計算機分子模擬在電子封裝技術專業中的應用

秦紅波+潘開林+欒興賀+馮闖+肖經+張平+楊道國

摘要：電子封裝是電子工業的基礎，電子封裝技術專業是電子、機械和材料等多學科交叉的技術領域。本文介紹了電子封裝技術，然后針對高等院校電子封裝技術專業學生普遍感覺半導體、固體物理、封裝材料等課程抽象難學、教師感覺難教的情況，提出引入計算機分子模擬軟件“Materials Studio”進行輔助教學，并列舉了教學案例。

關鍵詞：電子封裝；計算機分子模擬；Materials Studio；輔助教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）20-0187-02

電子封裝是將構成電子產品的各種晶體管、裸芯片、引線、電路、基板和其他封裝材料等按照規定或設計的要求合理密封、布置、固定和連接，實現與外部環境隔離、屏蔽及保護，最終組裝成電子產品的整個工藝過程，是電子工業的基礎。隨著電子產品和設備的輕薄化、小型化和多功能化，電子產品的制造和加工技術也日新月異、快速發展，其中電子封裝扮演著極其重要的角色。電子封裝技術是高度交叉的技術領域，涵蓋了電子、機械、材料、力學、化工、物理、可靠性等學科內容。目前，哈爾濱工業大學、北京理工大學、桂林電子科技大學、上海大學、清華大學、哈爾濱理工大學、北京工業大學、大連理工大學、華南理工大學、北華航天工業學院等三十余所高校陸續開設了電子封裝技術本科專業或研究生課程及研究方向。電子封裝技術課程體系涵蓋半導體器件與物理、微制造與微加工、電子材料、微連接、可靠性等。

電子封裝技術的發展，與固體物理、半導體和封裝材料密不可分。電子工業中，結型場效應晶體管（JFET）、硅平面工藝、集成電路（IC）、互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術等電子工業領域的重大發明，都與材料固體物理、半導體及封裝材料的重大突破和發現有關。固體物理是研究固體或材料的結構、排列方式及其組成粒子（包括原子、離子、電子等）之間相互影響及作用規律的科學。在材料科學中，原子的晶格參數、空間點陣、原子排列等微觀結構直接決定了材料的宏觀性能。學好固體物理和材料微觀結構相關課程的內容不僅要有清晰的概念，還要有扎實的晶體學、量子力學、量子化學和數學基礎。計算機分子模擬是以計算機為平臺，集量子力學、量子化學、分子動力學和計算材料學等形成的新型科學。分子模擬研究領域包括物理﹑材料﹑生物和化學等學科體系，大量的研究已經充分證明了分子模擬的科學性和準確性。計算機分子模擬使抽象的量子力學、固體物理、材料微觀結構知識等內容具體化、形象化，從而促進學生對相關知識點的理解和掌握。計算機分子模擬已經逐漸成為與實驗方法并重的強有力的研究手段。特別是近年來，隨著PC平臺綜合性能的巨大提高，計算機分子模擬在PC平臺的優異表現更是方便了課程的教學和學習。Materials Studio是美國Accelrys公司近年來專為固體物理和材料科學領域開發的材料計算軟件。與傳統材料計算軟件相比，Materials Studio界面友好，能直觀、方便地建立材料3D原子和分子模型。Materials Studio內置強大的模型庫，幾乎實現了元素周期表全覆蓋，可對各種材料的微觀和宏觀性質以及相關化學及物理過程進行深入研究。無論是成分設計、結構優化、性能預測，還是復雜的第一性原理計算和分子動力學模擬，都可以在對應的模塊下通過簡單的操作和設置得到可靠的模擬結果，并可輸出直觀、形象的圖像和動畫用于課堂教學。Materials Studio與電子封裝技術專業密切相關表現在以下幾個方面。

一、固體物理和半導體材料

半導體、金屬、陶瓷等固體材料性能，直接決定封裝工藝和可靠性。Materials Studio不但可以提供可視化的3D分子、晶體或非晶結構圖像，而且可以提供先進的計算和模擬方法，尤其是進行密度泛函計算（Dmol3模塊）和密度泛函平面波贗勢方法（CASTEP模塊）。Materials Studio為深入研究固體材料的物理和化學性能并進行材料設計提供了有效的解決方法。在微電子制造和封裝過程中，Materials Studio軟件可模擬和分析化學氣相沉積過程中反應劑的化學性質；可以研究分子、原子或離子在固體或材料表面及內部的擴散行為；可以研究半導體等材料的缺陷和摻雜結構對材料性能的影響；可以基于聚合態研究固體材料的力學、光學、電學和磁學性質。此外，Materials Studio作為一種先進的量子力學計算程序，可研究這些固體材料的物化性能、表面性質、表面化學、電子結構、缺陷性質（如空位、間隙原子或替換原子等）、位錯運動、電荷密度。在半導體材料設計中，利用Materials Studio可以探索半導體等材料的電子結構以及電學性能，通過分子模型設計可以有效地預測其性能，為試驗制備提供指導。如通過摻雜Al、In等元素并控制其成分，可對GaN和SiC等半導體的物理性能進行調控。

二、電子封裝微互連

在電子封裝微互連中，生成金屬間化合物（IMC）是軟釬焊能夠實現金屬互連的根本原因。微觀組織對互連焊點的可靠性有決定性作用，而微觀組織中不同的相（包括IMC相顆粒）則取決于焊接和服役過程中的界面反應和界面材料原子的相互擴散。研究表明，互連焊點界面上和焊點釬料體內部的IMC是影響焊點可靠性最為關鍵的因素之一。在焊接過程中，錫基釬料與Cu/Ni基板或焊盤發生界面冶金反應生成Cu6Sn5/Ni3Sn4兩種IMC相，而IMC的電子結構和物理性能對焊點的完整性和可靠性有著極為關鍵的影響。因此，研究Cu6Sn5和Ni3Sn4的電子結構和物理性能具有十分重要的意義。基于Materials Studio密度泛函理論，可直觀、形象地研究Cu6Sn5和Ni3Sn4體系的結構穩定性、彈性性能，并計算得到兩種金屬間化合物的晶格常數、合金生成焓以及彈性常數，得到兩種IMC的體模量、剪切模量、彈性模量和泊松比等物理參量，并比較了它們的力學和物理性能。

三、先進封裝材料

如今，微電子器件特征尺寸和電子封裝加工及制造工藝已經達到了納米尺度。納米功能材料和元器件微納結構是當今世界微電子制造和電子封裝研究領域中最富有活力的領域，對社會發展和國民經濟具有極其重要的影響。元器件的微型化、多功能化、智能化和高集成封裝等要求是刺激納米功能材料快速發展的動力之一。計算機分子模擬軟件Materials Studio提供了多種技術和方法來研究電子封裝納米功能材料及其微觀結構，例如原子/分子水平的第一性原理計算技術、介觀尺度的材料模擬技術和線性標度量子力學方法。Materials Studio的這些技術和方法可以幫助研究人員和廣大師生構建材料的納米團簇、分子模型和周期性原子結構模型，并能夠實現分子組裝與自組裝、化學反應、催化作用、擴散與吸附等行為進行研究和觀察，能夠對包括金屬、陶瓷、聚合物和半導體材料等多種材料在內的對象進行全面系統地計算和結構分析，能評估和預測由量子力學因素引起的納米尺度特殊的物理與化學特性，比如高韌性納米陶瓷、高強度納米金屬/纖維以及高性能異相復合材料等，從而可以幫助我們認識新規律、提出新概念、開發先進封裝材料。

四、結論

由于電子工業的快速發展，電子封裝技術專業已經成為當前中國電子制造領域緊缺的專業。隨著數學、量子力學、量子化學和計算材料學等學科和計算機技術的快速發展，計算機分子模擬與材料性能預測在電子工業新材料和新型器件的設計及開發中有著降低成本和提高效率的作用。Materials Studio分子模擬基于數值模擬及成熟數學方法通過計算機仿真實現材料成分、結構、性能及工藝等的模擬，最終實現新材料不同尺度范圍下物理和化學性能預測，并且能夠提供可控且可視化的原子或分子模型三維圖像和動畫演示。在電子封裝專業教學中，可在封裝材料、半導體材料、微電子等課程的課堂和實驗中通過分子模擬軟件Materials Studio進行輔助教學，使抽象的知識理論和概念變得直觀而形象，加深學生對教學內容的認識，激發學生的創造力和想象力，培養學生的學習興趣，提高科研能力。

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