高密度塑封电子元件中的湿热断裂实验与数值模拟研究

高密度微电子塑封器件结构复杂、具有多层微结构，在湿、热作用下常出现不同材料界面间的分层断裂失效，尤其是采用无铅化工艺之后，由于无铅焊料熔点高，回流焊温度随之提高，导致吸湿器件分层断裂问题更为严重。本项目拟对封装器件中不同材料界面间的断裂实验和模型、湿、热及应力耦合的分层断裂进行数值模拟研究。主要研究内容包括：(1) 湿、热导致的封装器件分层失效模式及机理；(2) 吸湿材料性能的变化，湿、热对不同吸湿材料界面（有填充颗粒的聚合物与芯片、基板等界面）断裂韧度的影响；(3) 湿、热和应力耦合下的混合断裂分析、湿扩散实验、模型及湿热分层断裂计算分析。通过本项目的研究，一方面是提出合理的断裂模型和计算分析方法，对高密度塑封器件湿热分层断裂失效的问题进行合理分析；另一方面为发展更高密度的新型封装器件分层断裂问题提供参考。

轻薄便携应用电子的广泛应用不断推动微电子封装技术向高密度、高性能、小尺寸方向发展。叠层芯片封装是高密度封装的一种形式，常用于便携电子设备中。本项目围绕叠层芯片塑封器件中最常见、也是一直没有得到完全解决的、湿热导致的分层断裂问题进行了一系列研究：针对封装器件中关键界面Epoxy/Cu、Epoxy/PCB、EMC/Cu等，设计了新的测试夹具，在干燥、不同吸湿条件进行了混合模式断裂的大量测试，解决了测试方法等问题，获得了断裂参数及其随吸湿的变化趋势；对含有湿热的断裂分析进行了讨论，建立了相应的断裂判据；针对实际的2芯片和5芯片叠层封装器件进行了湿热可靠性实验，利用超声显微镜（CSAM）、X-Ray显微镜和电子显微镜等测试手段对湿热影响下的分层失效进行深入的分析和总结、获得了相关的失效机理和规律；依据实际器件的结构并基于含湿热的断裂理论，采用有限元法计算分析了湿热作用下，器件中微孔洞附近的应力及微裂纹的断裂分析，得到了主要影响因素和相关规律；最后利用实验验证了包括叠层芯片封装的封装叠层（Package On Package）的热传导模型，并进行了热应力和断裂分析。整个项目的工作形成了对高密度封装中分层断裂分析的成套方法和湿热分层断裂韧度的实验测试方法，所获得的测试数据和规律对高密度封装设计具有指导意义和参考价值。