多芯片叠层微电子元器件封装中的可靠性研究

摘要

信息技术的飞速发展，极大地推动电子产品向多功能、高性能、微型、高可靠性以及低成本的方向发展。大规模集成电路技术是满足这些要求的核心。但是，大规模集成电路需要经过合适的封装才能满足使用的要求。具有更高的封装效率、更高的集成度，并且具有低成本的封装技术是当前发展的主要方向。沿着这一方向，多芯片叠层式芯片尺寸封装是目前正在发展的先进3D封装技术之一。该封装技术可利用现有的设备，将多层芯片封装到一起，大大提高集成度，也是将来发展系统级封装的前奏。然而，由于叠层芯片封装结构和工艺的复杂性，叠层芯片封装器件中常发现有残留的微空洞。微空洞对器件可靠性的影响需要进一步的研究。在热或湿热共同作用下，叠层芯片封装器件中，不同材料交界面易出现分层断裂破坏，严重威胁到封装器件的可靠性。而对于采用了倒扣芯片技术的叠层芯片封装器件，微焊球被用来作为芯片的电连接，并同时用作倒扣芯片的机械支撑。当叠层芯片封装器件在测试和实际使用过程中，微焊球可能历经多种循环载荷过程，导致微焊球发生疲劳破坏。 针对以上几方面的主要问题，本文首先对有残留微空洞的叠层芯片封装器件进行了参数化研究，以理解微空洞对器件中应力场的影响。由于所需进行的参数化分析包含众多的分析参数，导致巨大的工作量，为提高分析效率，在ANSYS平台上开发了可用于1～12层叠层芯片封装的宏集。利用该宏集，对包含/不包含微空洞的叠层芯片封装器件成功地进行了参数化研究。分析参数包括微空洞出现在封装器件中不同位置，不同微空洞的长度，不同微空洞的数目，叠层芯片的层数，以及贴片薄膜材料参数(杨氏模量、泊松比，热膨胀系数)、基板材料参数(杨氏模量、泊松比，热膨胀系数)等。对这些参数变化时对叠层芯片封装器件中应力的改变，分别进行了有限元计算分析。所得结果，对叠层芯片封装有参考价值，并提出了改进封装工艺的合理建议。 其次，对叠层芯片封装中有湿热影响的分层断裂问题进行了深入研究。通过对基本断裂理论的研究，建立了有湿热影响的弹性材料中的能量断裂判据。另一方面，设计实验，测定了贴片薄膜和基板之间临界断裂参数。利用新建立的断裂判据，对-55℃～125℃热循环条件下，有微空洞的叠层封装器件中的分层断裂进行了深入的研究。 最后，针对历经多种循环载荷过程后，微焊球的疲劳预测模型进行了研究。建立了新的所谓多过程疲劳模型。为检验模型的正确性，对BGA板级组装结构历经两加载过程(先进行一定数目的热循环，然后再进行三点弯曲实验)时，微焊球的疲劳寿命进行了预测。计算分析结果表明疲劳模型预测的结果与实验结果相吻合。证明该模型适用于预测微焊球历经多种循环载荷过程后的疲劳寿命，可用于采用了倒扣芯片技术的叠层芯片封装器件中的微焊球的疲劳寿命分析。在分析中，为精确模拟应力，焊球的本构关系采用Anand粘塑性模型，由文献上查到的实验数据，通过曲线拟合得到了Anand模型中所需的材料参数。本文通过对以上问题的研究，增加了对叠层芯片封装中，各种参数对封装器件影响，分层断裂，微焊球承受多种循环载荷后疲劳破坏的认识。这些研究对指导叠层芯片封装，开发更高叠层封装密度的器件具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章引言

1.1.电子元器件封装技术的发展

1.1.1.叠层芯片封装元器件的典型结构

1.2.叠层芯片封装中的可靠性问题及研究意义

1.3.本文的主要工作

第2章含空洞叠层芯片封装器件的参数化研究

2.1.叠层封装元件的几何尺寸与材料参数

2.1.1.封装结构及几何尺寸

2.1.2.材料参数的确定

2.2.参数化有限元分析

2.2.1.计算模型

2.2.2.参数化分析模型

2.2.3.利用有限元对叠层封装器件进行参数化分析

2.2.3.利用有限元对叠层封装器件进行参数化分析2.2.3.1无空洞叠层芯片封装器件的有限元分析

2.2.3.利用有限元对叠层封装器件进行参数化分析2.2.3.2底层叠层芯片中的单个空洞的影响

2.2.3.利用有限元对叠层封装器件进行参数化分析2.2.3.3每层芯片下均有微空洞的情况

2.2.3.利用有限元对叠层封装器件进行参数化分析2.2.3.4分别位于各层的单个微空洞的影响

2.2.3.利用有限元对叠层封装器件进行参数化分析2.2.3.5贴片薄膜材料参数的影响

2.2.3.利用有限元对叠层封装器件进行参数化分析2.2.3.6BT基板材料参数的影响

2.2.3.利用有限元对叠层封装器件进行参数化分析2.2.3.7叠层芯片数目的影响

第3章高密度叠层芯片封装中分层断裂研究

3.1.Griffice裂纹断裂的基本理论

3.2.含湿热效应的断裂能量判据

3.3.包含湿热影响的能量释放率

3.4.能量释放率与路径无关积分

3.5.分层断裂试验研究

3.5.1.试验方法概述

3.5.2.基板和薄膜界面间的断裂参数的测量

3.6.湿热导致的分层断裂分析

第4章多过程疲劳模型及模拟

4.1.研究背景和动机

4.2.疲劳模型综述

4.3.焊球疲劳模型

4.4.本构关系综述

4.5.多过程疲劳模型

4.6.热-机械加载过程焊球的疲劳寿命预测

4.6.1.两加载过程疲劳模型

4.6.2.板级组装器件的几何模型

4.6.3.材料参数的选择

4.6.4.边界条件的施加

4.6.5.力-位移曲线的模拟结果与实验数据的比较

4.6.6.疲劳寿命预测

第5章结论

参考文献

附录参数化分析宏命令流在ANSYS中的用户界面

致谢

博士后期间发表的学术论文、专著

个人简历