埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變分析

李 鵬 ,趙魯燕 ,潘開(kāi)林

(1.桂林電子科技大學(xué) 海洋工程學(xué)院,廣西 北海 536000;2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

當(dāng)前,柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)已逐漸成為柔性晶圓級(jí)封裝CWLP(Compliant Wafer Level Package)提升電子產(chǎn)品性能和可靠性的核心技術(shù)之一[1]。芯片熱疲勞及機(jī)械振動(dòng)疲勞失效是顯著影響CWLP 芯片互連結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵。電子產(chǎn)品實(shí)際服役過(guò)程中,通常會(huì)經(jīng)受溫度循環(huán)、外界振動(dòng)等環(huán)境沖擊作用,影響產(chǎn)品性能的同時(shí)對(duì)器件可靠性造成巨大威脅[2]。在航空航天及軍事等領(lǐng)域,振動(dòng)已成為影響電子產(chǎn)品可靠性的重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì),電子設(shè)備中電路組件失效中約有20%是由振動(dòng)和沖擊引起的[3]。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)熱-機(jī)械可靠性已開(kāi)展諸多研究。Fan 等[4]通過(guò)在傳統(tǒng)晶圓級(jí)封裝焊點(diǎn)下增加柔性聚酰亞胺層明顯降低了焊點(diǎn)應(yīng)力,提高了焊點(diǎn)疲勞可靠性;梁穎等[1]建立了晶圓級(jí)封裝柔性凸點(diǎn)三維有限元模型并分析了焊點(diǎn)熱疲勞應(yīng)力應(yīng)變特性;周興金等[3]針對(duì)焊點(diǎn)下填充柔性層的柔性凸點(diǎn)進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析,柔性層有效降低了凸點(diǎn)的熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變。

上述研究結(jié)果表明采用柔性層的柔性凸點(diǎn)可在一定程度上改善柔性晶圓級(jí)封裝中的芯片凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)可靠性。筆者所在課題組前期研究表明[5],采用新型埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)可顯著提升CWLP 器件熱疲勞可靠性。電子產(chǎn)品實(shí)際工作過(guò)程中同時(shí)存在的振動(dòng)或沖擊也在一定程度上影響柔性凸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)可靠性,因此有必要進(jìn)一步針對(duì)隨機(jī)振動(dòng)條件下的埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行互連結(jié)構(gòu)可靠性分析。

本文采用設(shè)計(jì)的新型埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu),應(yīng)用ANSYS 軟件對(duì)柔性晶圓級(jí)封裝芯片進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)條件下的應(yīng)力應(yīng)變分析,探討了隨機(jī)振動(dòng)條件下柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特性及可靠性。研究結(jié)果表明,埋置空氣隙的柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能較好地滿足電子產(chǎn)品的抗振可靠性要求。

1 有限元仿真建模

1.1 埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)

本課題組基于傳統(tǒng)柔性芯片結(jié)構(gòu)和硅微加工工藝設(shè)計(jì)的埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,與相關(guān)機(jī)構(gòu)合作完成的埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)原型如圖2所示。

圖1 埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of compliant bump with embedded air-gap

圖2 柔性凸點(diǎn)實(shí)物原型Fig.2 Physical prototype of compliant bump

1.2 實(shí)體建模

采用上述柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu),以動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片為對(duì)象,依據(jù)器件結(jié)構(gòu)建立單焊點(diǎn)三維有限元模型。整體結(jié)構(gòu)由硅芯片、埋置空氣隙、鈍化層、銅互連結(jié)構(gòu)層、凸點(diǎn)下金屬層、焊點(diǎn)、焊盤(pán)、阻焊膜及PCB 基板等構(gòu)成,結(jié)構(gòu)模型尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure parameters of compliant bump

仿真分析時(shí),為確保模型精度,首先采用Surface軟件模擬焊點(diǎn)外形尺寸參數(shù)以減小形態(tài)建模引起的誤差。為減小計(jì)算規(guī)模,提升分析效率,忽略封裝結(jié)構(gòu)中通孔等微細(xì)結(jié)構(gòu)。在不影響分析結(jié)果的前提下,為簡(jiǎn)化求解,對(duì)建模過(guò)程進(jìn)行如下假設(shè)[6]:(1)芯片內(nèi)部完全接觸,材料連接理想,結(jié)構(gòu)致密,無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷;(2)芯片制造過(guò)程中無(wú)累積殘余應(yīng)力和應(yīng)變;(3)隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)整體結(jié)構(gòu)溫度保持一致。

結(jié)合芯片結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用自上而下建模步驟:先定義體,同時(shí)產(chǎn)生線、面,隨后進(jìn)行布爾操作[7],完成的柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。

圖3 柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體模型Fig.3 Entity model of compliant bump

焊料選用Sn96.5Ag3.5 無(wú)鉛焊料,定義為粘塑性,焊點(diǎn)網(wǎng)格選擇Visco107 單元。該單元由8 個(gè)節(jié)點(diǎn)定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z方向3 個(gè)自由度。其他結(jié)構(gòu)采用Solid226 網(wǎng)格單元,該單元由20 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,各節(jié)點(diǎn)有5 個(gè)自由度,用于分析大撓度和應(yīng)力剛化作用[8]。

定義材料屬性時(shí)假設(shè)封裝結(jié)構(gòu)各組成材料為各向同性、均質(zhì)材料,Sn96.5Ag3.5 焊料合金彈性性能參數(shù)如表2 所示[5],其中,t為材料性能參數(shù)持續(xù)時(shí)間。焊料合金粘塑性本構(gòu)方程材料參數(shù)如表3 所示[5]。為有效描述隨機(jī)振動(dòng)載荷條件下銅互連線應(yīng)力應(yīng)變特征,定義銅材料為彈塑性強(qiáng)化材料,采用雙線性強(qiáng)化模型來(lái)表征[9]。其余材料定義為彈性材料,材料性能參數(shù)如表4 所示[5]。

表2 材料性能參數(shù)[5]Tab.2 Material property parameters[5]

表3 Sn96.5Ag3.5 粘塑性本構(gòu)材料參數(shù)[5]Tab.3 Anand model constants of Sn96.5Ag3.5[5]

表4 封裝結(jié)構(gòu)材料參數(shù)[5]Tab.4 Material parameters of package structure[5]

1.3 網(wǎng)格劃分

ANSYS 提供三種網(wǎng)格劃分方法:自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格和掃掠網(wǎng)格。為保證計(jì)算精度,網(wǎng)格劃分不采用均勻網(wǎng)格且盡可能減少網(wǎng)格單元數(shù)目?；诖?重點(diǎn)研究區(qū)域及附近網(wǎng)格劃分較密集,遠(yuǎn)離區(qū)域則網(wǎng)格劃分較為稀疏[8]。

網(wǎng)格劃分時(shí),利用布爾操作及掃掠劃分,為獲得均勻六面體網(wǎng)格,首先對(duì)單焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型采用控制單元尺寸方法生成掃掠網(wǎng)格;然后通過(guò)拉伸操作等生成整體模型,最后依次合并節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)、線和面[10]。非核心研究區(qū)域采用自由網(wǎng)格劃分,劃分所得有限元模型如圖4 所示。

圖4 柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model of compliant bump

2 隨機(jī)振動(dòng)有限元仿真分析

隨機(jī)振動(dòng)問(wèn)題分析時(shí),需應(yīng)用隨機(jī)過(guò)程理論在激勵(lì)、響應(yīng)和系統(tǒng)特性三個(gè)要素間進(jìn)行求解。進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析前必須得到以系統(tǒng)頻率為主的系統(tǒng)特性,通常需兩個(gè)步驟:頻率分析和隨機(jī)響應(yīng)分析[7]。利用ANSYS 軟件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析時(shí),首先要對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析獲得相關(guān)結(jié)構(gòu)固有頻率,然后進(jìn)行PSD頻譜分析[11]。本文選用Block Lanzcos 法[12]對(duì)振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行提取,分析所得柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的前十階固有頻率如表5 所示。

表5 前十階固有頻率Tab.5 Top ten-order natural frequency Hz

軍用電子產(chǎn)品激勵(lì)頻率通常為5～2000 Hz[13]。柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)第一階頻率是2266.9 Hz,高于軍用電子產(chǎn)品的激勵(lì)頻率,柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)能滿足軍用電子產(chǎn)品對(duì)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)要求。

2.1 載荷條件設(shè)置

設(shè)置隨機(jī)振動(dòng)載荷環(huán)境條件進(jìn)行有限元分析時(shí),將實(shí)際載荷情況簡(jiǎn)化為穩(wěn)定溫度作用外加隨機(jī)振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析。隨機(jī)振動(dòng)基本特征是不可重復(fù)性和不可預(yù)測(cè)性,但并非是毫無(wú)規(guī)律。隨機(jī)振動(dòng)可通過(guò)功率頻譜密度函數(shù)來(lái)反映隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)輸入特征,分析時(shí)需要在點(diǎn)集上指定功率譜密度[6]。

封裝結(jié)構(gòu)有限元隨機(jī)振動(dòng)分析包含頻率分析和隨機(jī)響應(yīng)分析,本文按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)軍用設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法振動(dòng)試驗(yàn)[9]中的第8 類振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件進(jìn)行載荷設(shè)定,隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍選擇20～2000 Hz,重力加速度為9.81 m/s2。

仿真分析選擇的功率譜密度為軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法振動(dòng)試驗(yàn)[9]中第8 類隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境-噴氣式飛機(jī)振動(dòng)環(huán)境加速度PSD 譜。分析時(shí)需要在點(diǎn)集上指定功率譜密度,功率譜密度有位移功率、速度功率、加速度功率等譜密度形式。本文對(duì)模型施加的加速度響應(yīng)值,如表6 所示。

表6 頻率加速度響應(yīng)值[9]Tab.6 Frequency acceleration response value[9]

2.2 邊界條件設(shè)置

邊界約束條件對(duì)振動(dòng)分析最大應(yīng)力、應(yīng)變有較大影響,合理設(shè)置約束條件是仿真運(yùn)算收斂的前提[13]。芯片一側(cè)與PCB 基板通過(guò)焊點(diǎn)連接而不被固定,PCB基板一側(cè)因被固定變形受到一定限制,假定PCB 基板一側(cè)固定在剛性基體上,隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中對(duì)PCB 基板四個(gè)角點(diǎn)施加基礎(chǔ)激勵(lì)[14]。假設(shè)硅芯片上表面為自由面,芯片和基板兩個(gè)內(nèi)側(cè)對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束邊界條件。此外,隨機(jī)振動(dòng)分析采用的基礎(chǔ)激勵(lì)只施加在模態(tài)分析中有約束處的節(jié)點(diǎn)。

3 仿真結(jié)果及分析

分別針對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向施加激勵(lì)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析,利用通用后處理器POST1 觀察有限元模型的1δ解,獲得各向加載應(yīng)力、變形云圖。從中可直觀得出柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)在受到一定范圍頻率內(nèi)隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)作用時(shí)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力應(yīng)變分布情況[15]。

3.1 X 方向施加激勵(lì)

施加X(jué)方向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的整體結(jié)構(gòu)、銅互連線和焊點(diǎn)等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖5 所示。由圖5 可知,隨機(jī)振動(dòng)條件下,封裝結(jié)構(gòu)整體最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在距離芯片中心最遠(yuǎn)的邊緣位置處。

圖5 施加X(jué) 方向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)整體結(jié)構(gòu)、銅互連線和焊點(diǎn)的等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Equivalent stress and strain cloud diagrams of the overall structure,copper interconnets and solder joints when the X-direction random vibration excitation is applied

整體1δ應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊點(diǎn)與凸點(diǎn)下金屬層Ni接觸面上,最大值為0.701197 MPa?；ミB線應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近銅焊盤(pán)連接處,最大應(yīng)力值2.3 MPa;焊點(diǎn)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在與PCB 接觸的銅焊盤(pán)上,最大應(yīng)力值0.090519 MPa。整體結(jié)構(gòu)、互連線、焊點(diǎn)的應(yīng)變最大值與應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置一致,應(yīng)變最大值分別為0.119×10-3,0.226×10-4和0.453×10-5。綜上,X方向激勵(lì)下柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變均處于材料彈性變形范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)是可靠的。

3.2 Y 方向施加激勵(lì)

施加Y方向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的整體結(jié)構(gòu)、銅互連線和焊點(diǎn)等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖6 所示。由圖6 可知,隨機(jī)振動(dòng)作用下整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分布情況較之X向激勵(lì)有所變化。施加Y方向激勵(lì)時(shí)芯片1δ應(yīng)力最大值出現(xiàn)在凸點(diǎn)下金屬層上,最大應(yīng)力為1.1 MPa;銅互連線最大應(yīng)力值出現(xiàn)在靠近銅焊盤(pán)連接處,且互連線發(fā)生了扭曲,應(yīng)力最大值為3.1 MPa;焊點(diǎn)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊點(diǎn)與PCB 的銅焊盤(pán)相接觸的面上,最大值為0.110045 MPa。

圖6 施加Y 方向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)整體結(jié)構(gòu)、銅互連線和焊點(diǎn)的等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Equivalent stress and strain cloud diagrams of the overall structure,copper interconnets and solder joints when the Y-direction random vibration excitation is applied

Y方向激勵(lì)時(shí),芯片最大應(yīng)變值出現(xiàn)在互連線橋體兩端,最大值為0.249×10-3,究其原因,加載過(guò)程中橋體兩端產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)突變?；ミB線與焊點(diǎn)最大應(yīng)變值和最大應(yīng)力值的位置是一樣的,最大應(yīng)變值分別為0.323×10-4和0.525×10-5。綜上,Y方向激勵(lì)下柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分也均處于彈性變形范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)也是可靠的。

3.3 Z 方向施加激勵(lì)

施加Z方向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)的整體結(jié)構(gòu)、銅互連線和焊點(diǎn)等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D如圖7 所示。由圖7 可知,芯片1δ應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊點(diǎn)與凸點(diǎn)下金屬層接觸處,最大值為0.519149 MPa?；ミB橋兩端應(yīng)力較大,在互連橋兩端出現(xiàn)了非圓滑過(guò)渡,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生突變?；ミB線應(yīng)力分布最大位置是與銅焊盤(pán)相接觸的一端,最大應(yīng)力值為1.01 MPa,出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。焊點(diǎn)應(yīng)力最大位置是焊點(diǎn)與下部金屬層相接觸的圓面邊緣位置,最大應(yīng)力值為0.046485 MPa。

圖7 施加Z 方向隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)整體結(jié)構(gòu)、銅互連線和焊點(diǎn)的等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Equivalent stress and strain cloud diagrams of the overall structure,copper interconnects and solder joints when the Z-direction radom vibration excitation is applied

芯片最大應(yīng)變出現(xiàn)在凸點(diǎn)下金屬層與PI 互連橋接觸處,應(yīng)變值為0.962×10-4?；ミB線最大應(yīng)變出現(xiàn)在互連線靠近銅焊盤(pán)一側(cè),最大應(yīng)變值0.104×10-4。焊點(diǎn)最大應(yīng)變值出現(xiàn)在焊點(diǎn)與下部金屬層相接觸面的外圓邊緣,最大應(yīng)變值為0.202×10-5。綜上,Z方向激勵(lì)下柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分也未超過(guò)材料彈性變形極限,結(jié)構(gòu)也是可靠的。

3.4 仿真結(jié)果分析

對(duì)比施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向激勵(lì)條件所得仿真分析結(jié)果可知,施加Y方向激勵(lì)時(shí)互連線1δ應(yīng)力值顯著大于X、Z方向激勵(lì)情形下的應(yīng)力值。施加Y方向激勵(lì)時(shí)銅互連線最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近銅焊盤(pán)的位置,應(yīng)力值為3.1 MPa,發(fā)生概率為68.3%;介于1δ和2δ之間的應(yīng)力為6.2 MPa,發(fā)生概率為27.1%;超過(guò)3δ的應(yīng)力為9.3 MPa,發(fā)生概率僅為0.27%,應(yīng)力值遠(yuǎn)小于銅材料屈服極限180 MPa。

綜上所述,隨機(jī)振動(dòng)載荷對(duì)柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)可靠性影響總體較小,埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)可提供隨機(jī)振動(dòng)條件下芯片三維方向上良好的柔性適應(yīng)性,可避免加載頻率范圍內(nèi)隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的互連結(jié)構(gòu)失效。

4 結(jié)論

本文采用ANSYS 軟件在熱與振動(dòng)復(fù)合載荷下對(duì)埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)的芯片封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析。由分析結(jié)果可知,柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)一階固有頻率為2266.9 Hz,滿足軍用電子產(chǎn)品對(duì)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的要求。分別施加X(jué)、Y、Z方向激勵(lì)后的隨機(jī)振動(dòng)仿真分析結(jié)果表明,施加Y方向激勵(lì)時(shí)銅互連線最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近銅焊盤(pán)的位置處,超過(guò)3δ的應(yīng)力為9.3 MPa,發(fā)生概率僅為0.27%。超過(guò)3δ范圍的應(yīng)力遠(yuǎn)小于銅材料屈服極限應(yīng)力。埋置空氣隙柔性凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能較好地滿足電子產(chǎn)品的抗振設(shè)計(jì)要求,提高電子產(chǎn)品抗振疲勞可靠性。