（机械电子工程专业论文）高密度芯片封装中界面分层的数值模拟研究及其应用.pdf

摘要 高密度芯片封装中界面分层的数值模拟研究及其应用 摘要 随着芯片封装密度的不断提高，芯片与基板之间起机械连接作用的 粘结膜越来越薄，在封装过程中需要承受更为严酷的应力环境；同时， 为了适应封装材料无铅化的趋势，粘结膜需要经历更为极端的可靠性试 验。这些内部和外部的因素直接导致了高密度芯片封装中粘结膜界面分 层现象日趋严重。所以，选取典型的高密度芯片封装类型、针对界面分 层的影响因素进行数值模拟研究、将数值模拟方法应用于界面分层机理 分析和实际的分层解决方案，显得尤为重要。 本文以高密度芯片封装中粘结膜界面分层为研究对象，选取典型的 高密度芯片封装一玻璃载芯片封装和芯片级封装为实例，针对其中的界 面分层现象进行相应的数值模拟研究，将验证之后的数值模拟方法应用 于界面分层机理分析，最后在机理分析的基础上、通过数值模拟方法提 出实用的分层解决方案。主要的研究内容和成果总结如下： 一、选取典型的高密度芯片封装一玻璃载芯片封装和芯片级封装为 应用实例，研究其数值模拟方法、界面分层机理和分层解决方案，研究 内容具有一定的代表性，对于其他高密度芯片封装的界面分层研究具有 一定的参考价值。 二、针对玻璃载芯片封装中粘结膜一各向异性导电膜的界面分层现 象，提出了“非线性、顺序热力耦合”模拟方法，解决了在以往热一力载 荷同时作用的封装过程模拟中、由于模拟技术限制而不能耦合瞬态热力 载荷的问题；并且针对各向异性导电膜封装模拟提出了“等效颗粒”的 概念，解决了以往各向异性导电膜封装模拟中众多导电颗粒难以模型化 的问题；通过“全局局部 模拟方法，将各向异性导电膜的界面分层研 究从毫米级深入到亚微米级。同时，针对湿气灵敏度试验( 可靠性试验的 一种，包括高温高湿试验和回流焊试验) 中芯片级封装的芯片粘结膜界面 分层现象，提出“直接湿气浓度法，实现了环境温度和湿度变化情况下 的湿气扩散模拟；并且在应用广泛的“微观蒸汽压模型基础上提出“简 化瞬态微观蒸汽压模型”，简化了封装模块内部蒸汽压的计算步骤。 三、通过翘曲测量实验验证了玻璃载芯片全局模型预测芯片翘曲量 的精确性( 数值模拟精度为9 3 ) ，通过芯片剪切实验验证了局部模型确定 的易断裂面一各向异性导电膜玻璃界面。同时，基于湿气释放解析解和 独立变量方法从理论上验证了“直接湿气浓度法 的模拟精确性( 数值模 拟精度为9 7 ) ，通过实验验证了“直接湿气浓度法”应用于芯片级封装 湿气扩散模拟的可行性，并且运用条件判断准则和“微观蒸汽压模型 理论验证了“简化瞬态微观蒸汽压模型 。 四、将数值模拟方法应用于界面分层机理分析，建立了芯片翘曲和 各向异性导电膜界面分层之间的关系，指出玻璃载芯片封装冷却过程中、 芯片与玻璃基板之间巨大的收缩量和翘曲量的差值，导致各向异性导电 膜界面产生巨大的残余剪力和张力，从而引起界面分层；界面分层主要 位于芯片边缘输出端的各向异性导电膜玻璃界面。同时，通过对湿气灵 敏度试验中芯片级封装内部湿气扩散和蒸汽压变化的数值模拟结果分 析，指出回流焊高温时湿气蒸汽化产生的蒸汽压是导致芯片粘结膜界面 分层的主要因素。 五、基于分层机理分析、通过对玻璃载芯片封装过程的参数化模拟， 提出了改善各向异性导电膜界面分层的方案：降低绑头温度，提高玻璃 基板温度，降低绑定温度差；减小芯片厚度，缩短芯片长度，增加玻璃 基板厚度；加强各向异性导电膜玻璃基板界面的结合强度。同时，基于 芯片级封装中芯片粘结膜界面分层机理的分析，通过湿气扩散和蒸汽压 变化的数值模拟以及湿气灵敏度试验的验证，提出了解决芯片粘结膜界 面分层的方案：减少基板厚度和延长回流焊的保温过程。 本文选取的两个应用实例具有一定的代表性，对于其他高密度芯片 封装的界面分层研究具有一定的借鉴意义。本文提出的“非线性、顺序 热一力耦合 模拟方法适用于热力载荷下的芯片封装过程的模拟，“等效 摘要 颗粒 模拟方法适用于应用各向异性导电膜的芯片封装模拟；“直接湿气 浓度法”和“简化瞬态微观蒸汽压模型”分别适用于高密度芯片封装的 湿气扩散模拟和蒸汽压变化模拟。本文提出的粘结膜界面分层解决方案， 已在玻璃载芯片封装和芯片级封装中得到了实验验证，具有一定的实用 价值。 关键词：高密度芯片封装，界面分层，数值模拟，玻璃载芯片，芯片级 封装 a b s t r a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d ya n da p p l i c a t i o n o fi n t e r f a c ed e l a m i n a t i o ni nh i g hd e n s i t y e l e c t r i cp a c k a g i n g a b s t r a c t w i t ht h em o r ed e n s i t yo ft h ee l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，t h ef i l m ，w h i c hi st h e m e c h a n i c a li n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e ni ca n ds u b s t r a t e ，b e c o m e st h i n n e r i t s u f f e r sm o r es e r i o u ss t r e s sc o n d i t i o ni nt h ep a c k a g i n gp r o c e s s w i t ht h et r e n d o fl e a d f r e em a t e r i a la p p l i c a t i o n ，t h ef i l mw o u l ds u f f e rm o r es t r i n g e n t r e l i a b i l i t yt e s t t h e s ei n n e ra n do u t e rf a c t o r s c a u s ei n t e r f a c ed e l a m i n a t i o n ， w h i c hi sm o r es e r i o u si nt h eh i g hd e n s i t yp a c k a g e t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n t t oa d o p tt h et y p i c a lp a c k a g e s ，d e v e l o pn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yf o r i n t e r f a c ed e l a m i n a t i o n ，a n da p p l yt h en u m e r i c a lm e t h o d st od e l a m i n a t i o n m e c h a n i s ma n a l y s i sa n ds o l u t i o n s t h i sp a p e rs t u d i e dt h e i n t e r f a c ed e l a m i n a t i o ni nh i g hd e n s i t yp a c k a g e ， a d o p t e dt w ot y p i c a lp a c k a g e s - - - c h i po ng l a s s ( c o g ) a n dc h i ps c a l ep a c k a g e ( c s p ) ，d e v e l o p e da d v a n c e dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d sf o ri n t e r f a c e d e l a m i n a t i o n ，a p p l i e dt h en u m e r i c a lm e t h o d s t om e c h a n i s ma n a l y s i s ，g a v et h e m e t h o d st os o l v et h ed e l a m i n a t i o nf o rd i f f e r e n tp a c k a g e s t h ec o n t e n ta n d r e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t l y , t h i sp a p e ra d o p t e dt w ot y p i c a lp a c k a g e s - - c o g a n dc s pt os t u d y n u m e r i c a lm e t h o d s ，d e l a m i n a t i o nm e c h a n i s ma n ds o l u t i o n sr e s p e c t i v e l y t h e i n t e r f a c ed e l a m i n a t i o ns t u d yc a nb ea p p l i e dt oo t h e rh i g hd e n s i t ye l e c t r i c i d i s s e r t a t i o no fd o c t o r sd e g r e eo fs h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y p a c k a g e s s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e v e l o p e ds e v e r a la d v a n c e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d s f o rt h ea n i s o t r o p i cc o n d u c t i v ef i l m ( a c f ) d e l a m i n a t i o no f t h e p a p e rp r o p o s e dn o v e ln o n - l i n e a ra n ds e q u e n t i a l l yc o u p l e dt h e r m a l m e c h a n i c a l m e t h o dt os o l v et h eu n c o u p l i n go ft r a n s i e n tt h e r m a l m e c h a n i c a ll o a d i n g si n t h ep r e v i o u s p a c k a g i n gp r o c e s sm o d e l i n g t h i sp a p e r a l s o p r o p o s e dt h e e q u i v a l e n tp a r t i c l em e t h o df o ra c fp a c k a g i n gs i m u l a t i o nt om o d e lt h e n u m e r o u sc o n d u c t i v ep a r t i c l e s b yt h eg l o b a l l o c a lm e t h o d ，t h ed e l a m i n a t i o n s t u d yw a si m p l e m e n t e df r o mm ms c a l e t o m s c a l e m e a n w h i l e ，f o rt h e d i e a t t a c h ( d a ) f i l mi n t e r f a c ed e l a m i n a t i o no fc s pd u r i n gp r e c o n d i t i o n i n g t e s t ( o n eo ft h er e l i a b i l i t yt e s t ，i n c l u d i n gs o a k i n ga n dr e f l o w ) ，t h ep a p e r p r o p o s e dt h em o i s t u r ed i f f u s i o nm o d e l i n gm e t h o d ，n a m e dd i r e c tc o n c e n t r a t i o n a p p r o a c h ( d c a ) ，t os i m u l a t et h em o i s t u r ed i f f u s i o nu n d e rv a r y i n ga m b i e n t t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y a l s o ，t h i sp a p e rp r o p o s e ds i m p l i f i e dt r a n s i e n t m i c r o m e c h a n i c s b a s e dv a p o rp r e s s u r e m o d e l ( s t m v p m ) t os i m p l i f yt h e v a p o rp r e s s u r ec a l c u l a t i o ni n s i d ee l e c t r o n i cp a c k a g e t h i r d l y , t h ec o gp r o c e s sw a ss i m u l a t e dw i t ha d v a n c e dm o d e l i n g m e t h o d s ，t h ei cw a r p a g ef r o mg l o b a lm o d e lw a sv a l i d a t e dw i t ht h er e s o l u t i o n o f9 3 b yw a r p a g em e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n da c f 儋l a s si n t e r f a c ew a s d e t e r m i n e dt ob ee a s i e rt od e l a m i n a t eb yl o c a lm o d e la n di cs h e a rt e s t m e a n w h i l e ，m o i s t u r e d i f f u s i o na n d v a p o rp r e s s u r e e v o l u t i o n d u r i n g p r e c o n d i t i o n i n gt e s tw e r es i m u l a t e dw i t ha d v a n c e dm o d e l i n gm e t h o d s ，a n d t h ed c aw a sv a l i d a t e db ya n a l y t i c a ls o l u t i o na n d i n d e p e n d e n tv a r i a b l e m e t h o dw i t ht h er e s o l u t i o no f9 7 t h ef e a s i b i l i t yo fd c a a p p l i c a t i o nt oc s p w a sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s t h es t m v p mw a sv a l i d a t e db yc o n d i t i o n a l c r i t e r i o na n dm i c r o m e c h a n i c s b a s e dv a p o rp r e s s u r em o d e l f o u r t h l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni cw a r p a g ea n da c fd e l a m i n a t i o n w a se s t a b l i s h e dw i t ht h ed a l a m i n a t i o nm e c h a n i s m a n a l y s i s t h ea c f d e l a m i n a t i o nw a si n d u c e dd u et ot h el a r g ed i f f e r e n c eo fs h r i n k a g ea n d i i a b s t r a c t w a r p a g eb e t w e e ni ca n dg l a s ss u b s t r a t ed u r i n gc o o l i n g ，w h i c hc a u s e dl a r g e r e s i d u a ls h e a ra n dn o r m a ls t r e s sa ta c fi n t e r f a c e t h ei n t e r f a c ed e l a m i n a t i o n l o c a t e da tt h ea c f 咤l a s si n t e r f a c ea tt h ei ce d g e m e a n w h i l e ，v a p o rp r e s s u r e w a sd e t e r m i n e da st h em a jo rd r i v i n gf o r c ef o rt h ed af i l md e l a m i n a t i o nw i t h t h e a n a l y s i so fm o i s t u r ed i f f u s i o na n dv a p o rp r e s s u r ee v o l u t i o nd u r i n g p r e c o n d i t i o n i n gt e s t l a s t l y , w i t h t h e p a r a m e t r i cm o d e l i n ga n dd e l a m i n a t i o nm e c h a n i s m a n a l y s i sf o rc o gp a c k a g i n gp r o c e s s ，a c fd e l a m i n a t i o nc a nb ea v o i d e db y d e c r e a s i n gb o n d i n gh e a dt e m p e r a t u r e ，i n c r e a s i n gg l a s ss u b s t r a t et e m p e r a t u r e ， d e c r e a s i n gb o n d i n gt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，t h i n n i n gi ct h i c k n e s s ，s h o r t e n i n g i cl e n g t h ，t h i c k e n i n gg l a s ss u b s t r a t et h i c k n e s s ，i m p r o v ea d h e s i o nb e t w e e n a c fa n dg l a s s m e a n w h i l e ，w i t ht h ed af i l md e l a m i n a t i o nm e c h a n i s m a n a l y s i s ，m o i s t u r ed i f f u s i o na n dv a p o rp r e s s u r ee v o l u t i o nm o d e l i n g ，a n dt e s t v a l i d a t i o n ，d af i l md e l a m i n a t i o n c a nb es o l v e d b yt h i n n i n gs u b s t r a t e t h i c k n e s sa n de x t e n d i n gi n l i n eb a k i n go fr e f l o wp r o c e s s t h ei n t e r f a c ed e l a m i n a t i o ns t u d yb a s e do nt h ec o ga n dc s pc a nb e a p p l i e d t oo t h e r h i g hd e n s i t y e l e c t r i c p a c k a g e s t h e n o n l i n e a ra n d s e q u e n t i a l l yc o u p l e dt h e r m a l - m e c h a n i c a l m e t h o dc a nb e a p p l i e d t ot h e p a c k a g i n gp r o c e s sm o d e l i n g u n d e rt h e r m a l m e c h a n i c a l l o a d i n g s t h e e q u i v a l e n tp a r t i c l em e t h o dc a nb ea p p l i e dt ot h ea c fb o n d i n gs i m u l a t i o n t h e d c aa n ds t m v p mc a nb ea p p l i e dt om o i s t u r ed i f f u s i o na n dv a p o rp r e s s u r e e v o l u t i o nm o d e l i n gf o rh i g hd e n s i t ye l e c t r i cp a c k a g e t h em e t h o d st os o l v i n g f i l md e l a m i n a t i o ni nt h i sp a p e rh a v eb e e nv a l i d a t e di nt h ec o ga n dc s e k e yw o r d s ：h i g hd e n s i t ye l e c t r i c p a c k a g e ，i n t e r f a c ed e l a m i n a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c h i po n g l a s s ，c h i ps c a l ep a c k a g e i i i 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 f 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名： 舻铖 日期：聊年1 月8 n 指黝师鹤：水 日期：伽7 年，月倨日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 霭膨雠和纠 第一章绪论 1 1 课腰来源 第一章绪论 本学位论文米源于国家自然科学基金面上项阿“超密，、点间距玻璃覆晶( c o g l 模块 制造过程的建模和优化”( i 目资助号：5 0 5 7 5 1 3 3 ) 。 1 2 微电子封装发展过程概述 微屯予产业r 电子信息产业1 已经成为当今信息化时代第大产业，而微电子集成电 路元件正足这第一大产业的代表产品。在一般情况下，用户需要的并不足娇嫩易损的裸 露芯片( 如l 纠1 一l ( a ) 所示) ，而是带有外壳的塑封好的封装模块( 如图1 1 ( b ) 所示) 。封装技 术的狭义定义，就是利用特殊材料以及微互连技术，将构成电了器件的微电了元件以及 其他组成部分，在基板上布置、互连以及安装，实现电子信号输八与输出，通过可塑性 绝缘介质模注塑封，形成与外界环境隔离的工艺技术。广义的封装技术是指将微电子元 件所具有的电子、物理功能，转变为适用了_ _ 不同领域的设备或系统的形式，实现各种系 统功能的综台性科学i 技术 l 】。微电子封装具有机械支撑、信弓传输、物理保护、电源 分配、心力缓和、散热防潮、防氧化、防腐蚀、规格化和标准化等多种功能口j 。 一哆 ( a )( 幽i - i ( a ) 未塑封好的封牲模块( b ) 塑封好的封皱模块 f i 9 1 1 ( 曲n a k e d i ca n d ( b ) e l e c t r i cp a c k a g ea f t e rp a c k a g i n g 上海交通大学博士学位论文 微电子封装技术是伴随着电子元件的发展而发展的【3 】。至今，微电子封装技术已经 经历了数次巨大的革命【4 ，5 1 。2 0 世纪5 0 年代以前为真空管时代，1 9 4 7 年第一只晶体管的 诞生，开创了电子封装的历史。1 9 5 6 年左右出现了硅平面晶体管。1 9 5 8 年世界上出现 了第一块集成电路( i n t e g r a t e dc u r c u i t ，i c ) ，导致了封装外壳( o u t l i n ep a c k a g e ，o p ) 的诞生。 2 0 世纪7 0 年代，半导体产业进入了集成电路时代，微电子封装及技术也进入了飞速发 展的时期，其间出现了双列直插式封装( d u a li n 1 i n ep a c k a g e ，d i p ) 、针栅阵列封装( p i n g r i da r r a y , p g a ) 和表面贴装技术( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y , s m t ) 。2 0 世纪8 0 年代进入 了大规模集成电路( l a r g es c a l ei n t e g r a t e d ，l s i ) 时代，一个硅片已经可以集成上万个晶体 管或者门电路。随着表面贴装技术的成熟，表面贴装器件( s u r f a c em o u n td e v i c e ，s m d ) 开始问世，其典型代表是表面外形封装( s u r f a c eo u t l i n ep a k c a g e ，s o p ) 。在这一时代，表 面贴装型的带有引脚的各种小型封装纷纷问世，电子封装呈现多样化态势。 进入2 0 世纪9 0 年代的超大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d ，v l s i ) 时代， 出现了将引脚布置于封装四边的四侧引脚扁平封装( q u a df l a tp a c k a g e ，q f p ) 并n 带载封装 ( t a p ec a r r i e rp a c k a g e ，t c p ) 。在裸芯片微互连技术中，占主导地位的是引线连接( w i r e b o n d i n g ，w b ) 技术。此技术是在芯片的周边布置输入输出0 o ) 焊区，在一定压力下，通 过与搭载、固定芯片的布线焊区用会属细丝实现电气连接。但是，近年来随着微电子集 成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，微电子集成电路技术以惊人的速度 发展着，每一块芯片上的集成度按摩尔定律以每1 8 个月翻一番的速度增加，随机存储 器的输入输出端子数也按r e n t 定律急速增长，半导体芯片在尺寸不断减小的同时，向 多引脚、窄节距方向迅速发展【6 j 。所以，随着输入输出端子数增加，引脚节距变窄，引 线连接的工艺难度不断加大，它已不能适应高密度微电子封装的要求1 7 岿】。 进入2 1 世纪的特大规模集成电路( u l t r al a r g es c a l ei n t e g r a t e d ，u l s i ) 时代，为了应对 高密度、超小型、多端子封装的迫切需求，球栅阵列封装( b a l lg r i da r r a y , b g a ) 等超小 型封装类型应运而型9 , 1 0 1 。球栅阵列封装一经出现便成为中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s i n g u n i t ，c p u ) 等超大规模集成电路的高密度、高性能、多功能封装的最佳选择。这类封装 不是在器件的周边、而是在基板下面按阵列方式引出球形端子，可以在端子窄节距的情 况下实现多引脚，而且引脚强度好，不容易变形，失效率低，封装密度高，散热性能强， 重量轻，寄生参数小，信号传输速率快，实装成本低。随着芯片封装密度的进一步提高， 在球栅阵列封装的基础上又出现了芯片级封装( c h i ps c a l ep a c k a g e ，c s p ) 矛i j 晶圆级封装 ( w a f e rl e v e lp a c k a g e ，w l p ) 。 随着高密度芯片封装类型的迅猛发展，微互连技术也以惊人的速度蓬勃发展着。近 年来，最为引人注目的新型微互连技术是倒装芯片技术( f l i pc h i p ，f c ) ，几乎所有的高密 2 第章绪论 度芯片封装类型都应用了这先进的微瓦连技术【】”。倒装芯片微互连技术是将芯片以倒 扣的方式，利用一【流焊工艺，通过芯片表面凸点焊球与基板上相应的焊盘形成电气导通， 或者通过粘结膜使芯h 与基板形成机械连接。倒装芯片微连技术使得封装类型实现了 小型化甚至超小型化能够实现更高擀度的信号、功率以及r 包源的互连，提高了信号传 输和处理速度，降低了杂散电容和寄生电感，同时提高了整个封装模块的可靠性和散热 能山，能够与表面贴装技术相兼容，在批量生产上能够大大降低成本l i “。 综合以【介绍，本文将整个微电子封装产品、类型和技术的发展过程总结如图1 2 所示。从图中可以看出，以球栅阵列封装为代表的高密度芯片封装类型和应用倒装芯片 微互连技术的封装模块，都可以归纳为商密度芯片封装【i ”j 。 目1 2 微电于封装垃展j 三毒、一，一7 f i g1 - 2d e v e l o p m e n to f m l c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n g 上海交通大学博+ 学位论文 1 3 高密度芯片封装中界面分层的特点 2 1 世纪以来，以球栅阵列封装为代表的超小型封装类型和以倒装芯片封装为代表的 先进微互连技术大大推进了高密度芯片封装的进程【1 5 , 1 6 】。高密度芯片封装的封装类型千 差万别，但是其中芯片与基板之间的机械连接都是通过一层高分子粘结膜来实现的 1 7 - 1 9 1 。这一层高分子粘结膜具有优良的耐热性、电绝缘性、密着性和介电性，能够较好 的满足芯片与基板之间的机械连接要求。粘结膜一般包括以下成分： 1 粘结剂：为粘结膜的主体( 占8 0 以上) ，决定了粘结膜的基本物理机械特性，是粘 结膜配方中起粘结作用的物质；主要成分是环氧树脂。 2 固化剂：直接参与化学反应以及加速化学反应、使粘结剂发生固化的物质，可使单 体或低聚物变为线型高聚物或网状体型高聚物，又被称为交联剂；主要成分是胺类、 酸酥类和双氰胺类。 3 溶剂：用束降低粘结剂粘度和固体成分浓度的液体物质；主要成分是具有活性基团 分子的高分子材料，这些活性基团分子能够参与固化反应，能够增加粘结膜的润湿 能力和分子活动能力。 4 填料：为提高粘结剂机械性能而加入的一种非粘性固体物质；主要成分是无机化合 物，如矿物质、氢氧化物、金属氧化物、金属粉末等。 5 其他添加剂：如增加表面粘度的增稠剂，增强粘结膜与被粘结物之间粘结强度的偶 联剂，改善粘结剂脆性并提高其韧性的增韧剂，改变触变性能的触变剂。 可见，高密度芯片封装中芯片与基板之间的粘结膜都属于热固型高分子化合物。它 们虽然能够较好的满足高密度芯片封装机械连接的基本要求，但是从机械性能来看它们 具有一些相似的缺陷： 1 经高温固化之后的产物松脆，一旦受到外部冲击力或内部应力的变化，极易开裂并 形成界面分层。 2 粘结膜固化物的交联度较高，具有较多能够储存湿气的孔隙，从而降低粘结膜机械 性能。 由于以上一些缺陷，当粘结膜分子与芯片原子之间的连接、或者粘结膜分子与基板 分子之间的连接遭到外部或内部应力而削弱甚至破坏时，粘结膜与其粘合物的界面就会 产生裂纹；如果裂纹因为外部或内部应力持续作用而扩展时，就会发生粘结膜和芯片( 如 图1 - 3 ( a ) 所示) 或者粘结膜和基板( 如图1 - 3 ( b ) 所示) 的界面分层。粘结膜界面分层是破坏 芯片与基板之间机械连接、导致封装结构失效、降低封装模块可靠性的主要原因【2 0 2 2 】。 4 第一章绪论 所| 三l ，应用于高密度芯片封装中的粘结膜存机械性能方面具有很强的共性：类似的机械 强度、相同的固化过程、相同的机械连接作用以及类似的机械性能缺陷一界面分层1 ”- 2 5 l 。 因为这些共性，本文将应用于高密度芯片封装- ，连接芯片与基板的粘结膜作为研究对 象，研究其机械连接的可靠性能解决其主要失效模式一界面分层。 界面 粘结 基板爨驾呈重 自| = ，e l t0 图i - 3 ( a ) 粘结膜，芯片界面分层( b ) 粘结膜基扳界面分层 f i 9 1 3 i n t e r f a c ed c i a m l n a t i o no f ( a ) f i l m ca n d ( b ) f i l r a s u b s t r a t e 值得指出的足，在普通芯片封装中，芯片与基板之间的机械连接足通过粘胶柬实现 的。但是对于高密度芯片封装，粘胶流动币规则现象非常明显，极易引起薄型芯片的断 裂，所以枯胶不再适用于高密度芯片封装而是改用上文叙述的厚度较薄且均匀的粘结 膜。随着高密度芯片封装的尺寸不断减小，粘结膜的厚度进一步减薄，粘结膜界面分层 r 趋频繁并且更为严重，主要可以分为内部原因和外部原因。 内部原因丰要是： 1高密度芯片封装中粘结膜的厚度与普通芯片封装中粘胶的厚度相比要薄根多，粘结 膜的机械连接作用就会人人降低，在相同的外部应力或内部应力作用下，高密度芯 片封装中的粘结膜更容易产生界面分层。 2随着封装材料无铅化趋势的发展，封装、焊接工艺要经受的温度越柬越高( 无铅回 流焊峰值温度达到2 6 0 0 c ) 。为了提高粘结膜的耐热性必须要提高粘结膜( 同化物) 的交联度。交联度的提高导致粘结膜中吸水的孔隙数目增加，从而提高丁粘结膜的 吸水率。吸水率的提高使得粘结膜机械性能变差，从而容易发生界面分层。 3 高密度芯片封装中粘结膜的材料性质与普通芯片封装中粘胶的材料性质有较大的 小唰，高温f 材料的模量下降更快机械强度更低。 4粘结膜的界面结合强度比粘胶的界面结合强度要低。 外部原因主要足： i随着封装材料无铅化的推广，吲流焊的峰值温度已从原来的2 2 0 。c 川高至2 6 0 。c ， 更为恶劣的环境温度更容易引起粘结膜的界面分层。 上海交通大学博士学位论文 2 粘结膜越薄，对基板表面粗糙度的要求就越高，基板表面任何微小的缺陷或者污物， 都有可能引起严重的界面分层。 由此可见，高密度芯片封装中的粘结膜界面分层比普通芯片封装中的粘胶界面分层 要严重得多。如何有效的解决高密度芯片封装中的粘结膜界面分层问题，已经成为微电 子封装可靠性领域最为重要和热门的研究课题之。为此，本文选取玻璃载芯片封装 ( c h i po ng l a s s ，c o g ) 和芯片级封装( c h i ps c a l ep a c k a g e ，c s p ) ，分别研究其界面分层问题。 玻璃载芯片封装和芯片级封装属于典型的高密度芯片封装，本文选择这两种封装类型， 主要有以下三点原因： 1 玻璃载芯片封装主要应用于液晶显示屏驱动芯片的封装，芯片级封装主要应用于闪 存模块的芯片封装。这两类产品具有很大的应用市场，因此选取这两种封装类型作 为应用实例具有较高的实用价值。 2 由于高密度芯片封装的超薄化趋势，这两类封装模块的厚度逐渐趋于薄型化。粘结 膜的界面分层在超薄玻璃载芯片封装和超薄芯片级封装中尤为严重，解决这两类封 装类型的界面分层具有比较重要的意义，对于解决其他高密度芯片封装的界面分层 问题也具有借鉴意义。 3 玻璃载芯片封装中的界面分层与封装工艺和封装参数关系密切，这一封装类型的界 面分层研究能够有助于其他受封装工艺和封装参数影响的界面分层研究；芯片级封 装的界面分层主要受湿气灵敏度试验中的湿气扩散和蒸汽压变化的影响，所以这一 封装类型的界面分层研究，能够通过一定的推广应用于其他因湿气和蒸汽压而导致 的界面分层的研究。 基于以上三个原因，本文将选取玻璃载芯片封装和芯片级封装作为应用实例，分别 研究其界面分层数值模拟方法、分层机理以及分层解决方案。下文将详细论述超薄玻璃 载芯片封装和超薄芯片级封装的界面分层的特点。 1 3 1 玻璃载芯片封装界面分层的特点 倒装芯片微互连技术是面向高密度芯片封装的先进技术，其中包括可控塌陷芯片连 接技术( c o n t r o l l e dc o l l a p s ec h i pc o n n e c t i o n ，c 4 ) 、钉头凸点技术( s t u db u m pb o n d i n g ， s b b ) 、机械接触互连技术( m e c h a n i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u e ，m i t ) 和玻璃载芯片技术。 可控塌陷芯片连接法是将芯片电极上制作的焊料凸点通过回流焊倒装芯片焊接到基板 焊盘上【2 6 , 2 7 1 。钉头凸点法是将金丝在高温下形成的钉头凸点外敷导电材料，倒装芯片连 6 第一章绪论 接到涂有导电材料的基板金属焊盘上，再填充下填料，经加热固化后，形成牢固的机械 和电气连接【”删。机械接触互连法是在基板金属焊盘上涂敷可光固化的高分子材料，倒 装芯片同时进行加压和紫外线( u l t r a v i o l e t u v 涸化，形成芯片八l 点与基板金属焊盘的机 械接触互连”“j 。 在倒装芯片微互连技术中，玻璃载芯片技术是其重要的一个分支”“。玻璃载芯片 技术主要用于液晶显示屏( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , l c d l 的驱动芯片的封装。随着电子产品 的r 泛普及，显示仪器作为最通片j 的用户- 机器界商其重要性在当今的信息社会诈在不 断的提升。液晶显示器j r 在成为晟重要的显示仪器，广泛应用于各种各样的显示领域， 例如笔记本电脑、监视器、甲板电视、手机、视听产品和多媒体产品等等；尤其在便携 移动显示领域，它更是具有独一无二的优势。在以上提到的四种倒装芯片微互连技术中， 仅柯j 赶用备向异性导电膜( a n i s o t r o p i e c o n d u c t i v ef i l m ，a c f ) 的玻璃载芯片技术能够应用 于液晶显示器驱动芯片的封装。所以，随着高密度、高清晰、超薄化的液晶显示器的发 展，玻璃载芯片判装技术的重要性越柬越突出。 应用这一技术得到的封装模块如图l 一4 ( a ) 所示。芯片通过一种特殊的粘结膜一各向 异性导电膜与玻璃基板相连。各向异性导电膜由导电颗粒和环氧树脂基材组成，导电颗 粒均匀分布在环氧树腊基材中。环氧树腊基材为热崮性高分子材料。导电颗粒由聚苯乙 烯微球以及其表面的镍镀层组成如图1 4 ( b ) 所示。聚苯乙烯微球通过分散聚合法进行 制备l 3 5 1 ，镍镀层通过化学镀进行制各 3 6 1 。在高密度液晶显示屏驱动芯片的封装应用中 导电颗粒的直径一般为3 u m - 5 u m 。封装过程中被压缩的导电颗粒实现了芯片上的金凸点 与玻璃基板i ，相应的导电线路之间的电气连接固化以后的环氧树脂提供了芯片与玻璃 之间的机械连接口7 1 圳。因此，从机械性能的角度来讲，各向异性导电膜也可以被视为芯 片和基扳之m 起机械连接作用的粘结膜。 ：均翟耋鏖 金凸点f _ _ 烹烹_ - 一_ 圈1 - 4 ( a ) 玻璃载芯片封装结构和( b ) 导屯颗粒结构 f i 9 1 4s t r u c t u r eo f ( a ) c h i po n g l a s s ( c o g ) p a c k a g ea n d ( b ) c o n d u c t i v ep a r t i c l e l 墒交通大学博士学位论女 廊用各向异性导电膜的玻璃载芯片封装过程如圈l 一5 所示。如图1 5 ( a ) 所示，并向 异性导电膜被贴敷在刻有氧化铟( i n d i u m t i n o x i d e ，i t o ) 导电线路的玻璃