【正文】 化，給出某一瞬間物體內(nèi)各點的溫度。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的問題求解域劃分為一系列有限單元的組合體，單元之間僅靠節(jié)點連接。2．單元特性分析（1）選擇位移模式在有限單元法中，選擇節(jié)點位移作為基本未知量時稱為位移法；選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法；取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混臺法。4．求解方程可以根據(jù)方程組的具體特點來選擇合適的計算方法。整個窗El系統(tǒng)稱為GUl(Graphical User Interface)，如圖2—2所示。應用傳統(tǒng)的研究手段顯然跟不上電子產(chǎn)品的更新速度的要求。由于熱變形而使受約束物體內(nèi)產(chǎn)生的應力稱為熱應力(或稱為溫度應力)。同一般的靜力問題類似，熱變形可看作是在溫度載荷作用下的節(jié)點位移。它是個純物理的過程不涉及任伺化學反應。物質擴散是指這樣一種物理過程：即擴散物質的分子從介質中的一個位置移動到另外一個位置。而當其在介質中的分布不均勻時，將導致分子移動并產(chǎn)生物質在介質中的擴散流動。 潮濕在塑封電子器件中的擴散行為模擬在研究潮濕在塑封電子封裝器件中的擴散行為時，我們選擇PBGA器件作為研究潮濕擴散的載體，塑封材料選用某種EMC高聚物，其力學性能本實驗室已有實驗進行了測定，可以作為本研究的基礎。潮濕擴散主要是通過封裝材料，僅有一小部分是通過封裝材料和其他材料的界面來擴散的[12]，因此，大多數(shù)情況下選擇封裝材料作為潮濕擴散路徑是符合實際情況的。這里對描述潮濕擴散特征的幾個變量進行一個定義：－C，潮濕度，它是單位體積的吸濕材料吸收的潮濕的質量，單位kg/m3；－Csat，飽和潮濕度，它是單位體積的吸濕材料吸收潮濕的最大質量，單位kg/m3；－D，是潮濕擴散率，它表征單位時間下潮濕在吸濕材料上擴散的面積(對一維擴散)/體積(對三維擴散)，單位m2/s或者m3/s。比如溫度T就是一個在不同材料間都是連續(xù)的量，這樣可以方便對材料界面進行離散化。物質的熱容量則表示物質吸收的能量與其因為吸收這些能量而導致的溫度改變的比值。公式228中的常系數(shù)如下表所示：公式28中的環(huán)境空氣蒸汽密度ρg由相同溫度下飽和蒸汽密度和當時環(huán)境的相對濕度的乘積得到，不同溫度下的飽和蒸汽密度見附表。本章主要利用有限元法，分析三層芯片 qfn 封裝器件工藝中產(chǎn)生的熱應力對芯片開裂和分層的影響，通過比較三步固化工藝后的最大等效應力和剪切力確定出那一步工藝最容易產(chǎn)生失效危險，有助于在封裝工藝中控制內(nèi)部應力分布，提高封裝可靠性，降低封裝體結構失效和芯片開裂的缺陷。本文準備對五種溫度下相同環(huán)境潮濕度下模擬潮濕在器件中隨時間變化的擴散行為。與之對應的相對濕度傳導率，就應該表征物質擴散潮濕的能力，即單位相對濕度改變和單位長度下，物質擴散的潮濕質量的多少。因此，對于遵循Fickian擴散的潮濕可以借鑒熱傳導有限元程序來模擬潮濕的擴散行為，結果表明，可以采用通用有限元軟件中的熱傳導分析模塊來模擬材料的潮濕擴散行為，它們的對應關系如下表：表41 FEA軟件計算參數(shù)表特性熱濕變量溫度T(℃)相對濕度W密度P (kg/m3)1傳導率K(w/m℃)D*Csat(kg/ms)比熱C(J/kg℃)Csat(kg/m3)上表中列出了在有限元軟件中作熱傳導分析時需要的參數(shù)，包括密度、傳導率和比熱容（對熱分析），對于采用同樣的方式分析潮濕擴散，我們就要用相應的濕的變量來代替，密度上表采用的是1。如果考慮器件外表面面積是常數(shù)，F(xiàn)ickian定律在潮濕擴散中的三維擴散方程可寫成如下形式： (46) 此處C為潮濕濃度，D是潮濕擴散率，x、y和z是笛卡爾坐標，t為時間。液態(tài)水的體積要遠小于汽態(tài)水體積，這就使得孔洞可以吸收更多的潮濕[23]，導致了以后器件在高溫下內(nèi)部應力的急劇增大，使得器件出現(xiàn)可靠性問題?？疾烊鐖D41所示的微元體，圖41 微元體物質擴散平衡示意圖 根據(jù)物質守恒定律，圖41所示的微元體內(nèi)的擴散物質變化率應等于該時刻流入和流出微元體的擴散物質的質量差，因此，可以得到擴散過程控制微分方程： (43)研究潮濕在封裝用高聚物及器件內(nèi)部的擴散過程時，其擴散物質即為水分子，介質則是固態(tài)的塑封材料、器件基板BT及芯下材料DA等介質。所謂通量就是物質擴散流在沿其流經(jīng)的介質截面法向的分量。其核心思想是，溫度是熱的度量，而熱流是與溫度的梯度成正比。從分析出來的熱，力等的分布與節(jié)點的數(shù)據(jù)來驗證結論或預測結果。由于熱變形產(chǎn)生的應變可以看作是物體的初應變。在微電子封裝中，溫度場分析目的是從安全性考慮的：一方面由于溫度升高，材料承受載荷的能力下降；另一方面由于溫度變化，材料內(nèi)的熱應力將疊加在受載零部件的應力之上，增加了結構破壞的危險性。6． 輸出窗口(OutputWindow)：該窗口敘述了輸入命令執(zhí)行的結果。所以在開始分析一個問題時，建議使用Interactive進入交互模式。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效的移到節(jié)點上去，也就是用等效的節(jié)點力來替代所有作用在單元上的力。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點相互連接起來：單元節(jié)點的設置、性質、數(shù)目等應視問題的性質、描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定。綜上所述，在給出了上述單值條件之后，物體內(nèi)部的溫度場就被確定下來了，留下的問題是如何求解溫度場。原則上講可分兩類，一類是常物性，即物性參數(shù)不是溫度等狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)，也不隨材料取向不同而不同(各向同性1．另一類是變物性，通常指物性隨溫度不同而變化，也可包括物性隨材料取向不同(各向異性)而變化。這種條件在傳熱學中常稱為“單值性條件”。同樣，吸收和反射也由輻射的波長所決定。因此輻射能是原子內(nèi)部經(jīng)過復雜激動的結果，而熱輻射是因熱能使原子內(nèi)部激動所發(fā)出的電磁波。發(fā)出與吸收過程的綜合效果造成了物體間以輻射方式進行的熱量傳遞，即輻射換熱。英國物理學家牛頓提出了對流換熱公式——牛頓冷卻定律。熱量傳遞是由于溫差造成的能量運動。將式（1）代入式（2）和式（3）中整理可得：（6）方程式（6）左端項代表材料在當前前溫度下切線剛度的影響，右端第二項代表熱應變所產(chǎn)生的等效熱載荷。溫度對結構應力和變形的影響不僅僅在于產(chǎn)生熱應變和熱應力。兩種模型基本上都是經(jīng)驗性的，雖然均有許多應用。JEDEC對于非氣密器件的高溫高濕加速試驗的條件包括如下一些的條件進行加速試驗。美國Hughes航空公司的技術資料明確的表示了失效與環(huán)境應力的關系．如圖2．2，在各種應力的影響下，溫度與濕度環(huán)境應力所引發(fā)的失效占所有環(huán)境應力引發(fā)失效的60％左右。塑封料中的脫模劑和助粘劑能加速塑封器件界面剝離的產(chǎn)生，因此必須精確調(diào)整其含量，脫模劑有助于從模腔中取出壓模件，但存在大的界面剝離的風險。低的玻璃化轉變溫度會促進潮氣的吸附。剝離現(xiàn)象可能發(fā)生在塑封料和引線框架之間或在塑封料和芯片表面之間，嚴重時，封裝會產(chǎn)生裂紋。下標P和1分別表示封裝材料和與之接觸的材料(如芯片或框架材料)。雖然劃片造成的邊緣損傷會產(chǎn)生裂紋，但精確控制劃片速度和劃片刀質量可避免大多數(shù)缺陷。在實際的封裝過程中，由于封裝體各種組成部件間的熱膨脹系數(shù)差異，在封裝過程中溫度的改變會在封裝材料間產(chǎn)生熱應力，其結果嚴重的會導致封裝產(chǎn)生分層失效和芯片裂紋等。過應力失效通常是瞬間的和突然發(fā)生的。2. 潮濕擴散到塑封器件內(nèi)部以后，在高溫下將產(chǎn)生蒸汽壓力。塑封器件在存儲環(huán)境中吸收潮濕水分，并侵入到器件的內(nèi)部，最終導致器件出現(xiàn)可靠性問題。同時，有學者發(fā)現(xiàn)元件中的濕熱膨脹并不能完全描述界面層裂的實際情況，從而潮濕蒸汽壓力模型得到了較大發(fā)展[20][23][33]－[35]。這中間就包擴材料熱不匹配和材料吸收潮濕對脫層斷裂的影響。當器件經(jīng)歷溫度循環(huán)或高溫時，這些界面處的水汽將會膨脹，液態(tài)水也會蒸發(fā)而產(chǎn)生汽態(tài)膨脹和蒸汽壓力，它們一起造成了器件的開裂失效，極端的情況下就會出現(xiàn)所謂的“爆米花”式爆裂[16][18][19][20]，直接使器件失效。在目前的各種微電子器件封裝中，絕大部分封裝材料都采用模塑料封裝，約占到97％左右?！翱煽啃允强吭O計、制造出來的“[4]，已成為普遍接受的觀點。一般芯片級互連常常由以上三種基本互連技術之一來實現(xiàn)，而Flip Chip Bonding技術是目前芯片級互連技術中最能適應當前集成電路制造步伐的芯片級互連技術。塑封電子封裝器件失效問題的提出從整個封裝結構講，電子封裝包括一級封裝、二級封裝和三級封裝。第三階段發(fā)生在九十年代中前期，隨著 IC 特征尺寸不斷減小以及集成度的不斷提高，芯片尺寸和 I/0 數(shù)也不斷增大。但是這種傳統(tǒng)意義上的劃分正在受到新工藝的挑戰(zhàn)，例如，COB(chip on board)技術等，將未經(jīng)過封裝的裸芯片直接貼裝在 PCB 板上，即芯片并不經(jīng)過一級連接而直接進行二級連接。90 年代中前期：90 年代隨著器件引腳數(shù)的增加以及對高封裝、組裝密度的要求，出現(xiàn)了球柵陣列式封裝 BGA（Ball Grid Array）。這層界面通常是單芯片模塊（SCM, SingleChip Module），被稱作第一級封裝，如 DIP、FlipChip、QFP 等。而且與每個家庭的現(xiàn)代化也息息相關。其中的封裝測試屬于后道工序，它對集成電路產(chǎn)品的質量和競爭力有著極大的影響，而其成本也占據(jù)了器件總體成本的三分之一，正所謂三分天下有其一。 斷裂力學基本理論 34167。 潮濕在塑封電子器件中的擴散行為模擬 11167。 塑封電子封裝器件可靠性概述 4167。 optimization of reflow soldering temperature curve parameters, through the baking process ensure the plastic material and chip binder drying, moisture control。通過對三層疊層芯片封裝器件進行高溫高濕實驗，對失效模式進行分析和研究，從材料性能和器件結構角度討論了改善雙層芯片疊層封裝器件可靠性的方法，總結了疊層器件的基本失效機理；最后，采用基于裂紋尖端J積分判據(jù)，對潮濕推動界面裂紋擴展的驅動力進行了分析計算，發(fā)現(xiàn)潮濕對界面裂紋的擴展具有極大的驅動作用。本文針對潮濕引起的器件界面層裂問題，采用理論分析和數(shù)值計算相結合的方法，選用疊層QFN封裝電子器件，首先分析和模擬了潮濕在塑封電子器件中的擴散行為，其中計算模型的提出具有一定的創(chuàng)新性；然后建立器件內(nèi)部潮濕蒸汽壓力的計算模型，在考慮高溫焊接過程中潮濕質量改變的情況下，合理地修正計算模型，得到更符合實際的蒸汽壓力計算公式。 finally, based on the J integral criterion of crack tip, wet drive interface crack growth driving force is analyzed and calculated, the interface crack propagation of moisture has great driving effect. In general is: optimize encapsulation process parameters。 微電子封裝發(fā)展概述 1167。 擴散基本理論 10167。 高溫下蒸汽壓力對器件內(nèi)部應力的影響 32小結 33第4章 塑封器件界面裂紋J積分數(shù)值計算研究 34167。半導體工業(yè)主要包括集成電路的設計、制造和封裝測試三部分。國際上己將電子封裝作為一個單獨的重要行業(yè)來發(fā)展，它不僅影響著電子信息產(chǎn)業(yè)乃至國民經(jīng)濟的發(fā)展。 一般說來，封裝開始于集成電路芯片與其他元件的界面，這個界面能夠提供機械支持、熱學和電學通路。相應的 IC 封裝形式有適于表面貼裝的短引線或無引線的 LCCC、PLCC、SOP 以及 QFP 等。封裝可以分為三個層次，即將芯片封裝成單芯片組件和多芯片組件的一級封裝；將一級封裝和其它元件一同組裝到單層或多層 PCB 上的二級封裝，這個工藝過程通常稱為“裝配”；再將二級封裝插裝到母板上組成三級封裝。其目標只有一個—縮小面積，順應電子產(chǎn)品小型化、輕薄化和組裝自動化趨勢。這樣，CSP 解決了長期存在的芯片小而封裝大的根本矛盾，足以再次引發(fā)一場集成電路封裝技術的革命。微電子產(chǎn)業(yè)使用的最基本芯片級互連技術有以下三種：線焊（wire bonding，WB）、載帶焊（tap automated bonding，TAB）和倒裝焊（flip chip bonding，F(xiàn)CB）。因此對影響電子封裝器件可靠性的相關因素，必須在設計器件封裝形式的時候就要考慮，而不是等到器件開發(fā)出來以后再做的附加工作。從而材料的吸潮特性和器件內(nèi)部潮濕水分在高溫下的力學行為成為研究器件可靠性的首要解決的問題。進入器件內(nèi)部的水汽會逐漸在芯片與塑封料，引線框架與塑封料之間界面處凝結，而由汽態(tài)轉化為液態(tài)水。國內(nèi)外對塑封器件可靠性研究的現(xiàn)狀塑封電子器件的可靠性問題實際就是高溫下器件是否會發(fā)生脫層斷裂的問題。Wong等[30][32]設計了試驗，測定了濕膨脹系數(shù)的大小，計算顯示了濕膨脹的影響大于熱膨脹的影響。而隨著當前多種先進封裝技術的廣泛使用，如CSP，F(xiàn)lipChip等，器件的外殼越來越薄，塑封材料不夠高的致密性弊端就顯現(xiàn)出來。而對具體塑封器件的潮濕吸收和干燥的有限元模擬方面，還沒有太多的參考文獻對此進行工作，因此本文擬對具體塑封器件的潮濕吸收和干燥過程進行模擬研究，并結合實驗數(shù)據(jù)來驗證模擬的正確性。 第二章封裝器件失效機理和研究方法2．1塑料封裝的失效機理失效機理主要分為兩大類：過應力和磨損。電子封裝由不同材料構成，當溫度升高時它們的熱膨脹率不同，表2．1中給出了電子封裝中常用材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，中間存在空隙的器件不會出現(xiàn)裂紋，而邊緣存在空隙的器件幾乎有50％芯片因裂紋而失效。在塑料封裝中各種材料間因熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應力可表示為：其中，c=與幾何