封装中的界面热应力分析

蒋长顺，谢扩军，许海峰，朱琳
(电子科技大学物理电子学院，成都610054)

1 引言

微电子器件封装中往往都要使用多种不同热膨胀系数的材料，由于材料间的热失配及制造和使用过程中的温度变化，使得各层材料及界面都将承受不同的热应力。层间界面热应力和端部处的热应力集中常常造成封装结构的脱层破坏，从而导致封装结构的失效。封装的热应力分析是对封装工艺和结构进行可靠性评价的基本要求，因而预测在封装和使用过程中产生的热应力有着重要的意义。

文章研究了在多芯片组件封装中金刚石基板与硅芯片之间的热匹配问题，分析了金刚石与硅芯片之间的界面热应力分布。

2 三维有限元模型

文章建立了三维有限元模型，计算了基板-粘结层-芯片结构在实际的产热机制和散热机制下，由热载荷引起的应力场。封装体各器件的弹性模量、热膨胀系数、泊松比以及热传导系数等均是其同有特性，在不改变各层材料的基础上，可以通过改变各器件的几何尺寸使应力重新分配达到改变应力的目的，重点分析了结构在不同的基板/芯片面积比和厚度比时层间界面上的剥离应力、剪应力分布和自由边缘附近应力集中程度。图1为基板-粘结层-芯片结构的三维有限元模型。




计算中假设各种材料都是各向同性的、线弹性的，各种材料物理参数列于表1中：假定结构自由应力的参考温度是封装材料的固化温度(175℃)，即结构的初始温度为175℃，然后降低到由计算所得的实际工作时的温度，再计算结构在实际温度场的热应力分布。结构与空气的对流换热系数取hL=20(W.m-2.℃)，外界环境温度取为25℃，芯片中的体积热流密度qv=1.202