微電子倒裝芯片封裝粘彈性斷裂研究.pdf

1、晶體管和集成電路的發(fā)明，使得電子產(chǎn)品向小型化、功能多樣化的方向發(fā)展。集成電路芯片要發(fā)揮功效，就必須通過封裝技術(shù)為其提供電子信號(hào)互通、機(jī)械支撐、環(huán)境保護(hù)和散熱通道等方面的支持。倒裝芯片技術(shù)的出現(xiàn)，使封裝技術(shù)發(fā)生了革命性的進(jìn)步。它具有封裝精度高、形成的集成芯片元件占用體積小、輸入輸出密度高、互連線短等優(yōu)點(diǎn)。但倒裝芯片封裝過程中存在很多問題，如：下填料和芯片間的分層、填充空洞、下填料裂紋、焊點(diǎn)和下填料在溫度循環(huán)下蠕變變形的積累開裂等都會(huì)引起封

2、裝失效。樣品實(shí)測(cè)的方法由于需要較長(zhǎng)時(shí)間，而不能成為迅速發(fā)現(xiàn)問題的有效手段。因此，利用有限元數(shù)值模擬來研究倒裝芯片的斷裂問題，可以更好地了解裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展機(jī)理，對(duì)封裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高其可靠性。
　　 不同的材料模型對(duì)有限元模擬的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生直接的影響，以往的研究通常會(huì)將下填料的材料模型簡(jiǎn)化為經(jīng)典線彈性模型，以提高計(jì)算效率，但這與下填料表現(xiàn)的粘彈性特征有明顯的區(qū)別。本文旨在研究倒裝芯片下填料的粘彈性行為對(duì)封裝中芯片/下填料界間

3、裂紋的影響。采用Anand統(tǒng)一粘塑性模型描述96.5Sn3.5Ag無鉛焊料的非彈性力學(xué)行為，分別采用經(jīng)典的線彈性模型和Maxwell粘彈性模型描述下填料的力學(xué)行為，芯片和基板材料都簡(jiǎn)化為彈性模型。運(yùn)用大型商業(yè)有限元軟件ANSYS對(duì)預(yù)置不等長(zhǎng)初始微裂紋的三維倒裝芯片封裝模型的焊接、固化及封裝完成后的干燥貯存過程進(jìn)行了多工況非線性有限元模擬，討論了非線性粘性過程及不同的初始裂紋長(zhǎng)度對(duì)芯片斷裂特性的影響。
　　 計(jì)算結(jié)果給出如下結(jié)論：

4、對(duì)于芯片角部的平直界面裂紋導(dǎo)致的脫層開裂，芯片內(nèi)部由界面剪應(yīng)力控制，屬Ⅱ型開裂；芯片邊緣由界面剪應(yīng)力和正應(yīng)力共同控制，屬Ⅰ型和Ⅱ型混合開裂。因裂紋長(zhǎng)度增大，裂紋前沿至芯片對(duì)角的距離減小，由CTE不匹配引發(fā)的溫度變形減小，部分地沖抵了因初始裂紋長(zhǎng)度導(dǎo)致的應(yīng)力強(qiáng)度因子的增大，初始裂紋長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響不甚明顯。據(jù)此可以判斷，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致脫層斷裂的主要因素是由于周期性的溫度變化引起的疲勞變形和應(yīng)變累積，封裝過程的溫度荷載的直接貢獻(xiàn)較小。