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叠层QFN器件中同时集成了多个芯片,功能极为强大,但这种高密度封装方式大大增加了失效的风险和设计的复杂度,尤其是这种芯片堆叠的封装形式,在叠层QFN器件制造和使用过程中,极易产生界面层裂失效。本文在国家自然科学基金项目“微电子封装中的界面层裂失效和界面强度可靠性设计方法”的资助下,针对叠层QFN器件在热、湿因素影响下的一系列界面强度可靠性问题进行了研究,并在此基础上探索器件结构参数对界面可靠性的影响。主要研究内容及结论如下: 1.环氧模塑封材料(EMC)的粘弹性特性实验表征。粘弹性是EMC的一种重要动态力学行为,准确表征这一特性对EMC材料在有限元中正确建模是相当重要的。通过动态热机械分析(DMA)实验获得了EMC的粘弹性材料特性,对实验数据进行处理,最终可获得松弛时间与松弛系数等建模所需参数。 2.对叠层QFN器件的界面可靠性问题进行分析。首先对叠层QFN器件界面间湿气扩散情况进行分析,经过湿气预处理以后,EMC材料大部分接近饱和,母芯片(mother die)与铜引脚(leadframe)之间尤其是芯片拐角处的芯片粘接剂(DA)已达到了饱和状态。接着对湿热集成应力下的叠层QFN器件的翘曲情况及最大主应力分布进行研究。研究发现器件经过湿气预处理后比未进行预处理前翘曲值增加了30.28﹪。器件最大主应力出现在回流焊峰值温度为260℃时,母芯片下表面中心部位,应力值高达95.59MPa。可见DA/mother die或DA/leadframe界面极易发生层裂失效。最后还对可靠性测试中叠层QFN器件DA/leadframe界面层裂现象进行了模拟。采用内聚力模型法(CZM)预测出裂纹首先由底部芯片边角处产生,然后向两边扩展,若继续增加载荷,则有可能导致DA/leadframe的整个界面发生分层开裂。用J积分法对界面层裂扩展进行分析,得到与CZM一致的结论。但在预测界面裂纹产生方面,CZM比J积分法方便。 3.对叠层QFN器件的结构参数优化进行了初步探索。选取10个结构参数作为可控因子,并选择界面损伤值(damage)作为响应变量。利用MINITAB软件,首先采用Plackett-Burman设计对10个因子进行初步筛选,将效应不显著的因子删除。然后再用全因子试验设计对保留下来的5个因子进行因子效应及其交互作用的分析,进而选出效应最显著的3个因子,即封装体的长度、母芯片的长度与厚度。接着用响应曲面法确定回归关系并求出最优结构参数组合为:封装体的长度应取8mm,母芯片的长度应取3.5mm,母芯片的厚度应取0.25mm。最后对最佳参数设计进行验证,将最佳参数组合代入有限元Marc中进行计算,得到damage的值为0.5017,而damage原始值为0.5568,可见优化以后damage值降低了9.9﹪,最佳设计参数比原始设计参数的界面强度有显著提高。 本文的研究成果对探究叠层QFN器件界面层裂的根源做了初期准备,对器件界面强度可靠性的提高以及器件的设计制造提供了一定的参考价值。