微電子器件中的應(yīng)力分析及改善方法研究.pdf

1、電子產(chǎn)品的可靠性在整個(gè)電子行業(yè)中有著很重要的地位。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過(guò)程中，往往伴隨著溫度的變化。由于電子產(chǎn)品是由不同材料的部件構(gòu)成的，其各部件的熱膨脹系數(shù)也不一樣，這導(dǎo)致了由熱失配引起的熱機(jī)械應(yīng)力，使得電子產(chǎn)品的失效率大大增加。本論文分別研究了電子封裝工藝中Flip chip和Wire Bonding兩種工藝中常見(jiàn)的熱機(jī)械應(yīng)力問(wèn)題，并對(duì)兩種典型器件的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　本論文第一部分所研究的是關(guān)于Flip chi

2、p工藝條件下芯片背部的應(yīng)力情況。探討了通過(guò)在芯片背部鍍上一層氮化物薄膜（AlN或Si3N4）改善其應(yīng)力大小，增加其機(jī)械性能，從而保護(hù)芯片的可行性。
　　在此我們通過(guò)三點(diǎn)彎曲測(cè)試（3PB）結(jié)合有限元分析（FEA）的手段來(lái)表征相關(guān)特性。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.芯片背部應(yīng)力變化的情況。通過(guò)有限元建模，包括功率循環(huán)，溫度循環(huán)等不同條件下對(duì)比較芯片背部在鍍膜前后應(yīng)力的變化，觀察到芯片背部在鍍膜后應(yīng)力有所減小。
　　2.鍍膜對(duì)

3、硅芯片機(jī)械性能的改善情況。利用三點(diǎn)彎曲測(cè)試儀對(duì)硅晶圓進(jìn)行斷裂強(qiáng)度測(cè)試，證實(shí)了鍍膜能夠增加硅芯片的斷裂強(qiáng)度。同時(shí)也研究了證實(shí)了硅表面粗糙度與其斷裂強(qiáng)度的關(guān)系。證實(shí)了表面粗糙度越大，斷裂強(qiáng)度越小。
　　3.硅芯片已存在的表面微型裂紋的影響。硅芯片表面通常存在一些微型裂紋，在此情況下，應(yīng)力和斷裂強(qiáng)度與上述模型會(huì)有所差別。通過(guò)相關(guān)理論、三點(diǎn)彎曲測(cè)試以及有限元分析相結(jié)合，對(duì)硅芯片表面含微型裂紋的情形進(jìn)行了研究。驗(yàn)證了鍍膜的優(yōu)越性。
　

4、　通過(guò)不同的手段對(duì)鍍膜后硅芯片性能的研究，驗(yàn)證了在硅芯片背部鍍高硬度的氮化物薄膜是一種防止芯片斷裂，保護(hù)芯片的有效方式。
　　本論文第二部分研究的是在Wire Bonding封裝工藝條件下，器件的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)對(duì)封裝體的可靠性影響。主要是集中在散熱分析以及熱機(jī)械應(yīng)力方面的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。本部分主要包含兩部分工作：
　　1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。利用有限元分析軟件，建模分析封裝中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)器件散熱，應(yīng)力分布的影響。此外，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線中

5、的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化。
　　2.封裝材料的選取。器件進(jìn)行封裝的時(shí)候用到多種多樣的材料，不同的材料對(duì)器件在散熱，應(yīng)力分布等可靠性問(wèn)題上有不同的影響。本論文對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝中用到的幾種封裝材料（粘接層材料與塑封材料）進(jìn)行器件可靠性方面的性能對(duì)比。實(shí)現(xiàn)對(duì)器件可靠性方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　通過(guò)上述研究，我們分析了器件的引線框架厚度、芯片厚度以及引線框架形狀對(duì)器件散熱和應(yīng)力分布影響。同時(shí)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)表明，利用銀漿做粘接層材料，以及使