封装材料的吸湿特性及湿、热对封装器件可靠性的影响

摘要

周围环境中的热、湿因素影响引起的脱层开裂失效,是微电子封装器件的主要失效形式之一。湿、热载荷条件下封装器件的可靠性问题一直是微电子行业研究的热点。本课题主要来源于导师在荷兰的项目“FAST QUALIFICATION(快速质量鉴定)”。根据项目的要求,针对较有发展前途的以QFN为封装形式的SiP器件(在本论文中简写为:SQFN),对其在湿、热环境下的湿气扩散、合成应力和脱层开裂失效等方面的问题进行了研究。主要内容包括:
　　1、基于实验所得到的材料吸湿扩散参数,对封装器件的吸湿行为进行了仿真,与封装器件的吸湿实验的重量变化进行对比分析,确定和验证材料在不同温度和湿度下的材料参数。并将此材料参数推广到解吸附行为。为后面的器件吸湿扩散、湿热应力计算做好准备。
　　2、建立了SQFN封装器件参数化的3D有限元模型,对封装器件在不同的潮湿和温度环境下的潮湿扩散和解析附行为进行了有限元模拟。结合湿、热机械应力,进一步对SQFN器件在热循环过程中的湿热合成应力进行了仿真分析。并将结果与单纯考虑热机械应力的情况进行了对比。
　　3、基于内聚力模型(简称CZM)方法,研究了SQFN器件在热循环条件下脱层开裂的失效情况。对SQFN器件的各个界面进行了有限元模拟,由此确定了较易出现脱层开裂失效的界面。针对此界面,以提高封装器件的抗脱层开裂能力为目的,采用CZM分析方法,对影响器件脱层开裂失效的敏感性结构参数进行了初探。得到了提高器件抗脱层开裂能力的方法。
　　研究结果表明:
　　(1)通过获得了模塑封材料、底充胶和芯片粘接剂材料的吸湿和解吸附的饱和吸湿量和潮湿扩散率。应用这些材料参数对器件进行仿真,仿真结果能很好的与吸湿扩散和解吸附的实验结果相符合。
　　(2)由于SQFN器件内部的芯片粘接剂、底充胶和模塑封材料在吸湿扩散和解吸附过程中存有较多的水分,且在内部形成了较高的分布梯度,使得同等条件下的湿热合成应力普遍高于单独考虑的热-机械应力。因此在加工和保存过程中应采取一定的干燥措施。
　　(3)仿真中,芯片粘接剂上下界面的脱层失效参数Damage值远高于底充胶的上下界面,并且都分布在界面的两端,由于铜焊盘Diepad与芯片粘接剂的粘接强度低于芯片与芯片粘接剂的粘接强度,所以在芯片粘接剂与Diepad之间的界面的两端较容易出现脱层开裂失效。这与实验所观测到的层裂发生位置相一致,故很好的证明了仿真的正确性。
　　(4)通过研究器件的结构参数对脱层失效的影响得知,铜焊盘Diepad厚度的增加可以很有效的提高SQFN封装器件的抗脱层能力,从而增强了器件的可靠性,为设计高可靠性的SQFN器件提供了很好的参考意见。
　　论文研究成果,对于研究者们深入理解潮湿扩散行为、湿热合成应力以及进一步研究脱层开裂失效具有较好的指导意义。

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目录

第一章 绪论

§1.1 课题研究背景和意义

§1.2 微电子封装技术的演变

§1.3 论文研究现状

§1.4 论文主要研究内容

§1.5 本文的研究路线

第二章 系统级封装以及QF N封装技术简介

§2.1 系统级封装技术简介

§2.2 系统级封装优势及挑战

§2.3 QF N封装简介

§2.4 QF N的工艺进展

§2.5 本章小结

第三章 基础理论与数学模型

§3.1 温度－潮湿在微电子器件中的扩散行为

§3.2 材料的粘弹性本构模型

§3.3 本章小结

第四章 S QF N器件的参数化有限元建模

§4.1 S QF N封装器件的结构和几何尺寸

§4.2 S QF N封装器件的三维有限元模型

§4.3 材料特性

§4.4 边界条件及热循环加载

§4.5 本章小结

第五章 封装材料的潮湿扩散模型

§5.1 封装材料吸湿研究概述

§5.2 潮湿扩散测试和模拟

§5.3 潮湿扩散模拟

§5.4 封装潮湿扩散试验

§5.5 试验和模拟间的比较

§5.6 潮湿解吸附模拟和试验

§5.7 本章小结

第六章 器件的潮湿扩散及湿热合成应力对S QF N器件可靠性的影响

§6.1 吸潮过程的有限元计算和分析

§6.2 解吸附过程的有限元计算和分析

§6.3 综合考虑湿、热情况下封装器件的应力分析

§6.4 本章小结

第七章 封装器件裂纹扩展分析

§7.1 目前常用的分析断裂的方法简介

§7.2 CZM的概念

§7.3 C Z M的有限元模型及仿真结果

§7.4 器件内部各界面脱层失效的可靠性分析

§7.5 提高抗脱层开裂失效可靠性的方法研究

§7.6 本章小结

第八章 总结与展望

§8.1 本文的主要结论与创新工作

§8.2 进一步研究的展望

参考文献

附录

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果