多芯片疊層微電子元器件封裝中的可靠性研究.pdf

1、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地推動電子產(chǎn)品向多功能、高性能、微型、高可靠性以及低成本的方向發(fā)展。大規(guī)模集成電路技術(shù)是滿足這些要求的核心。但是，大規(guī)模集成電路需要經(jīng)過合適的封裝才能滿足使用的要求。具有更高的封裝效率、更高的集成度，并且具有低成本的封裝技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展的主要方向。沿著這一方向，多芯片疊層式芯片尺寸封裝是目前正在發(fā)展的先進(jìn)3D封裝技術(shù)之一。該封裝技術(shù)可利用現(xiàn)有的設(shè)備，將多層芯片封裝到一起，大大提高集成度，也是將來發(fā)展系統(tǒng)級封裝的前奏

2、。然而，由于疊層芯片封裝結(jié)構(gòu)和工藝的復(fù)雜性，疊層芯片封裝器件中常發(fā)現(xiàn)有殘留的微空洞。微空洞對器件可靠性的影響需要進(jìn)一步的研究。在熱或濕熱共同作用下，疊層芯片封裝器件中，不同材料交界面易出現(xiàn)分層斷裂破壞，嚴(yán)重威脅到封裝器件的可靠性。而對于采用了倒扣芯片技術(shù)的疊層芯片封裝器件，微焊球被用來作為芯片的電連接，并同時(shí)用作倒扣芯片的機(jī)械支撐。當(dāng)疊層芯片封裝器件在測試和實(shí)際使用過程中，微焊球可能歷經(jīng)多種循環(huán)載荷過程，導(dǎo)致微焊球發(fā)生疲勞破壞。

3、 針對以上幾方面的主要問題，本文首先對有殘留微空洞的疊層芯片封裝器件進(jìn)行了參數(shù)化研究，以理解微空洞對器件中應(yīng)力場的影響。由于所需進(jìn)行的參數(shù)化分析包含眾多的分析參數(shù)，導(dǎo)致巨大的工作量，為提高分析效率，在ANSYS平臺上開發(fā)了可用于1～12層疊層芯片封裝的宏集。利用該宏集，對包含/不包含微空洞的疊層芯片封裝器件成功地進(jìn)行了參數(shù)化研究。分析參數(shù)包括微空洞出現(xiàn)在封裝器件中不同位置，不同微空洞的長度，不同微空洞的數(shù)目，疊層芯片的層數(shù)，以及貼片薄膜

4、材料參數(shù)(楊氏模量、泊松比，熱膨脹系數(shù))、基板材料參數(shù)(楊氏模量、泊松比，熱膨脹系數(shù))等。對這些參數(shù)變化時(shí)對疊層芯片封裝器件中應(yīng)力的改變，分別進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。所得結(jié)果，對疊層芯片封裝有參考價(jià)值，并提出了改進(jìn)封裝工藝的合理建議。 其次，對疊層芯片封裝中有濕熱影響的分層斷裂問題進(jìn)行了深入研究。通過對基本斷裂理論的研究，建立了有濕熱影響的彈性材料中的能量斷裂判據(jù)。另一方面，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測定了貼片薄膜和基板之間臨界斷裂參數(shù)。利用新建

5、立的斷裂判據(jù)，對-55℃～125℃熱循環(huán)條件下，有微空洞的疊層封裝器件中的分層斷裂進(jìn)行了深入的研究。 最后，針對歷經(jīng)多種循環(huán)載荷過程后，微焊球的疲勞預(yù)測模型進(jìn)行了研究。建立了新的所謂多過程疲勞模型。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性，對BGA板級組裝結(jié)構(gòu)歷經(jīng)兩加載過程(先進(jìn)行一定數(shù)目的熱循環(huán)，然后再進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn))時(shí)，微焊球的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測。計(jì)算分析結(jié)果表明疲勞模型預(yù)測的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。證明該模型適用于預(yù)測微焊球歷經(jīng)多種循環(huán)載荷過程