大功率LED封裝和硅通孔三維封裝工藝及可靠性數(shù)值仿真與試驗研究.pdf

1、大功率LED（Light Emitting Diode LED）作為第四代照明光源，將逐步取代白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等光源。大功率LED封裝產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性是影響其應(yīng)用關(guān)鍵問題。硅通孔(Through Silicon Via TSV)三維封裝技術(shù)是微電子封裝領(lǐng)域的前沿技術(shù)，其相關(guān)工藝尚未完全成熟。同時，由于硅通孔中填充金屬與硅基體之間存在巨大的熱膨脹系數(shù)的失配，在工藝過程及工作時溫度載荷的作用下，將經(jīng)受熱應(yīng)力的作用，從而影響其性能及可

2、靠性。因此，開展大功率LED封裝與硅通孔三維封裝的工藝優(yōu)化與可靠性設(shè)計的研究具有重要意義。
　　本文以大功率 LED封裝和硅通孔三維封裝中的關(guān)鍵工藝和可靠性問題為研究對象，采用以數(shù)值模擬仿真為基礎(chǔ)的虛擬設(shè)計、工藝及可靠性的方法，建立多物理場耦合仿真模型，并結(jié)合相關(guān)的材料性能測試、工藝試驗、可靠性試驗及失效分析，對大功率LED封裝中熱超聲引線鍵合工藝、熱沖擊可靠性，以及硅通孔三維封裝電化學(xué)鍍銅工藝、熱機(jī)械可靠性、電遷移可靠性進(jìn)行研究

3、。主要研究內(nèi)容包括：
　　（1）采用動態(tài)熱機(jī)械分析儀測試大功率LED封裝中關(guān)鍵材料硅膠的粘彈性能，基于廣義麥克斯韋模型對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得硅膠粘彈性的六階 Prony方程參數(shù)。采用納米壓痕連續(xù)剛度法測試硅通孔中電鍍銅柱的力學(xué)性能，其彈性模量平均值為116.8GPa，硬度平均值為1.7GPa。通過對納米壓痕壓入過程的有限元仿真，獲得其塑性性能。
　?。?）通過對LED封裝的銅線及金線熱超聲引線鍵合過程的模擬，獲得其鍵合過程

4、動態(tài)變形、應(yīng)力應(yīng)變及溫度的演化過程。結(jié)果表明隨著超聲振動振幅、焊球與焊盤摩擦系數(shù)以及鍵合力的增大，焊盤上塑性應(yīng)變隨之增加，有利于鍵合的形成。但同時電極結(jié)構(gòu)歐姆接觸層的應(yīng)力也隨之增加，增加了裂紋、剝離等缺陷的產(chǎn)生與芯片破裂的可能性。同時，由于銅線硬度較金線大，需要更大的鍵合能量。銅線熱超聲引線鍵合過程中焊盤、焊盤下歐姆接觸層及芯片將承受更大的應(yīng)力應(yīng)變。
　?。?）通過熱沖擊環(huán)境可靠性試驗對新型的應(yīng)用導(dǎo)向型大功率 LED封裝模塊進(jìn)行可

5、靠性驗證。失效分析結(jié)果表明其災(zāi)難性失效樣品的失效模式為斷路失效。通過熒光滲透檢測，發(fā)現(xiàn)在熱沖擊溫度載荷作用下，大功率LED封裝模塊內(nèi)部出現(xiàn)了分層缺陷。通過開封試驗，發(fā)現(xiàn)互連金線在二焊點的根部出現(xiàn)斷裂失效。對應(yīng)用導(dǎo)向型大功率LED封裝熱沖擊可靠性試驗進(jìn)行流-固耦合模擬仿真，結(jié)果表明在快速降溫和升溫階段，模塊內(nèi)的溫度梯度分別超過了79℃和100℃。溫度梯度作用下金線等效塑性應(yīng)變是等溫條件下的2.1倍。界面分層缺陷導(dǎo)致了金線的二焊點在周期性疲

6、勞載荷的作用下出現(xiàn)疲勞斷裂失效。選用低彈性模量和低熱膨脹系數(shù)的灌封硅膠有助于提高金線的熱沖擊可靠性。
　　（4）通過電化學(xué)鍍銅工藝仿真模型，分析硅通孔自底向上通孔電鍍工藝過程，結(jié)果表明采用單面濺射及自底向上通孔電鍍工藝，通孔內(nèi)電鍍銅層垂直于側(cè)壁向上生長，可以避免空洞缺陷的產(chǎn)生。采用博世工藝DRIE工藝實現(xiàn)了深寬比為6：1的通孔刻蝕，采用熱氧化工藝沉積 SiO2絕緣層，采用濺射工藝制作 Ti粘附阻擋層及Cu種子層，開展了自底向上通孔

7、電鍍工藝試驗，實現(xiàn)了硅通孔無空洞缺陷銅導(dǎo)電金屬的電鍍填充。采用機(jī)械磨削及化學(xué)機(jī)械拋光工藝進(jìn)行圓片減薄，成功將帶有60um硅通孔結(jié)構(gòu)的圓片減薄至50um。
　?。?）通過硅通孔熱機(jī)械模型計算其熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力分布。通過拉曼光譜測試減薄到50um帶有硅通孔的硅片衍射峰位的變化，獲得硅片上的殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明隨著硅通孔直徑的增加，其受到的熱應(yīng)力隨之增大。而硅片的厚度對其熱應(yīng)力的影響較小。當(dāng)多個硅通孔排布時，因應(yīng)力的疊加作用，導(dǎo)致熱應(yīng)

8、力的上升，但隨著間距的增大，其影響逐漸減弱。通過硅通孔三維芯片堆疊封裝的熱機(jī)械可靠性仿真，并結(jié)合試驗設(shè)計的方法，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對其熱機(jī)械可靠性的影響規(guī)律。結(jié)果表明中介層的厚度是影響焊點疲勞壽命最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。銅柱直徑是影響銅柱疲勞壽命及Cu/SiO2界面可靠性最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　?。?）通過多物理場耦合電遷移數(shù)值仿真模型，對硅通孔結(jié)構(gòu)的電遷移可靠性進(jìn)行分析，獲得其電流密度、溫度梯度以及應(yīng)力梯度分布，進(jìn)而計算其相對原子濃度分布。