孙志国[1]2002年在《MEMS封装中的残余应力演化及其相关可靠性研究》文中研究表明本论文主要研究对MEMS封装中芯片粘贴于基板时所引起的应力问题。本文用硅压阻芯片作为测量载体，对粘贴中所涉及的基板、粘合剂、芯片在基板的不同位置以及芯片在热处理过程中对表面残余应力的影响作了系统的研究，得到如下主要结论： 1．在不同基板上固化时，芯片表面应力演化过程不同。对于FR4基板，在固化过程中，芯片表面的剪切应力和正应力的值很小，其数值在原点上下很窄的范围内波动。在降温过程中，热膨胀系数的失配随着温度的降低而越来越显着，引起应力的积聚。对于陶瓷基板，在固化过程中，剪切应力并不象FR4基板上所表现的那样，在零点上下波动，而是处于一个绝对值较大的负值。该现象是由于粘合剂的热膨胀系数在固化温度附近不稳定性所致。在降温过程中，剪切应力的绝对值逐渐从一个较高水平逐渐开始减小，并趋于平衡。采用芯片直接粘接在基板上的方式固定芯片时，欲获得较低的残余应力和较理想的应力分布，采用Al_2O_3陶瓷基板要优于FR4基板。当采用陶瓷基板时，剪切应力和正应力的平均值均比采用FR4基板时降低40％左右。 2．使用不同有机粘合剂于芯片粘贴时，应力演化过程基本相似。在冷却过程中某些局域正应力差的变化规律为：该差值从正值变到负值再回到正值，呈振荡状态；局域随热循环进行应力将急剧增加，即处于应力相对集中的状态，这样的区域是芯片易于失效的区域。使用热膨胀系数较小的有机粘合剂粘贴芯片时，可获得较低的残余应力和相对优越的应力分布。该规律可以作为选择有机粘合剂时的参照。 中国科学院博士学位论文 3．当芯片粘贴在基板中心和靠近基板边缘的位置时粘合剂固化后残余 应力的平均值、最大值和数值的分散性皆处于相接近的水平，而当 粘贴在基板靠近一角的位置时应力分布状况则有很大不同：应力的 分散性增大，应力最大值也远大于粘贴于另外两个位置时的值。芯 片粘贴在中心位置和靠近边缘位置时，残余应力在热处理过程中随 不同的热处理制度呈有规律的起伏变化，而粘贴在靠近一角的位置 时芯片的应力在热处理过程中变化剧烈，出现“突跳”和“尖点”。 这一应力剧变现象是通过硅压阻芯片的方法首次观测到的。 4．在粘合剂固化后紧接着进行热处理，可以使残余应力稳定在一个相 对低的值；而固化后在空气中储存20天后，应力在热处理过程中会 急剧增加。在固化完成后进行适当的热处理，可以避免芯片使用一 段时间后，经过高温而产生的芯片表面应力的剧烈增加、进而导致 对芯片性能和结构的危害。运用TGA、DTA等热分析手段对粘合 剂的固化过程和再固化过程进行了研究，并对实验中的应力突变的 机理进行探讨，认为水汽是导致应力突变的主要原因。这一发现为 克服粘合剂粘贴的残余应力并使之稳定化提供了依据。 5．硅压阻传感芯片测量结果与计算机模拟结果的比较表明，硅压阻传 感芯片测量值与计算机模拟值很接近，测量值的正负区间与模拟值 的正负区间完全吻合。但有限元模拟具有一定的局限性，实验测量 才能对封装所致残余应力进行真实模拟，从而得到与实际情况相符 合的结果。
徐玲[2]2016年在《IGBT功率模块封装可靠性研究》文中研究说明绝缘栅双极晶体管(IGBT)现已成为功率半导体器件主流,是实现电能变换和控制的技术关键,其广泛应用离不开可靠的封装。IGBT功率模块封装涉及热学、电学、力学、材料等多学科交叉,其可靠性研究及优化设计对功率模块失效理论发展及其产业化意义重大。迫切需要深入研究IGBT功率模块的失效机理,分析封装材料、工艺、结构等因素对模块可靠性的影响。本论文围绕IGBT功率模块封装可靠性相关问题,对影响IGBT模块可靠性的几个因素(绝缘基板、焊料层、散热)开展可靠性试验研究和分析,并在此基础上以提高可靠性为目的提出相应的优化设计方案。首先,通过热循环试验及失效分析阐明直接敷铜(DBC)基板的失效模式,理论分析DBC基板的失效机理,建立基于应力强度因子及最大切向应力理论的DBC基板界面裂纹曲折破坏准则。分别通过解析方法及数值方法计算DBC基板热应力强度因子,应用所建立的破坏准则分析裂纹从铜-陶瓷界面奇点萌生后向陶瓷内部扩展的过程。试验、理论分析及有限元仿真叁者得出的结论相吻合,证实所建立的界面裂纹扩展准则的合理性。其次,提出一种采用梯度铜层结构的DBC基板结构设计方案,采用等效电容法测得的热循环寿命统计结果表明该结构能够有效提高DBC基板可靠性；建立梯度铜层DBC基板的热机械耦合仿真模型,采用修正的超低周疲劳寿命预测模型对该基板进行热循环寿命预测,预测结果与试验结果相符：通过基于有限元仿真的试验设计方法分析基板结构参数对基板应力分布及热循环寿命的影响,优化梯度铜层DBC基板的结构参数。再次,通过IGBT功率模块大面积焊接试样热循环试验和失效分析,阐明焊料热疲劳失效模式：建立焊接试样热机械耦合模型分析热循环过程中焊料的应力应变情况：采用基于应变及基于能量的寿命预测模型预测焊料疲劳寿命,预测结果均与试验相符。通过超声扫描显微镜观察焊料层空洞在热循环过程中的演化,采用有限元热分析建立芯片结温与空洞率或空洞分布的函数关系。建立回流焊接工艺动态热机械耦合仿真模型,通过基于有限元仿真的正交试验设计,分析焊接结构多个参数对模块应力分布及翘曲的影响,从而优化焊接结构,提高功率模块可靠性。最后,应用微通道技术实现大功率IGBT模块主动散热,建立计算流体动力学模型和热机械耦合仿真模型,分析底板预置微通道的IGBT功率模块的热机械性能,包括模块工作状态下的温度分布、回流工艺后的残余应力和翘曲、工作状态下的应力和翘曲；仿真所得翘曲结果与叁坐标仪测量结果一致。底板预置微通道的IGBT模块工作状态下翘曲几乎为零。通过有限元参数化分析求得铜底板和焊料层的厚度对硅芯片应力的影响,对模块进行优化以降低芯片应力,提高模块可靠性。
杨磊[3]2014年在《基于钎料球重熔的MEMS微部件自组装及熔滴激光驱动行为》文中认为基于微钎料熔滴表面张力的MEMS部件自组装技术能够自行实现对微机械部件的组装，形成具有高深宽比的叁维复杂微结构，对微机械部件的制造具有重要意义。与此同时，微液滴的驱动行为则为MEMS微开关及微流体器件提供了关键技术，能够启发新型MEMS器件的研发。本文基于激光重熔工艺开发了一种新型的MEMS自组装技术，并搭建了高精度的自组装微操作平台；通过数值方法与试验相结合对影响自组装静平衡位置及精度的各因素进行了系统的研究；并基于计算流体力学方法对自组装的动态翻转过程、钎料同微部件之间的流固耦合机制进行了深入分析；同时，还首次对固体基板上微钎料熔滴的激光驱动行为进行了探索。自组装精度影响因素研究表明，自组装角度偏差小于2.5o；随着焊盘尺寸和长宽比的增大，自组装静平衡角度越小；同时，自组装中使用的钎料体积越小，静平衡角度越小，越利于自组装系统保持其静平衡位置；而在假设完全铺展润湿的前提下，钎料的表面张力及接触角变化对自组装静平衡位置几乎不会产生影响；在焊盘尺寸／钎料球直径一定时，其静平衡位置几乎相同，这一比值可定义为自组装尺寸因子η。对无铰链自组装结构的能量分析表明，系统具有减小固定和活动微部件之间间距的趋势（由此提出了“虚铰链”的概念），该趋势会逐渐随着活动微部件接近于静平衡位置而减小，当活动微部件达到静平衡位置时，间距闭合趋势消失。针对无铰链结构基于引线键合工艺，开发了一种新型的MEMS自组装限位结构，在引入该限位结构后，自组装角度偏差小于0.5o。基于数值研究方法探寻了微钎料熔滴的动态润湿行为，结果表明动态润湿角模型更适合于对快速润湿铺展过程进行拟合，随着润湿铺展时间的加大，会降低拟合准确性。在润湿铺展的初期快速铺展阶段，Rw(t)~tn（n=0.32~0.45）关系能很好的拟合润湿半径随时间的变化，但当钎料趋于平衡状态时，拟合出现偏差。进一步研究表明，钎料的润湿铺展过程可以通过两段Rw(t)~tn关系进行拟合，n值的差异意味着润湿铺展机制的转变。自组装动态过程的研究结果表明，自组装中钎料熔滴优先铺展翻转的活动微部件，之后才在固定微部件上快速铺展。翻转过程具有增大同一时刻下钎料熔滴在活动微部件上的动态接触角的趋势，增大润湿驱动力，使得活动微部件上熔滴润湿速率更快，呈现出优先铺展的不对称现象。转矩分析表明，自组装动态过程中净转矩Mnet上下振荡，接触线的前进会加剧Mnet的复杂性。平衡位置附近，Mnet会一直保持在0值附近波动，且正负两边的波动接近对称。能量分析表明，自组装钎料熔滴及微部件动能相对于减少的钎料表面能而言十分微小，能量转换效率较低，大部分能量通过转化为内能的方式耗散。对影响自组装动态过程的各因素分析表明，随着钎料熔滴体积的减小，自组装翻转的速度也越快；钎料润湿铺展速度较慢时，自组装过程呈现出明显的“快-慢-快”的叁阶段，这是钎料不对称铺展的结果。而钎料润湿铺展速度较快时，翻转作用对于润湿力的增强效应减弱，钎料熔滴呈现对称铺展的趋势。对于自组装翻转速度而言，当翻转速度较慢时，钎料熔滴自由表面能最低。翻转速度较快时，钎料熔滴自由表面能会出现升高的趋势，之后随着固定微部件上接触线的快速前进，又会急剧降低。最后，使用激光偏置局部加热方法在开放的固体基板上成功实现了微钎料熔滴的驱动，熔滴总是向着激光中心一侧（热端）移动，之后当激光束中心线同钎料熔滴对称中心重合时，熔滴停止前进。这同一般的液滴热致驱动方向（向冷端移动）正好相反。定性及定量分析结果表明微钎料熔滴驱动过程中，Marangoni对流及钎剂蒸汽反冲作用力会推动熔滴向偏离激光束中心一侧移动（冷端），减弱熔滴向激光束中心靠拢的趋势，钎料熔滴在基板上的热致润湿性变化才是驱动熔滴前进的主要机制。
张云安[4]2014年在《微尺度下单晶硅疲劳失效机理的分子动力学模拟研究》文中研究指明微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术是在集成电路基础上发展起来的。硅作为MEMS和集成电路主要材料,MEMS主要利用其机械特性,而集成电路主要利用其电学特性。因此,随着MEMS的发展,以前在集成电路研究中所忽视的机械特性也得到越来越多的重视。疲劳是机械产品与结构的最主要失效模式,也是机械强度和可靠性领域的研究热点。自从Connally和Brown 1992年在《Science》发表原创性论文发现硅微结构在交变载荷下存在此前在宏观试样并未发现过的疲劳特性,国内外研究人员进行了大量研究,希望能够探明硅微结构的疲劳失效机理。但是直到现在硅微结构的疲劳失效影响因素仍不明确,其疲劳失效机理还存在较大争议。目前硅微结构的疲劳失效机理主要是根据实验现象,对疲劳过程提出的某种阐述,按照“由表及里”的研究思路进行的。而目前疲劳机理的争议表明,仅仅采取这种研究思路具有其固有的局限性。因此,本文从原子级模拟出发,按照“由里及表”的思路,以微观尺度的分子动力学模拟方法为核心,从断裂强度、恒定载荷下的疲劳失效、循环载荷下的疲劳失效等方面依次对硅微结构的疲劳失效机理展开研究。论文的主要研究内容与结论如下:1.研究了潮湿环境对表面氧化层和硅微结构断裂强度的影响及其机理准静态拉伸模拟的结果表明,在干燥条件下,无定形二氧化硅(a-Si O2,代表硅微结构的表面氧化层)的拉伸强度为9.4 GPa,而在含液态水时则下降为4.7 GPa,表明液体水使得a-Si O2拉伸强度发生显着下降;干燥条件下a-Si O2结构的刚度随着拉伸应变的增加保持稳定,而含液体水a-Si O2的刚度随着拉伸应变的增加而逐步降低,并且高应变时的应力-应变曲线呈现类似于金属的屈服现象,这一现象是由随应力增大而加速的水解反应所导致的。含表面氧化层的硅薄膜在干燥环境下的断裂强度为16.3 GPa,而在液态水中的断裂强度为11.2 GPa。在两种环境中,裂纹均是从硅结构内部萌生的,而不是从表面氧化层萌生。2.研究了恒定载荷下表面氧化层和硅微结构的疲劳失效机理以二氧化硅的晶体形态为对象,研究液态水中的α-石英受到拉伸应力时的应力腐蚀开裂过程。模拟结果表明,对于液态水中受到叁种小于断裂强度的拉伸应变的试样,均观察到了显着的裂纹扩展,且裂纹扩展速率均明显大于宏观体块试样的裂纹扩展速率实验值。裂纹尖端的应力分布表明裂纹沿着最大应力的方向传播,并且应变随着裂纹的传播而得到释放。当拉伸应变增加时,观察到了包括应力腐蚀开裂和类似于脆性断裂中的纯机械应力开裂的混合开裂模式。研究了液态水中的含表面氧化层的硅微结构在受到弯曲静载荷下的疲劳过程。模拟结果表明,表面氧化层在液态水和弯曲拉应力作用下会发生裂纹扩展,在大部分应力条件下裂纹扩展终止于表面氧化层和硅结构的界面。只有在受到很大应变的条件,裂纹扩展变得不稳定并向硅结构传播,引起硅结构的静疲劳失效。3.研究了静应力下硅微结构在室温下的氧化过程模拟结果表明拉伸应力下得到的氧化层厚度大于无应力下的氧化层厚度。应力分析表明,拉伸应力下氧化得到的表面氧化层与无应力条件下的氧化结果一样,均没有可分辨的内应力,很好地解释了静疲劳实验中看似矛盾的实验结果。4.研究了硅微结构在循环载荷下的疲劳过程a)研究了真空条件下的单晶硅在循环应力作用下的疲劳过程,在100次循环模拟结果中未观察到任何疲劳裂纹形成和扩展的迹象。b)研究纯氧条件下单晶硅在循环应力作用下的疲劳过程,发现了循环应力对氧化具有增强作用,首次发现了循环应力导致的氧化层增厚现象。同时发现应力比对循环应力下的氧化具有重要影响,相对于应力比非负的循环应力,应力比为负的循环应力对氧化的增强作用更为明显。以上结果很好解释了目前硅微结构主要疲劳机理的争议。c)循环应力增厚的氧化层沿单晶硅的解理面扩展,且氧化层的扩散降低了硅结构的强度,首次在微观模拟发现了单晶硅的疲劳机理;对比模拟表明,水的存在增强了氧气在二氧化硅内的扩散,从而增强了循环应力下的氧化过程。d)提出了硅微结构新的疲劳机理解释:硅微结构的疲劳包括两个不同的过程:本生氧化层的疲劳和增厚氧化层的疲劳。本生氧化层的疲劳机理是潮湿环境中的二氧化硅在拉伸应力下发生应力腐蚀开裂。增厚氧化层的疲劳是由循环应力增强的氧化过程和潮湿环境增强扩散过程两种机理共同作用。5.环境对单晶硅拉伸强度和静疲劳影响的实验验证搭建了硅微结构疲劳实验平台,设计加工了拉伸试样,通过实验对比单晶硅在空气中和液态水中的拉伸强度,验证了液态水中含表面氧化层的单晶硅强度更低的结论。在实验中发现了单晶硅在空气中和液态水中均会发生静疲劳现象,验证了所提出的静疲劳机理解释。总之,本文在国家自然科学基金的资助下,针对目前硅微结构疲劳机理研究中存在的难题,采用分子动力学模拟方法进行研究。研究进一步揭示了硅微结构的疲劳失效机理和影响因素,为设计和加工具有很好抗疲劳特性的MEMS产品提供了指导,具有重要的科学意义和工程价值。
高健飞, 熊继军, 郭涛, 石云波[5]2007年在《微加速度计在恶劣环境下的可靠性》文中研究指明微加速度计的可靠性问题是其能否迅速走向市场的关键。本文对压阻式悬臂梁加速度计在不同的环境下的失效模式进行了讨论,并给出了一些加速度计可靠性设计方面的建议,可以为其他科研工作者提供参考。
张威[6]2008年在《基于钎料润湿力的光纤自对准原理及激光软钎焊界面反应》文中研究说明光电子封装中激光器件与光导纤维之间的对准和定位是保证器件耦合效率和可靠性的关键技术。本文提出光纤自对准激光软钎焊的方法(Fiber Self-alignment by Laser Soldering,FSLS),设想利用熔融钎料的表面张力所产生的回复力及回复转矩实现光纤在焊盘上的自动对准,由此方法产生的新工艺将使光电子封装制造成本下降。研究AuSn钎料与Au/Ti、Au/Ni/Cu两种焊盘及光纤Au/Ni镀层之间的界面组织在激光钎焊及老化过程中的演化规律,从而论证工艺的可行性;研究和阐明光纤自对准的基本原理,从理论上得出自对准的驱动力、分析材料与结构因素的影响规律并进行对准精度评价和误差估计。光纤定位激光软钎焊工艺试验研究表明:AuSn钎料合金在氩气保护下在小功率长时间条件下易于润湿铺展,形成良好的焊点。研究表明激光钎焊过程中AuSn钎料与Au/Ti焊盘界面反应的特点是:随着激光输入能量的增加,界面区域所生成的先共析ζ相的形状由扇贝状演变为粗大的棒状或树枝状。在老化过程中AuSn-Au/Ti界面生成的ζ相不断联合、长大;AuSn-Au/Ni界面生成的针状(Au,Ni)3Sn2不断溶解到钎料中直至消失,同时在界面形成了一层(Au,Ni)Sn;钎料内部共晶组织不断球化并粗化。激光钎焊条件下在AuSn-Au/Ni/Cu及AuSn-Au/Ni两界面处所形成的针状(Au,Ni)_3Sn_2在老化过程中逐渐平坦化,界面上形成了连续的(Au,Ni)Sn层,并随老化时间的延长而增厚;两个界面附近所形成的花状(Au,Ni)_3Sn_2在老化过程中向周围的δ相中不断溶解直至消失,同时δ相中的Ni含量增加。基于对光纤定位软钎焊焊点进行的合理假设建立焊点叁维形态的数学模型,并对焊点形态的能量、体积以及边界条件进行合理描述,利用有限元法对焊点叁维形态进行计算并分析材料及结构因素对焊点叁维形态的影响规律,结果表明:随着钎料量的增加和焊盘尺寸的减小,钎料对光纤的包覆程度增大;随着焊盘长宽比的增加,焊点横截面曲线的弯曲程度增大。采用激光共聚焦扫描显微镜对焊点叁维形态进行测量并与计算结果进行对比,结果表明焊点叁维形态的试验测量结果与计算结果吻合良好,焊点叁维形态计算方法及测量手段合理可靠。通过对光纤进行受力分析,从理论上得出自对准驱动力的解析式,根据公式可以得出自对准回复力及法向力主要受液态钎料对光纤润湿力的影响,而静压力可以忽略;利用有限元计算的方法得出不同形状焊盘的理论平衡位置,并得出材料与结构因素对自对准回复力及回复转矩的影响规律,结果表明:自对准回复力随着横向对准偏移成线性变化,回复转矩随着偏转角成线性变化;在一定范围内选择较大的钎料量、采用较大的焊盘长宽比、较大表面张力的钎料以及较小的钎料-焊盘接触角更有利于对横向对准偏移的自对准,在一定范围内选择较小的钎料量、采用较大的焊盘长宽比、较大表面张力的钎料和较小的钎料-光纤接触角更有利于对初始转角的自对准。光纤与焊盘间隙高度计算结果表明:只有钎料量超过临界值时,间隙高度才存在;间隙高度随着焊盘尺寸的减小、焊盘长宽比的减小以及钎料与光纤接触角的增加而增加。采用激光共聚焦显微镜对间隙高度测量,试验测量结果与计算结果吻合良好。
参考文献：
[1]. MEMS封装中的残余应力演化及其相关可靠性研究[D]. 孙志国. 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）. 2002
[2]. IGBT功率模块封装可靠性研究[D]. 徐玲. 华中科技大学. 2016
[3]. 基于钎料球重熔的MEMS微部件自组装及熔滴激光驱动行为[D]. 杨磊. 哈尔滨工业大学. 2014
[4]. 微尺度下单晶硅疲劳失效机理的分子动力学模拟研究[D]. 张云安. 国防科学技术大学. 2014
[5]. 微加速度计在恶劣环境下的可靠性[J]. 高健飞, 熊继军, 郭涛, 石云波. 微计算机信息. 2007
[6]. 基于钎料润湿力的光纤自对准原理及激光软钎焊界面反应[D]. 张威. 哈尔滨工业大学. 2008
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