芯片-封装交互影响分析方法和低K介质断裂机理研究

When the fragile Low-K/Ultralow-K (LK/ULK) materials are incorporated into the copper interconnections of advance chips with 40nm technical node and below, fractures of the LK/ULK materials prevail in the key steps of flip-chip packaging. The problem decreases heavily the yield of the chip packaging, which is so-called the Chip-Packaging Interaction (CPI). CPI has become a bottle neck in applications of the advance chips. The four crucial scientific problems of CPI are focused, (1) the appropriate multiscale computational methods; (2) the variation rules of the ULK materials' mechanical performances; (3) the fracture mechanism in the ULK or along ULK-Cu interfaces; (4) the relationships between the mechanical shear and the shear by the thermal mismatch. Aiming at the above issues, we will perform the following major researches: developing a novel global-local three-dimensional finite element analysis with experimental verifications; studying the ULK mechanical performance and testing methods of its fracture parameters; investigating the fracture criteria for the ULK and ULK-Cu interface; exploring an effect method of the copper bump shearing for evaluating the reliability of CPI; carrying out parametric studies to reveal the important factors for CPI. We can finally have comprehensive analysis methodologies, understand the mechanism of ULK failures and establish a criterion for rapid judgment of the CPI reliability. The project researches will solidify the basis of advance chip packaging applications and provide the reference and guidance for CPI reliability design of the 40nm and below advance chips.

40纳米以下的先进芯片，铜互连中的低/超低介电系数（LK/ULK）材料力学性能脆弱，在Flip-Chip封装中易出现断裂，导致芯片封装良率大幅下降，即所谓芯片—封装交互影响（CPI）问题，已成为制约其应用的重要问题。针对CPI问题中跨尺度计算分析方法、LK/ULK材料力学性能变化规律、ULK材料及其界面断裂机制、Cu凸点机械剪切与热失配剪切对应关系四个关键科学问题，本项目拟发展并实验验证用于CPI问题的整体-局部三维有限元分析方法；研究LK/ULK材料力学性能、断裂参数测试方法；建立LK/ULK及其界面失效断裂判据和分析方法；探索剪切Cu凸点判断CPI可靠性的新方法，通过参数化分析获得与CPI相关的主要因素。最终形成对CPI问题中LK/ULK失效破坏机理的完整认识和有效分析方法，建立快速判定CPI可靠性的方法，为40纳米以下先进芯片封装应用提供基础研究保障并为其可靠性设计提供参考和指导。

先进芯片在封装过程中失效，尤其以芯片上Low-k材料出现失效破坏最为常见，即所谓的芯片-封装交互影响（CPI，Chip-Package Interaction）问题。针对CPI可靠性问题，项目完成了以下四方面的研究：1）开发了针对CPI问题的整体-局部三维有限元分析方法，通过该方法成功获得了芯片布线层Low-k材料中的应力分布，并进一步探索了多种封装参数对Low-k材料中应力的影响，确定了主要影响因素；2）结合实验和计算分析，建立了铜凸点机械剪切与一定温度变化范围内热失配剪切相对应的关系，由此可通过机械剪切对芯片Low-k材料热机械失效进行快速判定和分析；3）采用与实际微加工工艺相一致的制备方法获得样品，利用纳米压痕、原位拉伸等测试分析方法针对多种Low-k材料进行基本力学性能和断裂性能的研究，获得了一系列Low-k材料的力学性能参数；4）结合CPI问题的整体-局部三维有限元分析方法，对先进芯片后布线层中low-k内部断裂及其相邻材料界面断裂的问题进行了断裂分析，获得裂纹扩展规律及相应的重要影响因素。.通过上述研究，发展了有效的CPI整体-局部有限元分析方法，获得CPI密切相关的影响因素；建立了通过铜凸点机械剪切对CPI热失配应力可靠性进行快速判定的方法；探索了Low-k材料力学性能参数表征方法并获得相关材料参数；通过Low-k材料及界面断裂分析，得到失效断裂机制和影响因素。项目总结了先进芯片封装过程中CPI问题的失效机理和影响规律，形成对先进芯片封装过程中Low-k材料失效破坏的深入认识和分析方法，为45纳米以下工艺节点的先进芯片CPI可靠性设计提供有益的参考和应用基础。