连密度方向发展，使得对实 三微电子封装高聚物热、湿- 机械特性及其封装可靠性研究 际的微电子器件进行热机械性能测试变得非常困难甚至不可能；电子器件更新换 代日益加快，使得试验一改正一再试验的传统方法难以适应产品的快速更新换代。 因此，以计算机模拟为基础的虚拟热原型制造( p r o t o t y p em a n u f a c t u r i n g ) 越来越受 到重视。 本论文在上述研究的基础上，以微电子封装的粒子填充热固性聚合物为研究 对象，通过一系列的实验，研究其在热机械循环载荷下的疲劳破坏失效机理，确 定其疲劳寿命预测方程；为改善元器件的热性能，在研究了复合材料导热性能和 膨胀性能的基础上，提出了以碳纤维和粒子填充的聚合物导热系数预测模型和热 膨胀系数预测模型，其导热和热匹配性能高于目前采用的底充胶；再通过有限元 模拟的方法，对导热系数对温度场的影响、热膨胀系数对应力的影响进行了模拟 计算的研究；对填充了底充胶的倒装焊焊点疲劳寿命进行了预测。课题的研究成 果将对封装材料的疲劳破坏有进一步的认识，得出了该封装材料的疲劳寿命预测 模型，提出了以碳纤维和粒子填充的聚合物导热系数预测模型和热膨胀系数预测 模型，对封装可靠性、器件结构优化设计以及提高器件的可靠性具有重要的指导 意义。 湿热一直是聚合物封装器件可靠性的最大威胁，主要表现在热湿膨胀比匹配、 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。 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型1 4 1 1 9 4 7 年美国电报电话公司( a 1 & t ) 贝尔实验室的三位科学家巴丁、布赖顿和肖 克莱发明第一只晶体管，开创了微电子封装的历史。为便于在电路上使用焊接， 要有外引线；为固定小小的半导体芯片，要有支撑它的底座；为了防护芯片不受 环境污染，也为了坚固耐用，就必须有把芯片密封起来的外壳等。五十年代是以 三根线的t o ( t r a n s i s t o ro u t l i n ep a c k a g e 晶体管外壳) 型金属玻璃外壳为主，后来又 发展为各类陶瓷、塑料封装外壳。随着晶体管的日益广泛应用，晶体管取代了电 子管的地位，工艺技术也日臻完善。随着电子系统的大型化、高速化、高可靠性 的要求提高，必然要求电子元件小型化、集成化。这时的科学家一方面不断将晶 体管越做越小，电路问的连线也相应缩短；另一方面，电子设备系统众多的接点 严重影响整机的可靠性，使科学家想到将大量的无源元件和连线同时形成的方法， 做成所谓的二维电路方式，这就是后来形成的薄膜或厚膜集成电路，再装上有源 第一章绪论 3 器件的晶体管，就形成了混合集成电路( h y b r i di n t e g r a t e dc i 彻l i b 皿c ) 。与此同 时形成了单片集成电路的思想，即把组成电路的元件和连线像晶体管那样也做到 一块硅片上来实现电路的微型化。于1 9 5 8 年科学家研制成功第一块集成电路( i c ) 。 这样集成多个晶体管的硅片，i c 的输入，输出( i ，o ) 引出脚相应也增加了，这样大大 推动了多引线封装外壳的发展；不过仍以t o 型的金属玻璃封装外壳为主。由 于i c 的集成度越来越高，六十年代中期，i c 从集成1 0 0 个以下的晶体管或门电路 的小规模i c ( s m a l ls c a l ei n t e g r a t i o n - - - s s i ) 迅速发展成集成数百至千个晶体管或门 电路的中等规模的i c ( m e d i u ms c a l ei n t e g r a t i o n 吨僻d ，相应的i o 也达到了数个 至数十个，因此，要求封装引线越来越多。原来的t o 型封装外壳已难以适应，于 是，六十年代就开发了双列直插式引线封装( d o u b l ei n 1 i n ep a c k a g e - d ) 这种 封装结构很好地解决了陶瓷与金属引线的结合，热性能、电性能俱佳。d i p 出现就 赢得了i c 厂家的青睐，很快获得了推广应用。i o 引线从4 6 4 只管脚均开发出 系列产品，成为七十年代小规模i c 封装的系列主导产品。后来，又开发出塑料的 d i p ，既大大降低了成本，又便于工业化生产，在大量民品中迅速广泛使用，至今 仍为使用。 七十年代是i c 飞速发展的时期，一个硅片已可集成成千上万至数十万个晶体 管或门电路，称为大规模i c ( l a r g es c a l ei n t e g r a t i o n - - - - l s d ，这时的l s i 与前面其 他类型的i c 相比已使集成度的量变发生了质变。它不单纯是元器件集成数量的大 大增加，而且集成的对象也发生了根本的变化，它可以是一个具有复杂功能的部 件( 电子计算机) ，也可以是一台电子整机( 如单片电子计算机) 。一方面集成度迅速 增加，另一方面芯片尺寸在不断扩大。随着八十年代出现的电子组装技术的一场 革命表面贴装技术的迅速发展，与此相适应的各类表面贴装元器件( s m c 、s m d ) 电子封装也如雨后春笋般出现。诸如无引线陶瓷芯片载体( l e a d l c s sc e r a m i cc h i p c a r r i e r - - - l c c c ) 、塑封短引线芯片载体( p l a s t i cl e a dc h i pc a r r i 骨弧c c ) 和方形 扁平引线封装( q u a d f l a tp a c l 【a g e q f p ) 等，并于八十年代达到标准化，形成批量 生产。由于环氧树脂材料的性能不断提高，使封装密度高，引线间距小，成本低， 适于大规模生产并适合于s m t ，从而使塑封四边扁平引线封装( p l a s t i cq u a df l a t p a c k a g e - p q f p ) 迅速成为八十年代电子封装的主导产品，i o 也高达2 0 8 2 4 0 个 同时，用于s m t 的中、小规模i c 的封装i o 数不大的i s i 芯片采用了由荷兰菲利 浦公司七十年代研制开发的小外形封装( s m a l lo u t l i n ep k a g e _ s o p ) ，这种封装 其实就是适于s m t 的d i p 变形。 八十年代至九十年代，随着i c 特征尺寸不断减小以及集成度的不断提高，芯 片尺寸也不断增大，i c 发展到了超大规模i c ( v e r yl a r g cs c a l ei n t e g r a t i o n - - - - v l s i ) 阶段，集成电路高达百万以至千万只，芯片，其i o 数也达到数百个，并已超过1 0 0 0 一4 微电子封装高聚物热、湿机械特性及其封装可靠性研究 个。这样一来，原来四边引出的q f p 及其他类型的电子封装，尽管引线间距一再 缩小也不能满足封装v i s i 的要求。电子封装引线由周边型发展到面阵形，如针栅 阵列封装( p i ng r i da 盯a y p g a ) 。然而，用p g a 封装低f o 数的l s i 尚有优势， 而当封装高i o 的v l s i 就无能为力了。一是体积太大；二是制作工艺复杂而成本 高：三是不能使用s m t 进行表面贴装，难以实现工业化规模生产。综合了q f p 和p g a 的优点，于九十年代研制开发出新一代微电子封装_ 球栅阵列封装( b a l l g r i da 册y - b g a ) 。至此，多年来一直大大滞后芯片发展的微电子封装，由于b g a 的开发成功而终于能够适应发展的步伐。 在开发出b g a 后，美国又开发出p b g a ，而日本也于九十年代早期开发出芯 片尺寸封装( c h i ps i z ep a c k a g e s p ) ，这两种封装的实质是一样的。c s p ( 或称为 i x b g a ) 的封装面积，芯片面积s l - 2 ：1 ，这样，c s p 解决了长期存在的芯片小而封装大 的矛盾。 随着电子技术的进步和信息技术的飞速发展，电子系统的功能不断加强。为 了充分发挥芯片自身的功能和性能，就不需要将每个i c 芯片都封装好了再组装到 一起，而是将多个未加封装的通用i c 芯片和专用i c 芯片先按电子系统的功能安 装在多层布线基板上，再将所有芯片互连后整体封装起来，这就是所谓的多芯片 组件( m u l t ic h i pm 0 d _ u l e _ 小忙m ) ，它使电子封装技术达到了新的阶段。 一代芯片必有与此相适应的一代电子封装。五、六十年代是t o 的时代、七十 年代是d i p 的时代、八十年代是q f p 、s m t 、t a b 、b t a b 等的时代，九十年代 是b g a 和m c m 时代，二十一世纪的头十年则是b g a 和f l i pc h i p 结合的时代。 1 2 2 论文目前研究内容的现状 半导体集成电路( i c ) 技术的发展与i c 封装技术的发展密不可分。随着i c 工 业的飞速发展，集成度日益增高，芯片面积越来越大，输入，输出端口数逐渐增多， 这就对封装技术提出了更高的要求，并发展起来各种先进封装形式。同时，微电 子产品的广泛应用，使得电子封装的服役环境更趋复杂，所以微电子器件的热一 机械可靠性问题就成为当前国际上的热门研究领域，许多学者进行了研究”- 2 0 l 。 研究的重点主要集中在以下几个方面：电子封装在服役条件下，电路的周期性通 断和环境温度的周期性变化，使得焊点经受温度循环过程，由于各材料间的热膨 胀失配，焊点内将产生周期性的应力应变过程，导致焊点中裂纹的萌生和扩展， 最终使焊点失效；塑封料固有的有机大分子结构，使得它具有较高的吸湿性而不 具有气密性的特点，因此容易由于吸潮而引发封装材料的破坏失效分析；器件内 部的界面脱层研究；封装材料的材料模式对器件热机械可靠性的影响；由于模塑 封装材料固有的粘弹特性，使得封装器件在组装、封装和随后的使用过程中，封 第一章绪论 5 装材料的蠕变行为非常明显，因此封装材料的蠕变损伤研究也变得非常重要；由 于电路的周期性通断和各材料间热膨胀失配，导致硅芯片的垂直开裂。通过对上 述这几个方面的分析，可以发现：一直以来人们对于微电子器件的可靠性研究主 要集中在焊点的失效、芯片的开裂、器件内部界面的脱层、封装材料吸潮引发的 失效和封装材料的蠕变【2 1 1 等方面。 实际上电子封装器件在服役条件下，电路的周期性通断和环境温度的周期性 变化，也使封装材料经受温度循环过程，由于各材料闻的热膨胀失配，在封装材 料内部将产生周期的应力应变过程，导致封装材料中裂纹的萌生和扩展，使封装 材料失效，最终引发芯片破坏阎。目前国内外对这类封装材料疲劳破坏的研究还 相当少，同时对于封装材料疲劳破坏的失效机理，疲劳寿命预测等也没有一个比 较全面的研究。文献 4 - 5 1 仅从理论上研究了在热循环加载下u n d e r f i l l 材料的分层和 开裂准则，没有实验验证；文献嘲初步探讨了全同立构聚丙烯的疲劳损伤演化，但 并未进行材料的失效判定及预测材料的疲劳寿命；文献【m 】着重研究无增强颗粒填 充的纯高聚物的细观损伤演化的研究；还有一些主要是集中研究层板型复合材料， 纤维增强型聚合物基复合材料的疲劳损伤和疲劳寿命预测f l 3 】。综上所述对于封 装材料一聚合物基颗粒填充增强复合材料的疲劳研究就变得非常重要。论文采 纳了许多介绍和研究b g a 的方法 2 3 - 2 0 1 。 对于复合材料疲劳寿命的预测模型已有很多瞄7 瑚】，其中包括剩余强度衰减模 型、刚度衰减模型和疲劳模量衰减模型以及实际损伤状态理论。这些模型中疲劳 损伤演化是通过每个循环每个循环的形式来逐个相加确定的，都具有表现复合材 料疲劳过程中突然失效的能力但是对于颗粒填充增强型复合材料，由于其应力 一应变关系的非线性、粘弹性和塑性变形性能，选择刚度或强度做模量就不能像 纤维增强型复合材料那样，在疲劳载荷下有明显的线性关系。因此需要引入新的 描述材料非线性的疲劳损伤模型。j n y 抽扩1 在刚度模量衰减模型基础上，引伸出 疲劳模量衰减模型，通过构筑初始疲劳模量f ( o ) 与初始刚度模量e ( o ) 之间的非线 性应力一应变关系来对颗粒体增强型复合材料疲劳损伤进行非线性的描述。但是 另一方面，颗粒增强型复合材料由于其明显的粘弹特性，表现出非常强的温度依 赖性，因此温度对该种材料的疲劳寿命有很大的影响。文献圆仅仅提出了常温时 该种材料的疲劳寿命预测模型，并未把温度影响因素考虑进去。本文在j n y a n g 研究的基础上通过不同温度点的拉伸实验还疲劳试验推导出了温度与疲劳寿命的 关系，最终确定了考虑温度影响的疲劳寿命预测模型。 随着现代信息产业的发展，电子设备正向微型化、轻型化和多功能化的方向 发展，迫切需要各种新型电子材料。其中电子元件的高功率化、高密度化和高集 成化，使散热和热可靠性成为重要的研究课题。底充胶作为高密度封装中芯片和 苎微电子封装高聚物热、湿机械特性及其封装可靠性研究 基板间的填充物，若采用导热性良好和低膨胀系数的电子材料作为基板材料、封 装材料、层问介质材料，则是解决散热和粘合物问热膨胀不匹配问题的理想方法 之一利帕托夫、范克雷维伦、罗森诺和a g a r i y ，借助电子学中电阻电导率的理 论，导出了基本导热系数公式和m e x w e l l 公式，b r u g g e m a n 研究了高含量粒子复 合材料的导热系数，s p r i n g e r - t a s i 、a g a r i y 对填加了纤维的复合材料进行了导热 系数分析和i - i a i g n gl i 纤维与颗粒共混的材料进行了导热系数的测试。但未进行理 论分析，论文在此基础上导出了导热系数预测公式，并根据i ( 矗1 1 e f 热膨胀系数预 测公式推导出了高聚物中添加了颗粒与纤维材料的导热系数预测公式。在此基础 上，对高导热系数和低导热系数的倒装焊热场和应力进行了有限元分析，温度差 在相同的时间内可以得到大大地降低；应力对膨胀系数极为敏感，若热膨胀增加， 焊点边缘与焊点内部的应力比也相应地增加，因此采用高导热系数和低热膨胀系 数的底充胶是极为有益的。 熟固化聚合物由于其独有的特性而被广泛地应用作电子封装材料。然而，它的 机械特性受环境的影响很大。水分渗透到聚合物中，由于柔性化的作用、蜕变使 机械性能降低，从而导致可靠性问题。湿热导致的失效一直是困扰封装可靠性的 问题，而且越来越受到广泛的关注。近年来提出了很多聚合物水分渗透的模型， 最为广泛为研究人员应用的是一维f i c k i a n 模型，因为它既简单，数学处理又容易。 不过该模型总是趋于过高地估计水分吸湿量，一些研究人员指出该偏离可以由两 阶段f i c k i a n 过程解释。众所周知，水分会使环氧树脂变得柔性化，其中一个现象 就是降低玻璃体化温度和使材料交软。然而，产生柔性化的机理尚不清楚，研究 人员一直有争论。因为水分对环氧树脂基材料有很大的影响，研究人员在此方面 作了很多的研究，如结构材料、电子材料和电子封装蜥。擤1 3 4 - 1 3 7 1 。他们的研究对 象均为含水量较高( 6 以上) ，因此，研究较为容易。以往水分对聚合物粘弹性特 性影响的研究表明可以用固定温度下，不同含水分量短时粘弹性数据构造它们的 主曲线。即在聚合物中的水分具有与温度类似的作用，所以才会有时间水分叠加 原理成立但是，时间水分叠加原理仅限于使用在静载荷( 如蠕变和应力松弛) 下的热固性聚合物。因此，这个温度和水分等效原理被证明有效，特别是对于动 力学粘弹性和其它聚合物材料( 如，热固性聚合物和纤维强化聚合物) 论文确定 了无二氧化硅和有二氧化硅微粒热固化环氧树脂的吸湿特性，此外，以蠕变为例 研究了水分对它们的粘弹性的影响，又研究了其热膨胀和湿热膨胀的特性，以及 填料的多少对吸湿特性的影响，以上研究均建立了水分对其影响的数学模型，其 数学模型和测试方法均未在现有的文献中见到。其中，超薄试样湿热膨胀测量装 置：d m a + 湿气发生器，克服原来用t m a 热机械分析仪加t g a 热重力分析仪两 个仪器两个试样测量同一个参数的缺点，测量快捷、方便 第一章绪论 1 1 论文主要研究内容 7 电子封装器件在服役条件下，电路的周期性通断和环境温度的周期性变化， 使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，导致封装材料中裂纹的萌生和扩展，使封装材料失效， 最终引发芯片破坏。 本论文针对微电子封装材料e m c 的疲劳破坏进行了实验和数值模拟、倒装焊 底充胶的导热、热膨胀及湿热对封装材料的影响作了如下方面的研究。具体包括 以下几项内容： 1 采用a s t m d - 6 3 8 标准制作试件，通过常温和高温静态拉伸实验测绘出该种材 料的应力应变曲线，同时确定出材料相应的力学性能。 2 a s t m d - 6 3 8 标准制作试件，对该试件进行常温和高温的拉一拉疲劳实验，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，引用 并改进现有的疲劳寿命预测模型确定了该种材料的疲劳寿命预测模型同时通过 常温疲劳实验结果得出了常温时单对数s 一曲线。 3 运用扫描电子显微镜( s e m ) 分别对试件的常温、高温拉伸断口和常温、高温 疲劳断口进行显微观察，来初步探讨材料破坏失效的微观机理 4 有限元分析软件，对实际微电子封装器件p b g