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SiP技术是后摩尔定律时代的主流工艺技术之一,但SiP复杂的工艺结构也带来了巨大的可靠性挑战,其中热应力引起的SiP失效问题较为突出。本文利用有限元分析软件COMSOL对典型的SiP结构SWIFT工艺建立热应力分析模型,研究SWIFT结构温度变化情况下的翘曲问题和关键结构微凸点热应力分布情况,分析了不同材料和结构参数对SWIFT结构翘曲和微凸点热应力的影响。利用实验设计方法进行多因素统计分析处理并获得相应的结构优化设计方案,重点针对微凸点热应力可靠性问题提出了田口—响应曲面两步优化法,显著提高了SWIFT结构微凸点可靠性,有望有效地降低SiP研发周期和成本。本文主要成果如下:(1)利用有限元分析法研究SWIFT结构翘曲失效问题。通过有限元仿真软件COMSOL针对SWIFT结构的过模厚度、基板厚度与结构翘曲的关系进行了仿真研究。结果表明SWIFT结构的翘曲随着过模厚度的增加而近似线性增大,在过模厚度从0mm到0.4mm范围内,过模增大0.1mm,SWIFT结构的翘曲约增大0.8μm。但是SWIFT结构翘曲随着基板厚度的增加结构的翘曲反而减小,在基板厚度从0.3mm到0.7mm范围内,基板厚度每增加0.1mm,结构的翘曲约减小1.1μm,所以在考虑单因素水平的SWIFT结构翘曲时,应该选择更薄的过模和更厚的基板结构模型,仿真结果与双层板模型翘曲理论分析结果一致。同时,不同的环氧塑封料材料对SWIFT结构的翘曲也有较为明显的变化,利用有限元分析软件COMSOL比较不同环氧塑封料材料对SWIFT结构翘曲的影响表明,热膨胀系数越大的材料,在相同环境下,SWIFT结构的翘曲也会越大。(2)利用有限元分析法研究SWIFT结构微凸点的热应力与可靠性。根据微凸点的应变速率关系可知微凸点热应力分布的极值点是微凸点最容易失效的地方。利用有限元分析软件COMSOL在温度循环的条件下对SWIFT结构微凸点的热应力进行仿真研究,实验结果表明微凸点热应力的极值点主要分布在外围区域,说明外围处微凸点是最有可能失效的地方。针对SWIFT上下层结构,对比分析SWIFT结构上下层微凸点热应力,选取过模厚度作为变量进行仿真研究,结果显示底层微凸点的热应力总是比顶层微凸点热应力大,说明SWIFT结构微凸点失效主要集中在底层外围微凸点上。所以,选取SWIFT结构底层外围的微凸点作为研究对象,分析温度循环下底层外围微凸点的热应力分布与时间的关系,发现蠕变作用明显。参考微凸点疲劳蠕变寿命关系,利用基于塑性应变的Coffin-Manson模型和基于能量的Morrow模型分别对微凸点的寿命进行预测,Coffin-Manson模型的预测寿命为1364周期,Morrow模型的预测寿命是1524周期,同时两种模型寿命预测最可能失效位置是一致的,位于微凸点上下层交界面。最后,针对目前流行的Dry Film材料作为再分布层材料与传统的PI和PBO材料进行对比分析,结果表明PI材料的微凸点热应力最低。(3)提出田口——响应曲面两步优化法对SWIFT结构进行优化设计。在SWIFT结构设计阶段,利用实验设计方法,基于SWIFT结构热应力的仿真,对SWIFT结构进行优化设计。利用田口方法对影响SWIFT结构翘曲的关键因素进行实验优化设计分析,实验处理结果表明在选择基板厚度为0.3mm,过模厚度为0mm,再分布层厚度为0.15mm,环氧塑封料选择G700L,裸芯片厚度为0.2mm时,SWIFT结构翘曲最小,为18.6μm。基于结构优化设计流程,建立田口——响应曲面两步优化法对微凸点可靠性问题进行优化分析。首先利用田口方法对影响SWIFT结构微凸点热应力关键因素进行实验设计分析,优化分析结果显示选择的再分布层厚度为0.15mm,裸芯片层厚度为0.1mm,微凸点宽度为0.3mm,微凸点高度为0.2mm,再分布层材料为PBO,环氧塑封材料为CEL400ZHF,过模厚度为0mm时微凸点热应力最小为160.1MPa。然后结合响应曲面法选择关键性因素对微凸点热应力进行进一步优化分析表明,微凸点的宽度为0.3mm,微凸点的高度为0.2mm,再分布层厚度为0.13mm和裸芯片层厚度为0.15mm时微凸点热应力大小为154Mpa,相较于第一步提高了3.75%。基于田口方法的讨论结果,综合考虑SWIFT结构的翘曲和微凸点的热应力,得到了相对优化的结果,此时环氧塑封料选择CEL4002HF,再分布层材料选择为PBO,裸芯片层厚度选择为0.2mm,基板厚度选择为0.5mm,SWIFT结构的翘曲为25.5μm,微凸点的Von Mises热应力为159.7MPa。除此之外,针对综合失效问题,提出了一套优化流程,利用此流程最终的结构翘曲为21.9μm,微凸点的热应力为160MPa,相比与单个失效模式而言更加平衡。