疊層QFN界面強度可靠性分析及其優(yōu)化.pdf

1、疊層QFN器件中同時集成了多個芯片,功能極為強大,但這種高密度封裝方式大大增加了失效的風險和設計的復雜度,尤其是這種芯片堆疊的封裝形式,在疊層QFN器件制造和使用過程中,極易產生界面層裂失效。本文在國家自然科學基金項目“微電子封裝中的界面層裂失效和界面強度可靠性設計方法”的資助下,針對疊層QFN器件在熱、濕因素影響下的一系列界面強度可靠性問題進行了研究,并在此基礎上探索器件結構參數(shù)對界面可靠性的影響。主要研究內容及結論如下:
　　

2、1.環(huán)氧模塑封材料(EMC)的粘彈性特性實驗表征。粘彈性是EMC的一種重要動態(tài)力學行為,準確表征這一特性對EMC材料在有限元中正確建模是相當重要的。通過動態(tài)熱機械分析(DMA)實驗獲得了EMC的粘彈性材料特性,對實驗數(shù)據(jù)進行處理,最終可獲得松弛時間與松弛系數(shù)等建模所需參數(shù)。
　　2.對疊層QFN器件的界面可靠性問題進行分析。首先對疊層QFN器件界面間濕氣擴散情況進行分析,經過濕氣預處理以后,EMC材料大部分接近飽和,母芯片(mot

3、her die)與銅引腳(leadframe)之間尤其是芯片拐角處的芯片粘接劑(DA)已達到了飽和狀態(tài)。接著對濕熱集成應力下的疊層QFN器件的翹曲情況及最大主應力分布進行研究。研究發(fā)現(xiàn)器件經過濕氣預處理后比未進行預處理前翹曲值增加了30.28﹪。器件最大主應力出現(xiàn)在回流焊峰值溫度為260℃時,母芯片下表面中心部位,應力值高達95.59MPa。可見DA/mother die或DA/leadframe界面極易發(fā)生層裂失效。最后還對可靠性測試

4、中疊層QFN器件DA/leadframe界面層裂現(xiàn)象進行了模擬。采用內聚力模型法(CZM)預測出裂紋首先由底部芯片邊角處產生,然后向兩邊擴展,若繼續(xù)增加載荷,則有可能導致DA/leadframe的整個界面發(fā)生分層開裂。用J積分法對界面層裂擴展進行分析,得到與CZM一致的結論。但在預測界面裂紋產生方面,CZM比J積分法方便。
　　3.對疊層QFN器件的結構參數(shù)優(yōu)化進行了初步探索。選取10個結構參數(shù)作為可控因子,并選擇界面損傷值(da

5、mage)作為響應變量。利用MINITAB軟件,首先采用Plackett-Burman設計對10個因子進行初步篩選,將效應不顯著的因子刪除。然后再用全因子試驗設計對保留下來的5個因子進行因子效應及其交互作用的分析,進而選出效應最顯著的3個因子,即封裝體的長度、母芯片的長度與厚度。接著用響應曲面法確定回歸關系并求出最優(yōu)結構參數(shù)組合為:封裝體的長度應取8mm,母芯片的長度應取3.5mm,母芯片的厚度應取0.25mm。最后對最佳參數(shù)設計進行驗