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微电子封装可靠性问题一直是理论界和工程界共同关心的热点问题之一。封装用模塑封材料(Epoxy Molding Compound,EMC)的开裂以及回流焊过程中的爆米花现象,是导致封装器件失效的主要因素。一般的认为开裂的来源有以下三点: 1)模塑封材料在固化过程中硅粒子和树脂基热膨胀系数失配产生的热应力。 2)固化时,化学收缩受到内在的或外在的几何约束导致的残余应力。 3)回流焊时,EMC内部存储的湿气气化,产生蒸汽应力,蒸汽压力超过临界值。 目前国内外学者对微电子封装器件内部各材料间界面的分层研究众多,而且考虑了湿气和热的影响。但是对模塑封材料内部填充粒子与环氧树脂基的开裂研究较少,并且对这种微观的开裂通常只是采用实验的方式,通过电子显微镜观察内部的微观裂纹的状态。另外在残余应力方面,由于橡胶态模量的值可以用来衡量残余应力的大小,因此通常都是对EMC材料进行DMA实验,测得橡胶态模量随固化度变化的关系,由此来表征残余应力的大小。但是这种实验既耗时又昂贵,如果能在充分了解粒子和环氧树脂性能的基础上对整个合成物进行机械特性的预测,无论对设计者选择材料、封装结构优化和工艺参数优化,还是降低成本,提高封装可靠性方面都有极大改善。 本文主要研究EMC内部硅粒子和环氧树脂之间的热应力和EMC内部微观裂纹的扩展,并建立了用来描述固化过程中橡胶态模量随固化度演变的微机械模型方法,研究的内容包括以下几个方面: 1.建立了EMC材料的微观机械模型,对粒子和树脂基之间的热机械应力进行了深入的分析。对粒子与树脂的热机械应力分布做了模拟,并考虑了粒子浓度、热载荷加载速度、填充粒子形态、约束条件、粒子排列顺序对热机械应力的影响。用这种微观机械模型的方法可以详细的描述模塑封材料在承受热载荷时内部单元体的热机械应力的分布和变化情况,目前这种方法研究热机械应力还比较少。 2.建立了三种基于固化的橡胶态模量的微机械方法的模型,在实验结果的基础上,研究了固化过程中橡胶态模量的变化,对比了三种模型的适用性及其存在的不足。用这种方法进行橡胶态模量的研究,可以节省时间并减少DMA实验的次数。 3.对EMC材料内部的裂纹的扩展进行了详细的研究,分别预制了三种裂纹,通过J积分的方式考虑了回流焊过程中初始裂纹位置以及长度对裂纹扩展的影响。