微系统封装高密度互连界面行为的试验和微极模型研究中国力学学会.pdfVIP

微系统封装高密度互连界面行为的实验和微极 模型研究1) *，2) ** 张 燕 樊靖郁 * （中瑞联合微系统集成技术中心，上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072 ） ** （上海市应用数学和力学研究所，上海大学，上海 200072 ） 随着电子产品小型化、便携化、集成化发展趋势以及芯片制造技术的飞速发展，出现了许多适 应提高封装密度和减小封装尺寸要求的先进封装技术和封装形式。其中，芯片倒装技术在超大规模 IC 封装中大量采用，其特点是芯片表面凸点尺寸和间距的大幅度减小，以满足 I/O 数不断增加的需 要。芯片倒装技术中普遍使用的互连材料包括焊料和导电胶，其中后者由于键合温度低、适用范围 广、无需助熔剂或清洗过程、环境友好（无铅）、适合极细小间距封装等，近年来在微电子芯片封装 技术中发展非常迅速，并成为目前最有前途的高密度互连技术之一。 导电胶通常以环氧或硅树脂为基体，添加导电填充物，在有效导电的同时还可以提供优越的机 械粘结力，减轻系统尺寸与重量。以导电胶作为连接材料的高密度封装体系，包含异质材料种类更 多、器件几何尺寸更小。由胶基体、导电填料与芯片端口所形成的互连界面，其多尺度效应将变得 非常突出。由于界面的宏观性能是基于其微细观结构及其分布的响应，互连界面内微结构在各种外 加载荷下的变形特征（如在服役过程中存在的各种机械和热载荷所引起的应力集中）和失效模式（界 面分层导致的键合失效、电连接通路断开、机械性能下降等）对芯片互连乃至整个封装系统的可靠 性和使用寿命起决定性作用。 本文针对导电胶连接所形成的高密度互连界面材料和尺度特征，以界面内代表性微结构为着眼 点，采用包含尺度参数的微极理论，建立多尺度界面失效分析模型。为精确描述尺度细小的微结构 受载变形，以高阶表达式得到对界面区微观变形场的描述。同时在微观层次引入内聚力模型，表征 微结构内异质材料接触面之间可能出现的的分层损伤萌生、发展的微观失效过程。然后，采用均匀 化方法得到基于微结构的界面宏观响应。将多尺度界面失效理论模型以有限元方法实现，对各向异 性导电胶形成的芯片互连界面进行数值模拟。同时，实验测量芯片互连体系的受载变形特征。分析 互连界面受载变形后的应力应变特性，从而得到在热循环过程中，应力（包括微极理论引入的偶应 力）随温度加载的响应过程，进而得到对连接可靠性的预测。 关键词 微系统封装，高密度互连，界面行为，微极模型，可靠性 1) 国家自然科学基金、上海市浦江人才计划（08PJ14054 ）和上海市教委科研创新项目（09YZ01 ）资助 2) E-mail: yzhang@ THE DESIGN OF MICROSTRUCTURE TOPOLOGY OPTIMIZATION FOR POLYMER NANOCOMPOSITES* ∗ Wei min Zhang*, Sai Yu, Wei He, Ya Li, Ping Zhang, Xuhui Deng, Chunyuan Zhang College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan, Hunan 411105, P. R. China ABSTRACT: The so-called polymer based nanocomposites is the polymer/layered silicate (PLS) nanocomposite with layered silicate as its dispersed phase that produced by using the special method of intercalating polymerization and melt intercalating. Layered silicate