本文關(guān)鍵詞：電子封裝結(jié)構(gòu)超聲顯微檢測與熱疲勞損傷評估

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【摘要】：隨著21世紀(jì)3D封裝時(shí)代的到來，微電子產(chǎn)品功能多樣化及結(jié)構(gòu)小型化，使得電子封裝器件的功率密度越來越大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，熱管理問題越加嚴(yán)重。研究表明，微電子產(chǎn)品的失效率隨溫度的升高呈指數(shù)增長，微電子產(chǎn)品的工作溫度每升高10℃，其失效率增加一倍；據(jù)統(tǒng)計(jì)，55%的電子產(chǎn)品失效是由于溫度過高引起的，熱失效已經(jīng)成為電子產(chǎn)品的主要失效形式。 從物理上看，電子封裝結(jié)構(gòu)是電子元器件實(shí)現(xiàn)電子電路功能的物理載體，使用過程中由于溫度分布不均以及熱膨脹系數(shù)不匹配，在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)形成熱應(yīng)力場，當(dāng)熱應(yīng)力大于材料失效臨界值時(shí)，便導(dǎo)致電子封裝內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、分層等缺陷。為提高電子封裝結(jié)構(gòu)的可靠性，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)中的缺陷損傷，并探究這些缺陷在使用過程中的發(fā)展和演化規(guī)律，在這些缺陷導(dǎo)致災(zāi)難性事故之前采取措施，防止或減少損失，這牽涉到對電子封裝結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行檢測以及對其疲勞損傷進(jìn)行評估。 電子封裝結(jié)構(gòu)中不同類型的缺陷和不同位置的缺陷，對電子器件性能的影響程度和影響概率是不同的，，有必要研究缺陷形態(tài)和位置對電子封裝結(jié)構(gòu)可靠性的影響。首先，利用超聲顯微檢測方法可以對缺陷的位置、類型、尺寸作出定量的描述。另外，通過電子封裝結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)分析與計(jì)算可以獲得溫度場分布，這樣可以將缺陷狀態(tài)與溫度場作為已知量，建模計(jì)算缺陷附近的應(yīng)力場分布狀態(tài)，通過分析不同缺陷對封裝結(jié)構(gòu)溫度場分布以及缺陷附近熱應(yīng)力大小對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響來定義關(guān)鍵缺陷。然后對關(guān)鍵缺陷進(jìn)行規(guī)范化處理，尋找缺陷類型、位置對電子封裝結(jié)構(gòu)可靠性影響規(guī)律。本文綜合超聲顯微檢測技術(shù)、有限元建模仿真以及熱疲勞損傷理論，提出了一種基于失效物理的電子封裝結(jié)構(gòu)熱疲勞損傷評估方法。結(jié)合能量型熱疲勞模型與非平衡統(tǒng)計(jì)疲勞損傷理論，給出了熱循環(huán)作用下電子封裝結(jié)構(gòu)裂紋演化規(guī)律。并利用加速壽命試驗(yàn)和超聲顯微無損檢測技術(shù)對熱疲勞損傷評估結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。主要研究內(nèi)容如下： （1）依據(jù)超聲顯微檢測基本原理以及超聲掃查成像原理和方法，對超聲顯微掃查系統(tǒng)開展了研制工作，設(shè)計(jì)了超聲顯微掃查系統(tǒng)的硬件框架結(jié)構(gòu)、軟件操作界面等。然后利用瑞利準(zhǔn)則和斯派羅準(zhǔn)則對超聲顯微系統(tǒng)橫向分辨率進(jìn)行理論分析，以及超聲波頻率與穿透深度之間的關(guān)系進(jìn)行分析。采用全波數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)技術(shù)和頻域成像相結(jié)合的方法，提高了電子封裝結(jié)構(gòu)物理缺陷的檢出率和檢測分辨率。最后利用該系統(tǒng)檢測了幾種典型電子封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部尺寸特征以及缺陷擴(kuò)展變化。 （2）基于溫度場理論和熱應(yīng)力理論，利用有限元模擬的方法研究了不同缺陷對電子封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場與熱應(yīng)力場的影響。因此，首先利用有限元分析軟件ANSYSWorkbench建立了電子封裝結(jié)構(gòu)的基本模型，模擬了不同熱生成率條件下封裝結(jié)構(gòu)的溫度場，模擬了不同封裝材料（不同熱傳導(dǎo)材料）對溫度場分布的影響；然后將溫度場結(jié)果作為載荷對封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力分析，同時(shí)模擬了-65℃-150℃熱循環(huán)過程中封裝結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力變化情況；最后，模擬不同缺陷類型和缺陷大小對封裝結(jié)構(gòu)溫度場和熱應(yīng)力場的影響。為研究惡劣環(huán)境下封裝結(jié)構(gòu)的可靠性分析提供一定的參考依據(jù)。 （3）研究了電子封裝結(jié)構(gòu)熱疲勞損傷評估方法。首先，利用失效機(jī)理基本模型形成基于失效物理的電子封裝結(jié)構(gòu)可靠性評估方法。然后對電子封裝結(jié)構(gòu)疲勞損傷失效模型進(jìn)行了研究，分析歸納了幾種典型的疲勞損傷失效模型；最后，綜合超聲顯微檢測技術(shù)、有限元建模仿真以及熱疲勞損傷理論，提出了一種基于失效物理的電子封裝結(jié)構(gòu)熱疲勞損傷評估方法，可用于研究溫度載荷對電子封裝結(jié)構(gòu)缺陷演化規(guī)律的影響以及電子封裝結(jié)構(gòu)熱疲勞損傷評估與可靠性預(yù)測。 （4）基于電子封裝結(jié)構(gòu)熱疲勞失效機(jī)理，結(jié)合能量型熱疲勞模型與非平衡統(tǒng)計(jì)疲勞損傷理論，給出了熱循環(huán)作用下電子封裝結(jié)構(gòu)裂紋演化規(guī)律，并利用電子封裝結(jié)構(gòu)熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)和超聲顯微檢測技術(shù)對裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。首先，分析了電子封裝結(jié)構(gòu)熱疲勞失效機(jī)理，結(jié)合能量型熱疲勞模型與非平衡統(tǒng)計(jì)疲勞損傷理論，建立了電子封裝結(jié)構(gòu)熱疲勞失效模型。然后，利用建立的熱疲勞失效模型對塑料電子封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行理論評估，并利用加速壽命模型計(jì)算了熱可靠性實(shí)驗(yàn)加速因子。最后根據(jù)MIL-STD-883G標(biāo)準(zhǔn)1010.8溫度循環(huán)試驗(yàn)方法對塑料電子封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，使用自主研發(fā)的高頻超聲顯微鏡(C-SAM)，對封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋的傳播速率進(jìn)行測量，驗(yàn)證了電子封裝結(jié)構(gòu)熱疲勞損傷模型評估結(jié)果。 （5）研究了電子封裝金屬互連結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理與空洞演化理論。根據(jù)電子封裝金屬互連結(jié)構(gòu)中的電遷移和熱遷移失效機(jī)理，確定電子封裝金屬互連結(jié)構(gòu)的主要失效模式。通過電子封裝互連結(jié)構(gòu)空洞的產(chǎn)生和演化機(jī)理，提出了電子封裝互連結(jié)構(gòu)中空洞演化的非平衡統(tǒng)計(jì)理論，確定了空洞長大方程與成核臨界半徑和空洞的幾率密度分布函數(shù)，推導(dǎo)了空洞半徑演化方程，為電子封裝金屬互連結(jié)構(gòu)中空洞損傷評估提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN05

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1207138