【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 guard孔洞模型在連續(xù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系下的新的理論解；. Fan, . Zhang, L. J. Ernst 等[23]則采用修正的Gurson孔洞模型來(lái)建立蒸汽壓力的微觀力學(xué)模型，并提出了一個(gè)單層的孔洞生長(zhǎng)、擴(kuò)展、融合的理論模型；Rainer Dudek, Hans Walter等[22]研究了潮濕擴(kuò)散后，材料特性如彈性模量、斷裂強(qiáng)度等值隨潮濕度和溫度而改變的依賴程度。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)潮濕影響器件可靠性問(wèn)題的研究主要有：彩霞[13]用實(shí)驗(yàn)方法研究了器件吸潮行為符合Fickian擴(kuò)散定律，并用實(shí)驗(yàn)稱重法進(jìn)行了驗(yàn)證，并提出潮濕在封裝材料中的存在狀態(tài)是液水混合態(tài)；王珺[52]從塑封高聚物材料的本構(gòu)方程入手，建立了考慮濕、熱耦合的線性粘彈性本構(gòu)模型，并推導(dǎo)出在不考慮應(yīng)力（應(yīng)變）情況下，潮濕擴(kuò)散方程就是Fickian擴(kuò)散方程。徐步陸[4]運(yùn)用斷裂力學(xué)方法，研究了計(jì)算電子封裝器件內(nèi)部界面上裂紋擴(kuò)展的能量釋放率方法。本課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目”微電子芯片封裝中的界面層裂機(jī)制和控制方法研究”（批準(zhǔn)號(hào)：50243018）。隨著微電子制造業(yè)的迅猛發(fā)展，塑封電子器件的小型化，功能多樣化，使得塑封電子器件對(duì)潮濕越來(lái)越敏感，器件吸潮導(dǎo)致越來(lái)越多的產(chǎn)品出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。在DIP時(shí)代，由于器件的塑封外殼相對(duì)較厚，使得塑封材料的易吸濕性的弊端沒(méi)有暴露出來(lái)。而隨著當(dāng)前多種先進(jìn)封裝技術(shù)的廣泛使用，如CSP，F(xiàn)lipChip等，器件的外殼越來(lái)越薄，塑封材料不夠高的致密性弊端就顯現(xiàn)出來(lái)。塑封器件在存儲(chǔ)環(huán)境中吸收潮濕水分，并侵入到器件的內(nèi)部，最終導(dǎo)致器件出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。因此當(dāng)前研究潮濕影響塑封電子器件可靠性問(wèn)題內(nèi)部機(jī)理的工作是非常重要而迫切的。從目前國(guó)內(nèi)外的研究看，研究重點(diǎn)是潮濕擴(kuò)散到器件內(nèi)部的行為描述和潮濕水分在高溫下產(chǎn)生蒸汽壓力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。潮濕對(duì)器件內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的影響是非常大的，從以往的研究結(jié)果看，材料熱膨脹系數(shù)不匹配并不是材料失效開(kāi)裂的主導(dǎo)因素；塑封器件在高溫下的斷裂，其裂紋主要是從界面開(kāi)始，塑封器件在放置過(guò)程中的吸潮，使得潮濕水分?jǐn)U散到器件的內(nèi)部界面，導(dǎo)致以后器件在被高溫焊接到電路板上時(shí)，內(nèi)部出現(xiàn)比熱膨脹應(yīng)力大得多的蒸汽壓力，并促使器件內(nèi)部界面裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致器件失效，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)“爆米花”式的開(kāi)裂。實(shí)際上，在再流焊的過(guò)程中，時(shí)間非常短，潮濕蒸汽壓力是瞬時(shí)產(chǎn)生，這個(gè)過(guò)程很難用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行檢測(cè)，因此目前主要是采用有限單元法來(lái)模擬計(jì)算潮濕蒸汽壓力的產(chǎn)生及對(duì)界面裂紋擴(kuò)展的影響。而要合理地對(duì)潮濕蒸汽壓力的產(chǎn)生進(jìn)行模擬運(yùn)算，就必須先對(duì)潮濕在器件中的擴(kuò)散行為進(jìn)行詳細(xì)的研究，并得到正確而有效的塑封器件內(nèi)部潮濕狀態(tài)的分布。因此本人擬對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行研究：1. 對(duì)潮濕擴(kuò)散行為的描述采用Fickian擴(kuò)散定律，理論上和實(shí)驗(yàn)上都得到證明。而對(duì)具體塑封器件的潮濕吸收和干燥的有限元模擬方面，還沒(méi)有太多的參考文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行工作，因此本文擬對(duì)具體塑封器件的潮濕吸收和干燥過(guò)程進(jìn)行模擬研究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證模擬的正確性。2. 潮濕擴(kuò)散到塑封器件內(nèi)部以后，在高溫下將產(chǎn)生蒸汽壓力。對(duì)這種在高溫下產(chǎn)生的蒸汽壓力采用微觀孔洞模型，建立其計(jì)算公式，并進(jìn)行了計(jì)算；根據(jù)是否考慮器件干燥過(guò)程中潮濕度的改變，對(duì)蒸汽壓力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較；最后對(duì)潮濕蒸汽壓力影響塑封器件內(nèi)部應(yīng)力值進(jìn)行了計(jì)算。3. 對(duì)潮濕引起塑封器件界面裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行研究。采用基于斷裂力學(xué)的基本分析方法，以裂紋尖端J積分作為判據(jù)，對(duì)潮濕引起的界面裂紋尖端J積分值的改變進(jìn)行研究；考慮熱載和器件吸潮兩種情況下，比較界面裂紋尖端J積分值的不同。小結(jié)本章首先回顧了微電子封裝發(fā)展的歷史，并對(duì)我國(guó)的微電子封裝發(fā)展進(jìn)行了介紹。然后提出潮濕引起塑封電子器件失效的問(wèn)題，對(duì)失效形式進(jìn)行了描述。最后對(duì)本課題的國(guó)內(nèi)國(guó)外研究現(xiàn)狀、課題意義以及課題研究的主要內(nèi)容進(jìn)行了闡述。 第二章封裝器件失效機(jī)理和研究方法2．1塑料封裝的失效機(jī)理失效機(jī)理主要分為兩大類：過(guò)應(yīng)力和磨損。過(guò)應(yīng)力失效通常是瞬間的和突然發(fā)生的。磨損失效是長(zhǎng)時(shí)間的損耗積累，通常先是產(chǎn)品性能下降，然后器件失效。根據(jù)誘發(fā)失效機(jī)理的應(yīng)力類型進(jìn)一步分為機(jī)械的、熱學(xué)的、電學(xué)的、輻射的或化學(xué)的。如下介紹的為一般的單芯片塑料封裝中的裂紋和分層產(chǎn)生機(jī)理和原因。2．1．1封裝熱失配溫度升高時(shí)，固體材料的體積膨脹，這種現(xiàn)象稱為熱膨脹。不同的材料熱膨脹的比率并不一樣。對(duì)大多數(shù)的工程材料來(lái)說(shuō)，在合理的溫度范圍內(nèi)，熱膨脹比率是一常數(shù)，稱為熱膨脹系數(shù)(CTE)。電子封裝由不同材料構(gòu)成，當(dāng)溫度升高時(shí)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)。在實(shí)際的封裝過(guò)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(guò)程中溫度的改變會(huì)在封裝材料間產(chǎn)生熱應(yīng)力，其結(jié)果嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致封裝產(chǎn)生分層失效和芯片裂紋等。 芯片裂紋芯片在熱處理過(guò)程、劃片或劃片臺(tái)可能會(huì)導(dǎo)致表面劃傷和裂紋。如果在芯片制造之后，先前固有的裂紋等于或者大于臨界裂紋尺寸(取決于施加的應(yīng)力幅值)時(shí)，芯片會(huì)因脆化而突然斷裂。例如，由于芯片表面劃傷而集結(jié)在頂部表面的微小裂紋，可能會(huì)擴(kuò)展到一個(gè)有源晶體管而使器件失效。在芯片表面的劃片損傷造成的邊緣裂紋最可能擴(kuò)展到芯片角上，這是由于芯片一引線框架結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，該部位通常承受高的縱向應(yīng)力。粘結(jié)材料中的空隙也可能會(huì)造成芯片破裂。Chiang和Shuk]a收集了邊緣或中心存在空隙的大量樣品，并讓其承受lo次溫度循環(huán)沖擊?。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，中間存在空隙的器件不會(huì)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。雖然劃片造成的邊緣損傷會(huì)產(chǎn)生裂紋，但精確控制劃片速度和劃片刀質(zhì)量可避免大多數(shù)缺陷。在薄型封裝器件生產(chǎn)時(shí)，芯片背面減薄操作形成的背面裂痕也會(huì)造成芯片裂紋。由于使用磨料粒度粗細(xì)程度不同，減薄過(guò)程中產(chǎn)生的裂痕可能減少，也可能增加。通常，裂紋的大小接近磨料顆粒尺寸。因此，所有的粗糙裂痕都可通過(guò)精細(xì)研磨或則背面腐蝕而避免。在芯片粘結(jié)過(guò)程中，芯片通過(guò)轉(zhuǎn)換電磁閥將膠帶上的芯片吸下來(lái)。該過(guò)程會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)生損傷，因?yàn)殡姶砰y吸嘴的尖端和裝片速度控制著壓痕的大小和深度。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(yīng)力可表示為：其中，c=與幾何相關(guān)的常數(shù)；n=熱膨脹系數(shù)；E=彈性模量。下標(biāo)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)。圖2．1為兩種由于熱應(yīng)力造成的芯片裂紋?。2．1．3封裝爆裂(爆米花現(xiàn)象)封裝中的爆米花現(xiàn)象是組裝過(guò)程中將塑封器件安裝于電路板時(shí)，由回流溫度分布產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。簡(jiǎn)言之，在回流過(guò)程中，裝配溫度快速聲高到高于塑封料的玻璃化溫度Tg(大約140。c—C)達(dá)到焊料的熔點(diǎn)220。C或更高的溫度時(shí)，在此高溫下，塑封料和被粘附材料如引線框架和芯片之間的熱失配非常嚴(yán)重，以至于使界面易于剝離。塑封料吸附的水分汽化成蒸汽后，由此產(chǎn)生的體積改變將產(chǎn)生大于界面粘附強(qiáng)度的壓力，產(chǎn)生界面剝離。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(yán)重時(shí)，封裝會(huì)產(chǎn)生裂紋。偶爾，受封裝尺寸影響，裂紋會(huì)延伸到封裝上表面或沿引線平面延伸到封裝器件側(cè)面，此時(shí)裂紋清晰可見(jiàn)。 引線框架的低粘附性及分層潮氣可通過(guò)封裝體或沿引線框架與塑料界面滲透到塑封器件內(nèi)，加速塑封器件的分層。用濕度傳感器實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)塑封料與引線間粘附良好時(shí)，潮氣進(jìn)入封裝體的主要途徑是通過(guò)塑封料。然而，由于組裝過(guò)程不良因素，如鍵和高溫氧化、應(yīng)力消除不充分或過(guò)大的沖筋和成型力使引線框架翹曲等使粘附性能降低，在封裝的外表面產(chǎn)生剝離和微裂紋，水氣可由此途徑侵入電路內(nèi)部。在界面處，潮氣使環(huán)氧樹(shù)脂水解，降低界面的化學(xué)結(jié)合力。然而，由于模塑料的不同對(duì)潮氣的反應(yīng)各異。例如，低應(yīng)力的環(huán)氧樹(shù)脂化合物由于其中加入了硅酮調(diào)節(jié)劑以減小應(yīng)力，他對(duì)潮氣的變化比無(wú)硅酮的塑封料更敏感。低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)促進(jìn)潮氣的吸附。為了獲得良好的粘附，嚴(yán)格清洗表面是必需的。氧化的表面，如銅合金引線框架暴露在高溫環(huán)境中，通常會(huì)產(chǎn)生剝離。氮?dú)饣驓涞旌蠚怏w可以避免氧化，在高溫處理過(guò)程中應(yīng)使用這些氣體保護(hù)。低親和力的表面涂覆層，如局部鍍銀表面，增強(qiáng)了界面粘附力。通常芯片焊盤鍍銀來(lái)控制偏壓和防止引線氧化。但是，鍍銀層和塑封料之間的粘附性太差。新型的引線框架設(shè)計(jì)采用局部鍍層來(lái)減少貴金屬的用量和減少引線框架覆蓋鍍層面積，后者對(duì)形成脫層是敏感的。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(fēng)險(xiǎn)。另一個(gè)方面，助粘劑保證了塑封料和元器件間良好的界面粘附性能，但也可能使從模具中取出塑封器件更困難。2．1．5塑封材料的疲勞裂紋由于溫度變化和溫度梯度及熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致封裝中產(chǎn)生周期性熱應(yīng)力，對(duì)脆性裂紋擴(kuò)展，由于承受熱循環(huán)有關(guān)的封裝壽命估算可由Paris定律得到。應(yīng)力強(qiáng)度因子隨溫度的改變利用有限元法計(jì)算得到，兩者之間的關(guān)系表示為多項(xiàng)式。利用Paris定律，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度從ao擴(kuò)展到a。時(shí)，經(jīng)過(guò)的溫度循環(huán)次數(shù)N由下式得到：其中，c=材料常數(shù)；m=由使用單邊裂口楊品的塑封料確定；ao=初始裂紋長(zhǎng)度，通常取值偏小，取決于制造缺陷。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度比較小時(shí)，到失效時(shí)的總溫度循環(huán)數(shù)與初始裂紋長(zhǎng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)關(guān)系不大”。2．2環(huán)境試驗(yàn)環(huán)境試驗(yàn)主要是分析和考核試樣承受各種氣候環(huán)境影響的能力，分析其在該氣候環(huán)境影響下失效的原因，找出改進(jìn)的措施，提高可靠性。美國(guó)Hughes航空公司的技術(shù)資料明確的表示了失效與環(huán)境應(yīng)力的關(guān)系．如圖2．2，在各種應(yīng)力的影響下，溫度與濕度環(huán)境應(yīng)力所引發(fā)的失效占所有環(huán)境應(yīng)力引發(fā)失效的60％左右。2．2．1溫度循環(huán)試驗(yàn)溫度循環(huán)試驗(yàn)是考查試樣由環(huán)境溫度較高的正溫度變化到環(huán)境溫度較低的負(fù)溫度，以及再由負(fù)溫度回復(fù)到工F溫度的承受能力。目前我國(guó)集成電路的溫度循環(huán)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件一般采用一55。c—125。c的溫度變化范圍。2．2．2高溫高濕加速試驗(yàn) 在塑封器件的高溫高濕加速試驗(yàn)中，由于塑料封裝使用的塑封材料和貼片膠等有機(jī)物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為在130 oC左右，而水汽會(huì)降低這些塑封材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)環(huán)境溫度高于這些材料的Tg時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一些在低于Tg時(shí)不會(huì)發(fā)生的失效，其失效機(jī)理也會(huì)不同。所以在工業(yè)界，通常會(huì)使用85 oC／85％(rh)。高溫高濕加速試驗(yàn)是考慮到大氣中水氣，游離離子等將直接影響著塑封器件的可靠性。JEDEC對(duì)于非氣密器件的高溫高濕加速試驗(yàn)的條件包括如下一些的條件進(jìn)行加速試驗(yàn)。在恒溫、恒定相對(duì)濕度的條件下非氣密封裝的失效時(shí)間的預(yù)測(cè)性模型有兩個(gè)：一個(gè)是Peck提出的，另～個(gè)是由Deson和Brusius提出的，實(shí)際上他們的方程都是經(jīng)驗(yàn)性的。其中，k=波爾茲曼常數(shù)，8．615．10—5eV／K；A=換算常數(shù)；n，Ea=模型常數(shù)。Beson和grusius模型與Peck模型類似，也可以憑經(jīng)驗(yàn)推出。Beson和grusius模型平均壽命方程t，(。C，％rh)為：其中，k=波爾茲曼常數(shù)，8．615*IO5eV／K；A=換算常數(shù)：n，Ea=模型常數(shù)可以看到兩式中的溫度函數(shù)關(guān)系都是相同的，兩者都符合與溫度有關(guān)的Arthenius定律。然而，相對(duì)濕度的關(guān)系卻有很大的不同。Deson和Brusius模型中的％rh是指數(shù)關(guān)系，但是Peck模型中的卻是多項(xiàng)式關(guān)系。兩種模型基本上都是經(jīng)驗(yàn)性的，雖然均有許多應(yīng)用。然而在參數(shù)設(shè)計(jì)方面因靈敏度不夠這就削弱了觀測(cè)范圍以外估算失效時(shí)間的應(yīng)用。在得到進(jìn)一步數(shù)據(jù)之前，他們僅能用于近似的可靠性計(jì)算，而不能用于準(zhǔn)確及可信度高的可靠性計(jì)算。 第三章熱分析理論及有限元法簡(jiǎn)介熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律：當(dāng)系統(tǒng)與外界發(fā)生能量傳遞與轉(zhuǎn)換時(shí)，加給系統(tǒng)的能量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加與系統(tǒng)對(duì)外界做功之和。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Q=dU+W 式中：9一熱量：dU一系統(tǒng)內(nèi)能：w一做功：QO，外界對(duì)系統(tǒng)加熱；QD，系統(tǒng)對(duì)外界放熱；AUO，系統(tǒng)內(nèi)能增加；AUO，系統(tǒng)內(nèi)能減少；WO系統(tǒng)對(duì)外界做功，WO外界對(duì)系統(tǒng)做功。 熱應(yīng)力理論材料具有熱脹冷縮特性，在溫度作用下會(huì)產(chǎn)生體積變化，產(chǎn)生熱應(yīng)變。當(dāng)結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變受到約束不能自由發(fā)展時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。這里所指的約束可能是外界環(huán)境施加的約束，也可能是由于結(jié)構(gòu)各部分之間熱膨脹系數(shù)的差異引起的相互作用，而由非均勻的溫度分布即溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力最為常見(jiàn)。溫度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的影響不僅僅在于產(chǎn)生熱應(yīng)變和熱應(yīng)力。材料機(jī)械性能如彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)等往往隨溫度變化，也會(huì)影響到結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。這種熱應(yīng)力分析稱為熱彈塑性分析。實(shí)際上，這里的熱應(yīng)力分析包含了這樣的假設(shè)：溫度影響變形而變形不再影響溫度的無(wú)耦合情形。 熱應(yīng)力 從位移有限元不難推導(dǎo)出單元應(yīng)力σ與節(jié)點(diǎn)上的等效外力P之間的平衡關(guān)系為： (1)B是建立節(jié)點(diǎn)位移 u 和單元總應(yīng)變 ε 之間線性關(guān)系的轉(zhuǎn)換矩陣，滿足：ε =Bu （2）通常假設(shè)總應(yīng)變由三部分組成：(3）其中 分別為彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和由溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)變。彈性應(yīng)變應(yīng)滿足虎克定律，即（4）其中 D 是彈性系數(shù)矩陣。對(duì)熱彈塑性材料的塑性應(yīng)變描述采用 J2流動(dòng)理論，可將式（4）寫成增量形式為：（5）其中 DT是依賴溫度的彈性系數(shù)矩陣，包含彈性變形和塑性變形的貢獻(xiàn)。h 是表示熱應(yīng)變對(duì)應(yīng)力貢獻(xiàn)大小的張量。將式（1）代入式（2）和式（3）中整理可得：（6）方程式（6）左端項(xiàng)代表材料在當(dāng)前前溫度下切線剛度的影響，右端第二項(xiàng)代表熱應(yīng)變所產(chǎn)生的等效熱載荷。在熱應(yīng)力分析中，溫度的影響就反映在上式的兩項(xiàng)上。 熱管理學(xué)基礎(chǔ)理論任何電子器件及電路不可避免地伴隨有熱量的產(chǎn)生，要提高電子產(chǎn)品的可靠性以及電性能，就必須使熱量的產(chǎn)生達(dá)到最小程度。管理這些熱量（通常稱為熱管理），需要了解有關(guān)熱力學(xué)的知識(shí)并要深入掌握相關(guān)的材料知識(shí)。熱力學(xué)第二定律說(shuō)明熱總是自發(fā)地從較熱的區(qū)域流向較冷的區(qū)域，如下圖所示。