【文章內(nèi)容簡介】 guard孔洞模型在連續(xù)應力應變關(guān)系下的新的理論解；. Fan, . Zhang, L. J. Ernst 等[23]則采用修正的Gurson孔洞模型來建立蒸汽壓力的微觀力學模型，并提出了一個單層的孔洞生長、擴展、融合的理論模型；Rainer Dudek, Hans Walter等[22]研究了潮濕擴散后，材料特性如彈性模量、斷裂強度等值隨潮濕度和溫度而改變的依賴程度。國內(nèi)學者對潮濕影響器件可靠性問題的研究主要有：彩霞[13]用實驗方法研究了器件吸潮行為符合Fickian擴散定律，并用實驗稱重法進行了驗證，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，并推導出在不考慮應力（應變）情況下，潮濕擴散方程就是Fickian擴散方程。徐步陸[4]運用斷裂力學方法，研究了計算電子封裝器件內(nèi)部界面上裂紋擴展的能量釋放率方法。本課題來源于國家自然科學基金項目”微電子芯片封裝中的界面層裂機制和控制方法研究”（批準號：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潮濕越來越敏感，器件吸潮導致越來越多的產(chǎn)品出現(xiàn)可靠性問題。在DIP時代，由于器件的塑封外殼相對較厚，使得塑封材料的易吸濕性的弊端沒有暴露出來。而隨著當前多種先進封裝技術(shù)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。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。因此當前研究潮濕影響塑封電子器件可靠性問題內(nèi)部機理的工作是非常重要而迫切的。從目前國內(nèi)外的研究看，研究重點是潮濕擴散到器件內(nèi)部的行為描述和潮濕水分在高溫下產(chǎn)生蒸汽壓力對裂紋擴展的影響。潮濕對器件內(nèi)部裂紋擴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裂的主導因素；塑封器件在高溫下的斷裂，其裂紋主要是從界面開始，塑封器件在放置過程中的吸潮，使得潮濕水分擴散到器件的內(nèi)部界面，導致以后器件在被高溫焊接到電路板上時，內(nèi)部出現(xiàn)比熱膨脹應力大得多的蒸汽壓力，并促使器件內(nèi)部界面裂紋擴展，最終導致器件失效，嚴重時出現(xiàn)“爆米花”式的開裂。實際上，在再流焊的過程中，時間非常短，潮濕蒸汽壓力是瞬時產(chǎn)生，這個過程很難用實驗儀器進行檢測，因此目前主要是采用有限單元法來模擬計算潮濕蒸汽壓力的產(chǎn)生及對界面裂紋擴展的影響。而要合理地對潮濕蒸汽壓力的產(chǎn)生進行模擬運算，就必須先對潮濕在器件中的擴散行為進行詳細的研究，并得到正確而有效的塑封器件內(nèi)部潮濕狀態(tài)的分布。因此本人擬對以下內(nèi)容進行研究：1. 對潮濕擴散行為的描述采用Fickian擴散定律，理論上和實驗上都得到證明。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(jié)合實驗數(shù)據(jù)來驗證模擬的正確性。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。對這種在高溫下產(chǎn)生的蒸汽壓力采用微觀孔洞模型，建立其計算公式，并進行了計算；根據(jù)是否考慮器件干燥過程中潮濕度的改變，對蒸汽壓力計算結(jié)果進行比較；最后對潮濕蒸汽壓力影響塑封器件內(nèi)部應力值進行了計算。3. 對潮濕引起塑封器件界面裂紋擴展的驅(qū)動力進行研究。采用基于斷裂力學的基本分析方法，以裂紋尖端J積分作為判據(jù)，對潮濕引起的界面裂紋尖端J積分值的改變進行研究；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，并對我國的微電子封裝發(fā)展進行了介紹。然后提出潮濕引起塑封電子器件失效的問題，對失效形式進行了描述。最后對本課題的國內(nèi)國外研究現(xiàn)狀、課題意義以及課題研究的主要內(nèi)容進行了闡述。 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。過應力失效通常是瞬間的和突然發(fā)生的。磨損失效是長時間的損耗積累，通常先是產(chǎn)品性能下降，然后器件失效。根據(jù)誘發(fā)失效機理的應力類型進一步分為機械的、熱學的、電學的、輻射的或化學的。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)生機理和原因。2．1．1封裝熱失配溫度升高時，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。對大多數(shù)的工程材料來說，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)。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(jié)果嚴重的會導致封裝產(chǎn)生分層失效和芯片裂紋等。 芯片裂紋芯片在熱處理過程、劃片或劃片臺可能會導致表面劃傷和裂紋。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(取決于施加的應力幅值)時，芯片會因脆化而突然斷裂。例如，由于芯片表面劃傷而集結(jié)在頂部表面的微小裂紋，可能會擴展到一個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)試驗時，該部位通常承受高的縱向應力。粘結(jié)材料中的空隙也可能會造成芯片破裂。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。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(zhì)量可避免大多數(shù)缺陷。在薄型封裝器件生產(chǎn)時，芯片背面減薄操作形成的背面裂痕也會造成芯片裂紋。由于使用磨料粒度粗細程度不同，減薄過程中產(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精細研磨或則背面腐蝕而避免。在芯片粘結(jié)過程中，芯片通過轉(zhuǎn)換電磁閥將膠帶上的芯片吸下來。該過程會對芯片產(chǎn)生損傷，因為電磁閥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)象是組裝過程中將塑封器件安裝于電路板時，由回流溫度分布產(chǎn)生的內(nèi)部應力。簡言之，在回流過程中，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)達到焊料的熔點220。C或更高的溫度時，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，嚴重時，封裝會產(chǎn)生裂紋。偶爾，受封裝尺寸影響，裂紋會延伸到封裝上表面或沿引線平面延伸到封裝器件側(cè)面，此時裂紋清晰可見。 引線框架的低粘附性及分層潮氣可通過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。用濕度傳感器實驗表明，當塑封料與引線間粘附良好時，潮氣進入封裝體的主要途徑是通過塑封料。然而，由于組裝過程不良因素，如鍵和高溫氧化、應力消除不充分或過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)氧樹脂水解，降低界面的化學結(jié)合力。然而，由于模塑料的不同對潮氣的反應各異。例如，低應力的環(huán)氧樹脂化合物由于其中加入了硅酮調(diào)節(jié)劑以減小應力，他對潮氣的變化比無硅酮的塑封料更敏感。低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會促進潮氣的吸附。為了獲得良好的粘附，嚴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，通常會產(chǎn)生剝離。氮氣或氫氮混合氣體可以避免氧化，在高溫處理過程中應使用這些氣體保護。低親和力的表面涂覆層，如局部鍍銀表面，增強了界面粘附力。通常芯片焊盤鍍銀來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)計采用局部鍍層來減少貴金屬的用量和減少引線框架覆蓋鍍層面積，后者對形成脫層是敏感的。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險。另一個方面，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)失配導致封裝中產(chǎn)生周期性熱應力，對脆性裂紋擴展，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。應力強度因子隨溫度的改變利用有限元法計算得到，兩者之間的關(guān)系表示為多項式。利用Paris定律，當裂紋長度從ao擴展到a。時，經(jīng)過的溫度循環(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=初始裂紋長度，通常取值偏小，取決于制造缺陷。當裂紋長度比較小時，到失效時的總溫度循環(huán)數(shù)與初始裂紋長度相對來說關(guān)系不大”。2．2環(huán)境試驗環(huán)境試驗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，找出改進的措施，提高可靠性。美國Hughes航空公司的技術(shù)資料明確的表示了失效與環(huán)境應力的關(guān)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。2．2．1溫度循環(huán)試驗溫度循環(huán)試驗是考查試樣由環(huán)境溫度較高的正溫度變化到環(huán)境溫度較低的負溫度，以及再由負溫度回復到工F溫度的承受能力。目前我國集成電路的溫度循環(huán)試驗的試驗條件一般采用一55。c—125。c的溫度變化范圍。2．2．2高溫高濕加速試驗 在塑封器件的高溫高濕加速試驗中，由于塑料封裝使用的塑封材料和貼片膠等有機物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為在130 oC左右，而水汽會降低這些塑封材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，當環(huán)境溫度高于這些材料的Tg時，會導致一些在低于Tg時不會發(fā)生的失效，其失效機理也會不同。所以在工業(yè)界，通常會使用85 oC／85％(rh)。高溫高濕加速試驗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。在恒溫、恒定相對濕度的條件下非氣密封裝的失效時間的預測性模型有兩個：一個是Peck提出的，另～個是由Deson和Brusius提出的，實際上他們的方程都是經(jīng)驗性的。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模型中的卻是多項式關(guān)系。兩種模型基本上都是經(jīng)驗性的，雖然均有許多應用。然而在參數(shù)設(shè)計方面因靈敏度不夠這就削弱了觀測范圍以外估算失效時間的應用。在得到進一步數(shù)據(jù)之前，他們僅能用于近似的可靠性計算，而不能用于準確及可信度高的可靠性計算。 第三章熱分析理論及有限元法簡介熱分析遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律：當系統(tǒng)與外界發(fā)生能量傳遞與轉(zhuǎn)換時，加給系統(tǒng)的能量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加與系統(tǒng)對外界做功之和。熱力學第一定律的數(shù)學表達式為：Q=dU+W 式中：9一熱量：dU一系統(tǒng)內(nèi)能：w一做功：QO，外界對系統(tǒng)加熱；QD，系統(tǒng)對外界放熱；AUO，系統(tǒng)內(nèi)能增加；AUO，系統(tǒng)內(nèi)能減少；WO系統(tǒng)對外界做功，WO外界對系統(tǒng)做功。 熱應力理論材料具有熱脹冷縮特性，在溫度作用下會產(chǎn)生體積變化，產(chǎn)生熱應變。當結(jié)構(gòu)的熱應變受到約束不能自由發(fā)展時，就會產(chǎn)生熱應力。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)生的熱應力最為常見。溫度對結(jié)構(gòu)應力和變形的影響不僅僅在于產(chǎn)生熱應變和熱應力。材料機械性能如彈性模量、泊松比、屈服應力、熱膨脹系數(shù)等往往隨溫度變化，也會影響到結(jié)構(gòu)應力結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。這種熱應力分析稱為熱彈塑性分析。實際上，這里的熱應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耦合情形。 熱應力 從位移有限元不難推導出單元應力σ與節(jié)點上的等效外力P之間的平衡關(guān)系為： (1)B是建立節(jié)點位移 u 和單元總應變 ε 之間線性關(guān)系的轉(zhuǎn)換矩陣，滿足：ε =Bu （2）通常假設(shè)總應變由三部分組成：(3）其中 分別為彈性應變、塑性應變和由溫度產(chǎn)生的熱應變。彈性應變應滿足虎克定律，即（4）其中 D 是彈性系數(shù)矩陣。對熱彈塑性材料的塑性應變描述采用 J2流動理論，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。h 是表示熱應變對應力貢獻大小的張量。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。在熱應力分析中，溫度的影響就反映在上式的兩項上。 熱管理學基礎(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)熱力學的知識并要深入掌握相關(guān)的材料知識。熱力學第二定律說明熱總是自發(fā)地從較熱的區(qū)域流向較冷的區(qū)域，如下圖所示。