微电子封装EMC-Cu界面层裂萌生力学行为研究

发布时间：2020-05-16 19:32

【摘要】：微电子封装器件往往是由多种材料塑封组成,由于不同材料间存在机械和热性能失配的问题,所以在塑封类封装器件的生产、测试和服役过程中,封装器件内部异质界面处易产生界面层裂失效。本文针对微电子封装器件常见的层裂失效问题,以环氧塑封材料(EMC)与铜基板组成的异质界面为研究对象,基于内聚力法,通过模拟仿真与实验测试相结合的方法,对界面层裂萌生过程中的力学行为开展研究,旨在探寻一种实验测试界面层裂极限拉伸强度的测试方法,以建立一组可表征EMC-Cu异质界面层裂萌生及扩展的内聚力模型参数。研究内容包含以下几个方面:(1)提出了一种不含预裂纹的双悬臂梁测试结构及测试界面层裂极限拉伸强度的方法。基于该测试结构,探讨了建立界面层裂萌生及扩展仿真分析模型的方法。根据仿真计算结合内聚力模型理论,分析界面层裂萌生过程中层裂萌生点的应力变化与实验可测力-位移曲线之间的关系。仿真结果表明,界面层裂萌生处的拉伸应力在层裂的萌生过程中占主导地位;致使界面层裂萌生的最大拉伸载荷只与极限拉伸强度相关,不受极限剪切强度影响。由此论证了采用实验与仿真相结合的方法获取EMC-Cu异质界面层裂萌生极限拉伸应力值的可行性。(2)制备不含预裂纹的测试样品,开展EMC-Cu界面层裂萌生力学性能测试实验。首先,基于杠杆原理设计了一种适用于DMA Q800设备的杠杆拉伸实验装置;其次,详细介绍了无层裂测试样品的塑封、切割和在加载块粘接过程;最后,通过拉伸实验测试获取致使EMC-Cu界面层裂萌生的最大拉伸力。(3)通过实验与仿真相结合的方法,测定表征EMC-Cu界面层裂萌生及扩展的内聚力模型参数。首先,通过实验测试得到EMC和Cu基板的弹性模量,为后期有限元仿真建模提供材料参数。其次,制备了含预置裂纹的测试样品,开展EMC-Cu界面层裂扩展测试,得到了界面层裂扩展曲线。接着,结合层裂扩展测试曲线,基于虚拟裂纹闭合法,通过仿真计算得到纯拉伸模式下的临界能量释放率。随后,根据计算得到的极限能量释放率,应用内聚立法对界面层裂扩展测试进行模拟再现;仿真结果与实验测试结果能够很好地拟合,一方面表明临界能量释放率计算结果的准确性,另一方面也表明模拟仿真所用的内聚力模型能够表征EMC-Cu界面层裂扩展。最后,基于表征界面层裂扩展的内聚力模型,通过改变内聚力模型中的极限拉伸强度值的大小,对层裂萌生力学性能测试实验进行模拟仿真,对比仿真结果与层裂萌生力学性能测试实验结果,最终测定致使EMC-Cu界面层裂萌生的极限拉伸强度。
【图文】：

裸芯片,贴装,集成电路,环氧树脂

性设计要求也越来越高。纵观目前各种结构形式的封装器需要多种材料的组合使用以实现微电子器件的封装。目前料、铜引线框架、硅芯片、粘接剂和键合金属线组成，如电子器件内往往是通过焊接或者粘接的形式组合在一起，可避免地存在各种各样的异质界面。在封装器件向小型化异质材料间存在机械和热性能上的差异，如杨氏模量、热匹配，当器件受热时，在机械热应力作用下异质界面会产部环境的水汽等进入封装体内一方面会引起封装器件内部件在后期组装焊接过程中产生“爆米花现象”，为此异质中薄弱界面。世界各大半导体公司例如 ASE、NXP、Infin裂失效是微电子器件制造和使用过程中发生最为普遍的其他失效的主要原因。为此，微电子封装界面层裂失效问及相关研究机构的焦点，并吸引了众多产业相关的科研技研究中，希望通过研究界面层裂问题产生的机理和其后续，来进一步提高封装器件的整体可靠性。

创新点,技术路线,主要内容,界面层

第一章绪论（6）实验测试 EMC 和铜基板力学性能参数。准确的有限元仿真计算是建立在有效的材料模型基础上的，所以对实验样品材料参数的测定是有限元仿真分析计算的前提。（7）开展界面层裂扩展的断裂测试，并利用虚拟闭合裂纹法计算临界层裂能量释放率，根据计算的到的临界层裂能量释放率建立界面层裂扩展仿真模型，再现界面层裂测试以检验临界能量释放率结果的准确性。（8）通过仿真计算获取 EMC-Cu 界面层裂萌生的极限拉伸应力值。基于上一步建立的界面层裂扩展仿真模型，变换界面层裂扩展仿真的内聚力模型中的极限拉伸应力，对 EMC-Cu 界面层裂萌生力学性能测试实验进行仿真计算，将仿真计算得到加载点的最大拉伸力与实验测得界面开裂的极限拉伸力进行比较，获取 EMC-Cu 界面层裂萌生的极限拉伸应力值。结合本文的研究思路，，与之对应的技术路线为：
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405

【参考文献】