疊層QFN界面強(qiáng)度可靠性分析及其優(yōu)化.pdf

1、疊層QFN器件中同時(shí)集成了多個(gè)芯片,功能極為強(qiáng)大,但這種高密度封裝方式大大增加了失效的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,尤其是這種芯片堆疊的封裝形式,在疊層QFN器件制造和使用過程中,極易產(chǎn)生界面層裂失效。本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“微電子封裝中的界面層裂失效和界面強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法”的資助下,針對(duì)疊層QFN器件在熱、濕因素影響下的一系列界面強(qiáng)度可靠性問題進(jìn)行了研究,并在此基礎(chǔ)上探索器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)界面可靠性的影響。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　

2、1.環(huán)氧模塑封材料(EMC)的粘彈性特性實(shí)驗(yàn)表征。粘彈性是EMC的一種重要?jiǎng)討B(tài)力學(xué)行為,準(zhǔn)確表征這一特性對(duì)EMC材料在有限元中正確建模是相當(dāng)重要的。通過動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)實(shí)驗(yàn)獲得了EMC的粘彈性材料特性,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最終可獲得松弛時(shí)間與松弛系數(shù)等建模所需參數(shù)。
　　2.對(duì)疊層QFN器件的界面可靠性問題進(jìn)行分析。首先對(duì)疊層QFN器件界面間濕氣擴(kuò)散情況進(jìn)行分析,經(jīng)過濕氣預(yù)處理以后,EMC材料大部分接近飽和,母芯片(mot

3、her die)與銅引腳(leadframe)之間尤其是芯片拐角處的芯片粘接劑(DA)已達(dá)到了飽和狀態(tài)。接著對(duì)濕熱集成應(yīng)力下的疊層QFN器件的翹曲情況及最大主應(yīng)力分布進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)器件經(jīng)過濕氣預(yù)處理后比未進(jìn)行預(yù)處理前翹曲值增加了30.28﹪。器件最大主應(yīng)力出現(xiàn)在回流焊峰值溫度為260℃時(shí),母芯片下表面中心部位,應(yīng)力值高達(dá)95.59MPa?？梢奃A/mother die或DA/leadframe界面極易發(fā)生層裂失效。最后還對(duì)可靠性測(cè)試

4、中疊層QFN器件DA/leadframe界面層裂現(xiàn)象進(jìn)行了模擬。采用內(nèi)聚力模型法(CZM)預(yù)測(cè)出裂紋首先由底部芯片邊角處產(chǎn)生,然后向兩邊擴(kuò)展,若繼續(xù)增加載荷,則有可能導(dǎo)致DA/leadframe的整個(gè)界面發(fā)生分層開裂。用J積分法對(duì)界面層裂擴(kuò)展進(jìn)行分析,得到與CZM一致的結(jié)論。但在預(yù)測(cè)界面裂紋產(chǎn)生方面,CZM比J積分法方便。
　　3.對(duì)疊層QFN器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了初步探索。選取10個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為可控因子,并選擇界面損傷值(da

5、mage)作為響應(yīng)變量。利用MINITAB軟件,首先采用Plackett-Burman設(shè)計(jì)對(duì)10個(gè)因子進(jìn)行初步篩選,將效應(yīng)不顯著的因子刪除。然后再用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)保留下來的5個(gè)因子進(jìn)行因子效應(yīng)及其交互作用的分析,進(jìn)而選出效應(yīng)最顯著的3個(gè)因子,即封裝體的長度、母芯片的長度與厚度。接著用響應(yīng)曲面法確定回歸關(guān)系并求出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:封裝體的長度應(yīng)取8mm,母芯片的長度應(yīng)取3.5mm,母芯片的厚度應(yīng)取0.25mm。最后對(duì)最佳參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)