【正文】 的電子從高能態(tài)軌道向低能態(tài)軌道躍遷時(shí)，使電場發(fā)生變化，電場的每一變化相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)磁場，而磁場的每一變化又產(chǎn)生另一個(gè)電場。黑體的吸收本領(lǐng)和發(fā)射本領(lǐng)在同溫度物體中是最大的。實(shí)驗(yàn)證明，物體的輻射能力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的發(fā)射和吸收本領(lǐng)也大不一樣。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(jìn)行的熱量傳遞，即輻射換熱。物體會因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因發(fā)出輻射能的現(xiàn)像稱為熱輻射。反之，也越小，則對流換熱越弱。一對流換熱熱阻(oc，w)。英國物理學(xué)家牛頓提出了對流換熱公式——牛頓冷卻定律。流動流體與固體壁面之間的熱交換過程稱為對流換熱。傅立葉在研究固體導(dǎo)熱現(xiàn)象時(shí)，確定了導(dǎo)熱所傳遞的熱量Q與溫度度dt／dx、垂直于熱流的截面積F成正比，即傅立葉定律：Y為導(dǎo)熱系數(shù)。只要有溫度差，無論固體、液體或氣體中都會有導(dǎo)熱現(xiàn)象。熱量傳遞是由于溫差造成的能量運(yùn)動。（熱力學(xué)第二定律）熱傳遞主要有三種類型：導(dǎo)熱、對流換熱和熱輻射I。熱力學(xué)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。 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。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。對熱彈塑性材料的塑性應(yīng)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(xiàn)。 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。這種熱應(yīng)力分析稱為熱彈塑性分析。溫度對結(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。當(dāng)結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變受到約束不能自由發(fā)展時(shí)，就會產(chǎn)生熱應(yīng)力。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。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。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，相對濕度的關(guān)系卻有很大的不同。Beson和grusius模型平均壽命方程t，(。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)。JEDEC對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)。所以在工業(yè)界，通常會使用85 oC／85％(rh)。c的溫度變化范圍。目前我國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。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(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。當(dāng)裂紋長度比較小時(shí)，到失效時(shí)的總溫度循環(huán)數(shù)與初始裂紋長度相對來說關(guān)系不大”。利用Paris定律，當(dāng)裂紋長度從ao擴(kuò)展到a。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。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)。但是，鍍銀層和塑封料之間的粘附性太差。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。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。低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會促進(jìn)潮氣的吸附。然而，由于模塑料的不同對潮氣的反應(yīng)各異。然而，由于組裝過程不良因素，如鍵和高溫氧化、應(yīng)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。 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。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)，封裝會產(chǎn)生裂紋。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。c—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(shí)，由回流溫度分布產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。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)。該過程會對芯片產(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。因此，所有的粗糙裂痕都可通過精細(xì)研磨或則背面腐蝕而避免。由于使用磨料粒度粗細(xì)程度不同，減薄過程中產(chǎn)生的裂痕可能減少，也可能增加。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。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?。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。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)，芯片會因脆化而突然斷裂。在實(shí)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(yīng)力，其結(jié)果嚴(yán)重的會導(dǎo)致封裝產(chǎn)生分層失效和芯片裂紋等。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)。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。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。過應(yīng)力失效通常是瞬間的和突然發(fā)生的。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(jìn)行了闡述。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(jìn)行了介紹。3. 對潮濕引起塑封器件界面裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動力進(jìn)行研究。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。因此本人擬對以下內(nèi)容進(jìn)行研究：1. 對潮濕擴(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。實(shí)際上，在再流焊的過程中，時(shí)間非常短，潮濕蒸汽壓力是瞬時(shí)產(chǎn)生，這個(gè)過程很難用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行檢測，因此目前主要是采用有限單元法來模擬計(jì)算潮濕蒸汽壓力的產(chǎn)生及對界面裂紋擴(kuò)展的影響。從目前國內(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)生蒸汽壓力對裂紋擴(kuò)展的影響。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(dǎo)致器件出現(xiàn)可靠性問題。在DIP時(shí)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。本課題來源于國家自然科學(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：50243018）。國內(nèi)學(xué)者對潮濕影響器件可靠性問題的研究主要有：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。同時(shí)，有學(xué)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(shí)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]。因此，電子元件在高溫焊接前受到濕汽的侵入是發(fā)生“爆米花”式的脫層斷裂的主要原因。國外學(xué)者對這一問題的研究主要有：Gektin等[29]對干燥元件和預(yù)先吸濕元件在歷經(jīng)高溫的過程中分別作了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，完全干燥的電子元件在焊接過程中沒有“爆米花”式的脫層斷裂出現(xiàn)，由此證明，元件中的熱應(yīng)力不是導(dǎo)致“爆米花”式的脫層斷裂的主要因素。電子元件在封裝過程中，都需要?dú)v經(jīng)高溫焊接過程。這中間就包擴(kuò)材料熱不匹配和材料吸收潮濕對脫層斷裂的影響。可見，潮濕的入侵，是導(dǎo)致封裝器件的可靠性大幅下降的一個(gè)不可忽視的問題，對其機(jī)理的深入研究將為設(shè)計(jì)合理封裝形式提供必要的保證。最近有報(bào)告指出，％時(shí)，“爆米花”現(xiàn)象就可能發(fā)生，而這樣低的水汽含量即使是密封性最好的環(huán)氧樹脂在一般的潮濕環(huán)境下也是可以輕易達(dá)到的。已經(jīng)完成的電子器件封裝產(chǎn)品多數(shù)需要進(jìn)行二級封裝，二級封裝的主要方法是表面組裝技術(shù)，即將封裝器件安裝到PCB板上。當(dāng)器件經(jīng)歷溫度循環(huán)或高溫時(shí)，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。在塑料封裝器件儲存過程中，潮濕水汽持續(xù)地被塑封料所吸收，并擴(kuò)散到器件內(nèi)部；或者，水汽通過塑封料與引線框架之間的縫隙滲透到器件內(nèi)部。具體來說，潮濕引起的器件失效主要有：引起器件材料內(nèi)部開裂及不同材料間的界面開裂、不同材料界面粘結(jié)力下降和金屬引線的腐蝕等[12]。而陶瓷材料卻恰恰相反，它有較高的抵御潮濕入侵的能力，可以為器件提供符合要求的致密性，但是工藝要復(fù)雜，成本較高。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。通過深入研究發(fā)現(xiàn)，封裝器件在存儲過程中從環(huán)境中吸收潮濕水分，成為以后高溫下器件中出現(xiàn)裂紋的主要影響因素。初期人們認(rèn)為是由于材料間的熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的，因?yàn)樘沾刹牧系臒崤蛎浵禂?shù)和封裝器件內(nèi)部其它材料的熱膨脹系數(shù)比較接近，所以不會發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。這些失效形式主要是由封裝材料和器件所處的環(huán)境共同所引起?！翱煽啃允强吭O(shè)計(jì)、制造出來的“[4]，已成為普遍接受的觀點(diǎn)。隨著電子封裝器件復(fù)雜性的不斷增加，如果等封裝制造出來后才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的可靠性有問題那就損失太大了。按照通用標(biāo)準(zhǔn)的定義[10][11]，可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力．電子封裝器件的可靠性是以評價(jià)電子封裝體系抵抗器件功能退化的能力來評價(jià)的。最基本的集成電路器件封裝是指將一個(gè)具有一定功能的集成電路芯片，放置在一個(gè)與之相適應(yīng)的外殼容器或保護(hù)外層中，為芯片提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境和與外部的機(jī)械連接及電氣連接。一般芯片級互連常常由以上三種基本互連技術(shù)之一來實(shí)現(xiàn)，而Flip Chip Bonding技術(shù)是目前芯片級互連技術(shù)中最能適應(yīng)當(dāng)前集成電路制造步伐的芯片級互連技術(shù)。由于芯片的脆性和在芯片里刻蝕的電路，需要借助物理封裝來固定和保護(hù)，并且通過封裝引線來實(shí)現(xiàn)芯片與其它芯片或系統(tǒng)間的電連接。一級封裝又被稱為芯片級封裝，在芯片級封裝中芯片級互連是非常重要的部分，封裝手冊[14]將芯片級互連定義為芯片與封裝襯底間的電氣連接，芯片級封裝必須先進(jìn)行芯片與封裝襯底的互連。圖12給出了前三級封裝的示意圖。塑封電子封裝器件失效問題的提出從整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)講，電子封裝包括一級封裝、二級封裝和三級封裝。CSP 的封裝面積不大于芯片面積的120%。目前，芯片小而封裝大的矛盾并沒有真正解決。綜合了 QFP 和 PGA 的優(yōu)點(diǎn)，于九十年代初終于研制開發(fā)出新一代集成電路封裝—球柵陣列封裝(Ball Grid ArrayBGA)。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。第二階段是隨著八十年代表面貼裝技術(shù)（SMT）的迅速發(fā)展，而出現(xiàn)的各類表面貼裝器件（SMC/SMD）電子封裝，如塑料短引線載體（Plastic leadedchip CarrierPLCC）和四邊扁平引線封裝（Quad Flat PackageQFP）等。其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了以下四個(gè)階段： 第一階段是以通孔器件和插入器件為主，其代表是六十年代就開發(fā)出的雙列直插式引線封裝 Double Inline PackageDIP。 集成電路封裝技術(shù)的發(fā)展歷程1947 年美國電報(bào)電話公司（ATamp。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(shù)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(jìn)行二級連接。 現(xiàn)代集成電路封裝技術(shù)主要是針對 LSI、VLSI 及 ASIC 芯片的電子封裝而言的。根據(jù) IC 的發(fā)展趨勢，再結(jié)合電子整機(jī)和系統(tǒng)的高性能化、多功能化、小型化、便攜式、高可靠性以及低成本等要求，可以推斷微電子封裝的發(fā)展趨勢。90 年代后期至今：90 年代后期，又出現(xiàn)倒裝焊封裝 FC（Flip Chip）和芯片尺寸封裝 CSP（Chip Size Package）。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）。80 年代：80 年代出現(xiàn)了表面組裝技術(shù) SMT（Surface Mount Technology），器件通過回流技術(shù)進(jìn)行焊接，回流焊過程中焊錫熔化時(shí)的表面張力產(chǎn)生自對準(zhǔn)效應(yīng)，降低了對貼片精度的要求，同時(shí)回流焊接代替了波峰焊，也提高了組裝良品率，1998 年以后 SMP 一直占 IC 總封裝量的 80%以上。 微電子封裝的發(fā)展趨勢電子封裝的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下四個(gè)階段：70 年代： 70 年代的主流封裝形式為通孔器件和插入器件，以 DIP（Dual in Line）和 PGA（Pin Grid Array）為代表。第三級封裝或更高級別的封裝，是一些具有一定功能的板塊和設(shè)備的組合，如計(jì)算機(jī)中板卡與主板的連接。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。因此封裝對集成電路和整個(gè)