电子封装结构超声显微检测与热疲劳损伤评估

发布时间：2017-11-20 12:20

  本文关键词：电子封装结构超声显微检测与热疲劳损伤评估

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【摘要】：随着21世纪3D封装时代的到来，微电子产品功能多样化及结构小型化，使得电子封装器件的功率密度越来越大、内部结构越来越复杂，热管理问题越加严重。研究表明，微电子产品的失效率随温度的升高呈指数增长，微电子产品的工作温度每升高10℃，其失效率增加一倍；据统计，55%的电子产品失效是由于温度过高引起的，热失效已经成为电子产品的主要失效形式。 从物理上看，电子封装结构是电子元器件实现电子电路功能的物理载体，使用过程中由于温度分布不均以及热膨胀系数不匹配，在封装结构内形成热应力场，当热应力大于材料失效临界值时，便导致电子封装内部出现裂纹、分层等缺陷。为提高电子封装结构的可靠性，应及时发现封装结构中的缺陷损伤，并探究这些缺陷在使用过程中的发展和演化规律，在这些缺陷导致灾难性事故之前采取措施，防止或减少损失，这牵涉到对电子封装结构缺陷进行检测以及对其疲劳损伤进行评估。 电子封装结构中不同类型的缺陷和不同位置的缺陷，对电子器件性能的影响程度和影响概率是不同的，，有必要研究缺陷形态和位置对电子封装结构可靠性的影响。首先，利用超声显微检测方法可以对缺陷的位置、类型、尺寸作出定量的描述。另外，通过电子封装结构的热力学分析与计算可以获得温度场分布，这样可以将缺陷状态与温度场作为已知量，建模计算缺陷附近的应力场分布状态，通过分析不同缺陷对封装结构温度场分布以及缺陷附近热应力大小对于结构强度的影响来定义关键缺陷。然后对关键缺陷进行规范化处理，寻找缺陷类型、位置对电子封装结构可靠性影响规律。本文综合超声显微检测技术、有限元建模仿真以及热疲劳损伤理论，提出了一种基于失效物理的电子封装结构热疲劳损伤评估方法。结合能量型热疲劳模型与非平衡统计疲劳损伤理论，给出了热循环作用下电子封装结构裂纹演化规律。并利用加速寿命试验和超声显微无损检测技术对热疲劳损伤评估结果进行了验证。主要研究内容如下： （1）依据超声显微检测基本原理以及超声扫查成像原理和方法，对超声显微扫查系统开展了研制工作，设计了超声显微扫查系统的硬件框架结构、软件操作界面等。然后利用瑞利准则和斯派罗准则对超声显微系统横向分辨率进行理论分析，以及超声波频率与穿透深度之间的关系进行分析。采用全波数据采集存储技术和频域成像相结合的方法，提高了电子封装结构物理缺陷的检出率和检测分辨率。最后利用该系统检测了几种典型电子封装结构的内部尺寸特征以及缺陷扩展变化。 （2）基于温度场理论和热应力理论，利用有限元模拟的方法研究了不同缺陷对电子封装结构内部温度场与热应力场的影响。因此，首先利用有限元分析软件ANSYSWorkbench建立了电子封装结构的基本模型，模拟了不同热生成率条件下封装结构的温度场，模拟了不同封装材料（不同热传导材料）对温度场分布的影响；然后将温度场结果作为载荷对封装结构进行热应力分析，同时模拟了-65℃-150℃热循环过程中封装结构的热应力变化情况；最后，模拟不同缺陷类型和缺陷大小对封装结构温度场和热应力场的影响。为研究恶劣环境下封装结构的可靠性分析提供一定的参考依据。 （3）研究了电子封装结构热疲劳损伤评估方法。首先，利用失效机理基本模型形成基于失效物理的电子封装结构可靠性评估方法。然后对电子封装结构疲劳损伤失效模型进行了研究，分析归纳了几种典型的疲劳损伤失效模型；最后，综合超声显微检测技术、有限元建模仿真以及热疲劳损伤理论，提出了一种基于失效物理的电子封装结构热疲劳损伤评估方法，可用于研究温度载荷对电子封装结构缺陷演化规律的影响以及电子封装结构热疲劳损伤评估与可靠性预测。 （4）基于电子封装结构热疲劳失效机理，结合能量型热疲劳模型与非平衡统计疲劳损伤理论，给出了热循环作用下电子封装结构裂纹演化规律，并利用电子封装结构热循环实验和超声显微检测技术对裂纹扩展规律进行试验验证。首先，分析了电子封装结构热疲劳失效机理，结合能量型热疲劳模型与非平衡统计疲劳损伤理论，建立了电子封装结构热疲劳失效模型。然后，利用建立的热疲劳失效模型对塑料电子封装结构内裂纹扩展规律进行理论评估，并利用加速寿命模型计算了热可靠性实验加速因子。最后根据MIL-STD-883G标准1010.8温度循环试验方法对塑料电子封装结构进行热循环实验，使用自主研发的高频超声显微镜(C-SAM)，对封装结构内部裂纹的传播速率进行测量，验证了电子封装结构热疲劳损伤模型评估结果。 （5）研究了电子封装金属互连结构的失效机理与空洞演化理论。根据电子封装金属互连结构中的电迁移和热迁移失效机理，确定电子封装金属互连结构的主要失效模式。通过电子封装互连结构空洞的产生和演化机理，提出了电子封装互连结构中空洞演化的非平衡统计理论，确定了空洞长大方程与成核临界半径和空洞的几率密度分布函数，推导了空洞半径演化方程，为电子封装金属互连结构中空洞损伤评估提供理论依据。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN05

【参考文献】

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本文编号：1207138