超大尺寸芯片封裝內(nèi)應(yīng)力仿真模型與改善方案

作者：侯耀偉，王喆，喬志壯，杜勿默，周揚(yáng)帆

為改善超大尺寸芯片封裝的內(nèi)應(yīng)力，研究了使用導(dǎo)電膠粘接的超大尺寸芯片的陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，建立了簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)模型。模型從上到下依次為硅芯片、導(dǎo)電膠和陶瓷基板三層結(jié)構(gòu)。利用有限元分析方法，研究了導(dǎo)電膠的粘接層厚度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和固化溫度對(duì)芯片封裝內(nèi)應(yīng)力的影響。

結(jié)果表明，粘接層所受的應(yīng)力主要集中在導(dǎo)電膠和芯片粘接界面邊緣處，且粘接層四個(gè)角所受的應(yīng)力最大，故在貼片工藝中要保證導(dǎo)電膠在芯片四個(gè)角的溢出，防止芯片脫落。適當(dāng)增加導(dǎo)電膠的粘接層厚度，選取低彈性模量和低熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)電膠，以及采較低的固化溫度可大幅度降低器件的內(nèi)應(yīng)力，提高芯片剪切力。

引言

隨著微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高，系統(tǒng)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)能力和技術(shù)也得到了很大的提高。系統(tǒng)級(jí)芯片可將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器集成在一起，大幅提高器件的集成度，但芯片也面臨晶粒尺寸過(guò)大的挑戰(zhàn)，尤其當(dāng)芯片使用超低k電介質(zhì)材料時(shí)，晶粒變得更脆、更易碎。

由于陶瓷基板、芯片和導(dǎo)電膠之間的線性熱膨脹系數(shù)的差異，超大尺寸芯片粘接面存在的大應(yīng)力會(huì)使器件在后續(xù)使用中存在重大的質(zhì)量隱患。粘接面應(yīng)力過(guò)大，易使粘接面邊緣出現(xiàn)開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使芯片脫落；應(yīng)力過(guò)大會(huì)損傷芯片，影響器件電性能。

近年來(lái)我國(guó)在芯片封裝內(nèi)應(yīng)力方面進(jìn)行了深入的研究。連興峰等人運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件分析了由封裝引起的熱失配對(duì)1mm x 1mm芯片的封裝內(nèi)應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)芯片所受應(yīng)力會(huì)隨著基板厚度的增加而增加。李明等人利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對(duì)COB封裝在熱載荷下的表面熱變形分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并比較了不同封裝結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)應(yīng)力的影響，認(rèn)為陶瓷基板上的封裝方案比FR4上的封裝方案的熱失配小，封裝內(nèi)應(yīng)力也較小，適用于應(yīng)力敏感的封裝系統(tǒng)。

梁穎等人對(duì)微光機(jī)電系統(tǒng)芯片粘接層進(jìn)行了溫度循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變有限元分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)溢出結(jié)構(gòu)的粘接層內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變大于有溢出結(jié)構(gòu)的粘接層內(nèi)的，有溢出結(jié)構(gòu)的粘接層在溫度循環(huán)條件下可以在一定程度上降低粘接層內(nèi)的最大應(yīng)力與應(yīng)變。張淑芳等人對(duì)LED小芯片封裝中所受內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行了模擬仿真與分析，發(fā)現(xiàn)芯片封裝的內(nèi)應(yīng)力集中在導(dǎo)電膠和芯片粘接界面邊緣處。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)芯片封裝內(nèi)應(yīng)力方面的研究主要集中在小尺寸芯片上，而對(duì)超大尺寸芯片封裝，其封裝內(nèi)應(yīng)力與導(dǎo)電膠的性能參數(shù)、粘接層厚度和固化溫度的關(guān)系研究較少。本文利用有限元分析方法，采用簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)模型，分析了這些變量對(duì)芯片內(nèi)應(yīng)力的影響，從而為超大尺寸芯片的封裝設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 超大尺寸芯片封裝內(nèi)應(yīng)力仿真模型

將使用導(dǎo)電膠粘接的超大尺寸芯片的陶瓷封裝結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，封裝模型從上到下依次為硅芯片、導(dǎo)電膠粘結(jié)層和陶瓷基板三層結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后模型的有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示，模型尺寸參數(shù)和模型中材料的性能參數(shù)分別如表1和表2所示。為提高計(jì)算效率，對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：①芯片與陶瓷基板之間的粘接層無(wú)空洞等缺陷；②模型溫度發(fā)生變化時(shí)，模型整體溫度分布均勻；③不考慮導(dǎo)電膠溢出情況，導(dǎo)電膠尺寸與芯片尺寸一致。

表1 模型尺寸參數(shù)

表2 模型中材料性能參數(shù)

2 仿真分析及驗(yàn)證

由于不同導(dǎo)電膠的性能參數(shù)差異較大，其應(yīng)用環(huán)境也不一樣。本文分析了導(dǎo)電膠的粘接層厚度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)和固化溫度對(duì)超大尺寸芯片粘接內(nèi)應(yīng)力的影響并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 粘接層厚度對(duì)芯片封裝內(nèi)應(yīng)力的影響

為研究超大尺寸芯片的粘接內(nèi)應(yīng)力與粘接層厚度的關(guān)系，模型中設(shè)定導(dǎo)電膠的熱膨脹系數(shù)為3x10-5/oC，彈性模量為3 GPa，固化溫度為175oC，粘接層厚度為10~30 um。圖2為導(dǎo)電膠所受的最大應(yīng)力隨粘接層厚度的變化關(guān)系，從圖中可以看出隨著粘接層厚度增大，導(dǎo)電膠所受的最大應(yīng)力呈減小趨勢(shì)；當(dāng)粘接層厚度較小時(shí)，導(dǎo)電膠所受的最大應(yīng)力隨粘接層厚度的增加迅速減小。

圖2 粘接層厚度與導(dǎo)電膠所受最大應(yīng)力的關(guān)系

圖3為不同粘接層厚度（10 um和30 um）粘接層所受應(yīng)力情況，從圖中可以看出，粘接層所受應(yīng)力集中在導(dǎo)電膠和芯片粘接界面邊緣處，且粘接層四個(gè)角所受的應(yīng)力最大。

（a）粘接層厚度為10 um

（b）粘接層厚度為3 0 um圖3 不同厚度粘接層所受應(yīng)力

圖4為芯片所受最大應(yīng)力與粘接層厚度的關(guān)系，從圖中可以看出隨著粘接層厚度增大，芯片所受的最大應(yīng)力快速減小，當(dāng)粘接層厚度達(dá)到18 um后，芯片所受的最大應(yīng)力基本保持不變。因此，在超大尺寸芯片的貼片工藝中可適當(dāng)增加粘接層厚度來(lái)降低器件的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)要保證芯片四個(gè)角有膠溢出，防止芯片因受應(yīng)力而發(fā)生脫落。

圖4 粘接層厚度與芯片所受最大應(yīng)力的關(guān)系

圖5為不同粘結(jié)層厚度（10 um和30 um）芯片所受應(yīng)力情況，從圖中可以看出，芯片所受應(yīng)力主要分布在芯片中心區(qū)域，芯片中心易受應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂紋。粘結(jié)層厚度太厚會(huì)導(dǎo)致其熱阻增大，阻礙熱的傳導(dǎo)。綜合考慮器件散熱和內(nèi)應(yīng)力影響，后續(xù)在分析導(dǎo)電膠的彈性模量、熱膨脹系數(shù)及固化溫度對(duì)超大尺寸芯片內(nèi)應(yīng)力的影響時(shí)，將導(dǎo)電膠的厚度設(shè)定為20 um。

（a）粘接層厚度為10 um

（b）粘接層厚度為3 0 um圖5 不同粘接層厚度芯片所受應(yīng)力

2.2 彈性模量對(duì)芯片封裝內(nèi)應(yīng)力的影響

超大尺寸芯片粘結(jié)所使用的導(dǎo)電膠一般為環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)電膠，其在高溫固化過(guò)程中會(huì)使基體樹(shù)脂在空間中形成三維網(wǎng)狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，為芯片提供良好的支撐和保護(hù)，環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)電膠彈性模量變化范圍比較寬，從幾GPa到十幾GPa。為表征該參數(shù)對(duì)大尺寸芯片封裝內(nèi)應(yīng)力的影響，假設(shè)導(dǎo)電膠的熱膨脹系數(shù)為3x10-5/oC，固化溫度為175 oC，粘接層厚度為20 um，彈性模量從1~15 GPa遞增。圖6為彈性模量與導(dǎo)電膠和芯片所受最大應(yīng)力的關(guān)系。

圖6 彈性模量與導(dǎo)電膠和芯片所受最大應(yīng)力的關(guān)系

從圖6可以看出，隨著導(dǎo)電膠彈性模量的增加，導(dǎo)電膠所受最大應(yīng)力快速增大，芯片所受最大應(yīng)力緩慢增大。故在超大尺寸芯片的貼片工藝中要選取低彈性模量的導(dǎo)電膠，以防芯片在溫度變化時(shí)所受應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生破裂，影響器件的電性能。

2.3 熱膨脹系數(shù)對(duì)芯片封裝內(nèi)應(yīng)力的影響

假設(shè)導(dǎo)電膠的彈性模量為3 GPa，固化溫度為175 oC，粘接層厚度為20 um，導(dǎo)電膠的熱膨脹系數(shù)為1x10-5/oC~1x10-4/oC，研究熱膨脹系數(shù)對(duì)大尺寸片上系統(tǒng)（SoC）芯片粘接內(nèi)應(yīng)力影響。圖7為導(dǎo)電膠熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)電膠和芯片所受最大應(yīng)力的關(guān)系。從圖7可以看出，隨著導(dǎo)電膠熱膨脹系數(shù)的增加，導(dǎo)電膠所受最大應(yīng)力逐漸增大，芯片所受最大應(yīng)力基本保持不變。故在超大尺寸芯片的貼片工藝中，要選取低熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)電膠，以降低器件所受內(nèi)應(yīng)力。

圖7 熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)電膠和芯片所受最大應(yīng)力的關(guān)系

2.4 固化溫度對(duì)芯片封裝內(nèi)應(yīng)力的影響

導(dǎo)電膠的產(chǎn)品手冊(cè)中會(huì)給出幾種不同的固化溫度，為表征該參數(shù)對(duì)大尺寸芯片粘接內(nèi)應(yīng)力影響，假設(shè)導(dǎo)電膠的彈性模量為3 GPa，導(dǎo)電膠的熱膨脹系數(shù)為3x10-5/oC，粘接層厚度為20 um，固化溫度為150~300oC。圖8為固化溫度與導(dǎo)電膠和芯片所受最大應(yīng)力的關(guān)系。從圖8可以看出，選取較高的固化溫度時(shí)，導(dǎo)電膠和芯片所受最大應(yīng)力比較大。故在超大尺寸芯片的貼片工藝中要選取較低的固化溫度，以降低器件所受內(nèi)應(yīng)力。

圖8 固化溫度與導(dǎo)電膠和芯片所受最大應(yīng)力的關(guān)系

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用導(dǎo)電膠A和導(dǎo)電膠B進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真結(jié)果。導(dǎo)電膠的性能參數(shù)如表3所示。分別用導(dǎo)電膠A和B將14mm x 10mm x 0.35mm芯片粘接在陶瓷基板上。試驗(yàn)分四組進(jìn)行，如表4所示，每個(gè)試驗(yàn)組包含20只樣品。

表3 導(dǎo)電膠性能參數(shù)

表4 試驗(yàn)分組及各分組的芯片剪切力均值

導(dǎo)電膠固化完成后將4組樣品按照GJB548B-2005方法1010的要求進(jìn)行100次溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為-65~150 oC，高低溫總轉(zhuǎn)換時(shí)間不得超過(guò)1 min，停留時(shí)間不得少于10 min。試驗(yàn)后對(duì)樣品進(jìn)行芯片剪切力試驗(yàn)，芯片剪切力的大小反映了芯片粘接內(nèi)應(yīng)力對(duì)粘結(jié)力的影響，試驗(yàn)接果如表4所示。

經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)后，分組1、分組2和分組3的部分樣品的粘接面邊緣均出現(xiàn)縫隙，且芯片剪切力也較低；分組4樣品經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后粘接面邊緣未出現(xiàn)縫隙，且芯片剪切力也較前3組的大，因此，增加粘接層厚度，采用較低彈性模量的導(dǎo)電膠和較低的固化溫度可有效降低產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力。

3 結(jié)論

本文利用有限元分析方法，采用簡(jiǎn)化的結(jié)接構(gòu)模型，研究了導(dǎo)電膠的粘接層厚度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)及固化溫度對(duì)超大尺寸芯片粘接內(nèi)應(yīng)力的影響，主要結(jié)論如下。

①超大尺寸芯片的粘接內(nèi)應(yīng)力與導(dǎo)電膠粘接厚度關(guān)系密切。當(dāng)粘接層厚度增大時(shí)，導(dǎo)電膠所受的最大應(yīng)力呈減小趨勢(shì)；隨著粘接層厚度增大，芯片所受的最大應(yīng)力快速減小，當(dāng)粘接層達(dá)到一定厚度后，芯片所受應(yīng)力基本保持不變。

②在超大尺寸芯片的貼片工藝中可適當(dāng)增加粘接層厚度來(lái)降低器件的內(nèi)應(yīng)力；粘接層四個(gè)角所受應(yīng)力最大，故在貼片時(shí)要保證膠在芯片四個(gè)角的溢出，防止芯片發(fā)生脫落。

③當(dāng)導(dǎo)電膠的彈性模量增加時(shí)，導(dǎo)電膠和芯片所受最大應(yīng)力逐漸增大，在超大尺寸芯片的貼片工藝中要選取低彈性模量的導(dǎo)電膠。

④當(dāng)導(dǎo)電膠的熱膨脹系數(shù)增大時(shí)，導(dǎo)電膠所受最大應(yīng)力逐漸增大，芯片所受應(yīng)力基本保持不變。在超大尺寸芯片的貼片工藝中要選取低熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)電膠。

⑤選取較高的固化溫度時(shí)，導(dǎo)電膠和芯片所受應(yīng)力比較大。故在超大尺寸芯片的貼片工藝中要選取較低的固化溫度，以降低器件所受內(nèi)應(yīng)力。審核編輯：郭婷