微电子倒装芯片封装粘弹性断裂研究

摘要

晶体管和集成电路的发明，使得电子产品向小型化、功能多样化的方向发展。集成电路芯片要发挥功效，就必须通过封装技术为其提供电子信号互通、机械支撑、环境保护和散热通道等方面的支持。倒装芯片技术的出现，使封装技术发生了革命性的进步。它具有封装精度高、形成的集成芯片元件占用体积小、输入输出密度高、互连线短等优点。但倒装芯片封装过程中存在很多问题，如：下填料和芯片间的分层、填充空洞、下填料裂纹、焊点和下填料在温度循环下蠕变变形的积累开裂等都会引起封装失效。样品实测的方法由于需要较长时间，而不能成为迅速发现问题的有效手段。因此，利用有限元数值模拟来研究倒装芯片的断裂问题，可以更好地了解裂纹产生、扩展机理，对封装进行优化设计，进一步提高其可靠性。
　　 不同的材料模型对有限元模拟的结果会产生直接的影响，以往的研究通常会将下填料的材料模型简化为经典线弹性模型，以提高计算效率，但这与下填料表现的粘弹性特征有明显的区别。本文旨在研究倒装芯片下填料的粘弹性行为对封装中芯片/下填料界间裂纹的影响。采用Anand统一粘塑性模型描述96.5Sn3.5Ag无铅焊料的非弹性力学行为，分别采用经典的线弹性模型和Maxwell粘弹性模型描述下填料的力学行为，芯片和基板材料都简化为弹性模型。运用大型商业有限元软件ANSYS对预置不等长初始微裂纹的三维倒装芯片封装模型的焊接、固化及封装完成后的干燥贮存过程进行了多工况非线性有限元模拟，讨论了非线性粘性过程及不同的初始裂纹长度对芯片断裂特性的影响。
　　 计算结果给出如下结论：对于芯片角部的平直界面裂纹导致的脱层开裂，芯片内部由界面剪应力控制，属Ⅱ型开裂；芯片边缘由界面剪应力和正应力共同控制，属Ⅰ型和Ⅱ型混合开裂。因裂纹长度增大，裂纹前沿至芯片对角的距离减小，由CTE不匹配引发的温度变形减小，部分地冲抵了因初始裂纹长度导致的应力强度因子的增大，初始裂纹长度对应力强度因子的影响不甚明显。据此可以判断，裂纹扩展导致脱层断裂的主要因素是由于周期性的温度变化引起的疲劳变形和应变累积，封装过程的温度荷载的直接贡献较小。焊料和下填料材料的粘性导致芯片出现明显的应力松弛现象，且松弛幅度很大，应力强度因子的降幅明显，尤以芯片边缘的应力松弛效应更为明显，应力强度因子的降幅更大。传统的线弹性材料模型不但无法反映上述明显的应力松弛效应，且严重高估了芯片的应力水平。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究目的和意义

1.2电子封装概述

1.2.1封装的概念及微系统封装层面

1.2.2微电子封装的发展阶段

1.2.3 IC封装的互连技术

1.3无铅焊料的使用

1.4倒装芯片可靠性问题及研究现状

1.5论文的主要工作

第二章断裂相关理论及有限元分析方法

2.1倒装芯片封装中裂纹存在的形式：

2.2断裂基础

2.2.1裂纹扩展的判据

2.2.2粘弹性断裂基础

2.3有限元数值分析

2.3.1有限元法简介

2.3.2通用有限元软件ANSYS分析流程简介

第三章材料本构模型及分析对象、规模、工况简介

3.1下填料粘弹性模型简介

3.2焊球粘塑性模型简介

3.3有限元模型、材料参数及分析工况

3.3.1倒装芯片模型尺寸及简化

3.3.2倒装芯片有限元模型及其规模

3.3.3倒装芯片断裂分析涉及的材料参数

3.3.4倒装芯片断裂分析边界条件与约束情况

3.3.5倒装芯片断裂分析边界条件：温度载荷

第四章粘弹性断裂分析结果

4.1 特定瞬时应力强度因子K的拟合结果

4.1.1下填料属性为粘弹性对应的K拟合结果

4.1.2下填料属性为弹性对应的K拟合结果

4.1.3小结

4.2焊料和下填料材料模型对裂纹前沿应力分布和应力强度因子的影响

4.3完整封装过程中应力强度因子K的变化

4.4本章小结

第五章结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文