埋置空氣隙柔性凸點結構隨機振動應力應變分析

李 鵬 ,趙魯燕 ,潘開林

(1.桂林電子科技大學 海洋工程學院,廣西 北海 536000;2.桂林電子科技大學 機電工程學院,廣西 桂林 541004)

當前,柔性凸點結構已逐漸成為柔性晶圓級封裝CWLP(Compliant Wafer Level Package)提升電子產品性能和可靠性的核心技術之一[1]。芯片熱疲勞及機械振動疲勞失效是顯著影響CWLP 芯片互連結構可靠性的關鍵。電子產品實際服役過程中,通常會經受溫度循環、外界振動等環境沖擊作用,影響產品性能的同時對器件可靠性造成巨大威脅[2]。在航空航天及軍事等領域,振動已成為影響電子產品可靠性的重要因素。據統計,電子設備中電路組件失效中約有20%是由振動和沖擊引起的[3]。

目前,國內外學者針對不同柔性凸點結構熱-機械可靠性已開展諸多研究。Fan 等[4]通過在傳統晶圓級封裝焊點下增加柔性聚酰亞胺層明顯降低了焊點應力,提高了焊點疲勞可靠性;梁穎等[1]建立了晶圓級封裝柔性凸點三維有限元模型并分析了焊點熱疲勞應力應變特性;周興金等[3]針對焊點下填充柔性層的柔性凸點進行了熱-結構應力應變分析,柔性層有效降低了凸點的熱-結構應力應變。

上述研究結果表明采用柔性層的柔性凸點可在一定程度上改善柔性晶圓級封裝中的芯片凸點結構可靠性。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結構可顯著提升CWLP 器件熱疲勞可靠性。電子產品實際工作過程中同時存在的振動或沖擊也在一定程度上影響柔性凸點的結構可靠性,因此有必要進一步針對隨機振動條件下的埋置空氣隙柔性凸點互連結構進行互連結構可靠性分析。

本文采用設計的新型埋置空氣隙柔性凸點結構,應用ANSYS 軟件對柔性晶圓級封裝芯片進行隨機振動條件下的應力應變分析,探討了隨機振動條件下柔性凸點結構的應力應變特性及可靠性。研究結果表明,埋置空氣隙的柔性凸點結構的應用能較好地滿足電子產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結構

本課題組基于傳統柔性芯片結構和硅微加工工藝設計的埋置空氣隙柔性凸點結構如圖1 所示,與相關機構合作完成的埋置空氣隙柔性凸點結構原型如圖2所示。

圖1 埋置空氣隙柔性凸點結構Fig.1 Structure of compliant bump with embedded air-gap

圖2 柔性凸點實物原型Fig.2 Physical prototype of compliant bump

1.2 實體建模

采用上述柔性凸點結構,以動態隨機存儲器芯片為對象,依據器件結構建立單焊點三維有限元模型。整體結構由硅芯片、埋置空氣隙、鈍化層、銅互連結構層、凸點下金屬層、焊點、焊盤、阻焊膜及PCB 基板等構成,結構模型尺寸參數如表1 所示。

表1 柔性凸點結構參數Tab.1 Structure parameters of compliant bump

仿真分析時,為確保模型精度,首先采用Surface軟件模擬焊點外形尺寸參數以減小形態建模引起的誤差。為減小計算規模,提升分析效率,忽略封裝結構中通孔等微細結構。在不影響分析結果的前提下,為簡化求解,對建模過程進行如下假設[6]:(1)芯片內部完全接觸,材料連接理想,結構致密,無結構缺陷;(2)芯片制造過程中無累積殘余應力和應變;(3)隨機振動分析時整體結構溫度保持一致。

結合芯片結構特點,采用自上而下建模步驟:先定義體,同時產生線、面,隨后進行布爾操作[7],完成的柔性凸點結構模型如圖3 所示。

圖3 柔性凸點結構實體模型Fig.3 Entity model of compliant bump

焊料選用Sn96.5Ag3.5 無鉛焊料,定義為粘塑性,焊點網格選擇Visco107 單元。該單元由8 個節點定義,每個節點具有X、Y、Z方向3 個自由度。其他結構采用Solid226 網格單元,該單元由20 個節點組成,各節點有5 個自由度,用于分析大撓度和應力剛化作用[8]。

定義材料屬性時假設封裝結構各組成材料為各向同性、均質材料,Sn96.5Ag3.5 焊料合金彈性性能參數如表2 所示[5],其中,t為材料性能參數持續時間。焊料合金粘塑性本構方程材料參數如表3 所示[5]。為有效描述隨機振動載荷條件下銅互連線應力應變特征,定義銅材料為彈塑性強化材料,采用雙線性強化模型來表征[9]。其余材料定義為彈性材料,材料性能參數如表4 所示[5]。

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

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

表4 封裝結構材料參數[5]Tab.4 Material parameters of package structure[5]

1.3 網格劃分

ANSYS 提供三種網格劃分方法:自由網格、映射網格和掃掠網格。為保證計算精度,網格劃分不采用均勻網格且盡可能減少網格單元數目。基于此,重點研究區域及附近網格劃分較密集,遠離區域則網格劃分較為稀疏[8]。

網格劃分時,利用布爾操作及掃掠劃分,為獲得均勻六面體網格,首先對單焊點結構模型采用控制單元尺寸方法生成掃掠網格;然后通過拉伸操作等生成整體模型,最后依次合并節點、關鍵點、線和面[10]。非核心研究區域采用自由網格劃分,劃分所得有限元模型如圖4 所示。

圖4 柔性凸點結構有限元模型Fig.4 Finite element model of compliant bump

2 隨機振動有限元仿真分析

隨機振動問題分析時,需應用隨機過程理論在激勵、響應和系統特性三個要素間進行求解。進行隨機響應分析前必須得到以系統頻率為主的系統特性,通常需兩個步驟:頻率分析和隨機響應分析[7]。利用ANSYS 軟件進行隨機振動仿真分析時,首先要對模型進行模態分析獲得相關結構固有頻率,然后進行PSD頻譜分析[11]。本文選用Block Lanzcos 法[12]對振動模態進行提取,分析所得柔性凸點結構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

軍用電子產品激勵頻率通常為5～2000 Hz[13]。柔性凸點結構第一階頻率是2266.9 Hz,高于軍用電子產品的激勵頻率,柔性凸點結構能滿足軍用電子產品對動力學的設計要求。

2.1 載荷條件設置

設置隨機振動載荷環境條件進行有限元分析時,將實際載荷情況簡化為穩定溫度作用外加隨機振動狀態進行模擬分析。隨機振動基本特征是不可重復性和不可預測性,但并非是毫無規律。隨機振動可通過功率頻譜密度函數來反映隨機振動激勵輸入特征,分析時需要在點集上指定功率譜密度[6]。

封裝結構有限元隨機振動分析包含頻率分析和隨機響應分析,本文按照國家軍用標準軍用設備環境實驗方法振動試驗[9]中的第8 類振動環境試驗條件進行載荷設定,隨機振動頻率范圍選擇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備環境試驗方法振動試驗[9]中第8 類隨機振動環境-噴氣式飛機振動環境加速度PSD 譜。分析時需要在點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。本文對模型施加的加速度響應值,如表6 所示。

表6 頻率加速度響應值[9]Tab.6 Frequency acceleration response value[9]

2.2 邊界條件設置

邊界約束條件對振動分析最大應力、應變有較大影響,合理設置約束條件是仿真運算收斂的前提[13]。芯片一側與PCB 基板通過焊點連接而不被固定,PCB基板一側因被固定變形受到一定限制,假定PCB 基板一側固定在剛性基體上,隨機振動過程中對PCB 基板四個角點施加基礎激勵[14]。假設硅芯片上表面為自由面,芯片和基板兩個內側對稱面上施加對稱約束邊界條件。此外,隨機振動分析采用的基礎激勵只施加在模態分析中有約束處的節點。

3 仿真結果及分析

分別針對X、Y、Z三個方向施加激勵進行隨機振動分析,利用通用后處理器POST1 觀察有限元模型的1δ解,獲得各向加載應力、變形云圖。從中可直觀得出柔性凸點結構在受到一定范圍頻率內隨機振動激勵作用時結構變形及應力應變分布情況[15]。

3.1 X 方向施加激勵

施加X方向隨機振動激勵時的整體結構、銅互連線和焊點等效應力、應變云圖如圖5 所示。由圖5 可知,隨機振動條件下,封裝結構整體最大等效應力出現在距離芯片中心最遠的邊緣位置處。

圖5 施加X 方向隨機振動激勵時整體結構、銅互連線和焊點的等效應力、應變云圖Fig.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應力最大值出現在焊點與凸點下金屬層Ni接觸面上,最大值為0.701197 MPa。互連線應力最大值出現在靠近銅焊盤連接處,最大應力值2.3 MPa;焊點應力最大值出現在與PCB 接觸的銅焊盤上,最大應力值0.090519 MPa。整體結構、互連線、焊點的應變最大值與應力最大值出現位置一致,應變最大值分別為0.119×10-3,0.226×10-4和0.453×10-5。綜上,X方向激勵下柔性凸點結構應力應變均處于材料彈性變形范圍內,結構是可靠的。

3.2 Y 方向施加激勵

施加Y方向隨機振動激勵時的整體結構、銅互連線和焊點等效應力、應變云圖如圖6 所示。由圖6 可知,隨機振動作用下整體結構應力應變分布情況較之X向激勵有所變化。施加Y方向激勵時芯片1δ應力最大值出現在凸點下金屬層上,最大應力為1.1 MPa;銅互連線最大應力值出現在靠近銅焊盤連接處,且互連線發生了扭曲,應力最大值為3.1 MPa;焊點應力最大值出現在焊點與PCB 的銅焊盤相接觸的面上,最大值為0.110045 MPa。

圖6 施加Y 方向隨機振動激勵時整體結構、銅互連線和焊點的等效應力、應變云圖Fig.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方向激勵時,芯片最大應變值出現在互連線橋體兩端,最大值為0.249×10-3,究其原因,加載過程中橋體兩端產生了結構突變?；ミB線與焊點最大應變值和最大應力值的位置是一樣的,最大應變值分別為0.323×10-4和0.525×10-5。綜上,Y方向激勵下柔性凸點結構的各個部分也均處于彈性變形范圍內,結構也是可靠的。

3.3 Z 方向施加激勵

施加Z方向隨機振動激勵時的整體結構、銅互連線和焊點等效應力、應變云圖如圖7 所示。由圖7 可知,芯片1δ應力最大值出現在焊點與凸點下金屬層接觸處,最大值為0.519149 MPa。互連橋兩端應力較大,在互連橋兩端出現了非圓滑過渡,結構產生突變?；ミB線應力分布最大位置是與銅焊盤相接觸的一端,最大應力值為1.01 MPa,出現了應力集中現象。焊點應力最大位置是焊點與下部金屬層相接觸的圓面邊緣位置,最大應力值為0.046485 MPa。

圖7 施加Z 方向隨機振動激勵時整體結構、銅互連線和焊點的等效應力、應變云圖Fig.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

芯片最大應變出現在凸點下金屬層與PI 互連橋接觸處,應變值為0.962×10-4。互連線最大應變出現在互連線靠近銅焊盤一側,最大應變值0.104×10-4。焊點最大應變值出現在焊點與下部金屬層相接觸面的外圓邊緣,最大應變值為0.202×10-5。綜上,Z方向激勵下柔性凸點結構的各個部分也未超過材料彈性變形極限,結構也是可靠的。

3.4 仿真結果分析

對比施加X、Y、Z三個方向激勵條件所得仿真分析結果可知,施加Y方向激勵時互連線1δ應力值顯著大于X、Z方向激勵情形下的應力值。施加Y方向激勵時銅互連線最大應力出現在靠近銅焊盤的位置,應力值為3.1 MPa,發生概率為68.3%;介于1δ和2δ之間的應力為6.2 MPa,發生概率為27.1%;超過3δ的應力為9.3 MPa,發生概率僅為0.27%,應力值遠小于銅材料屈服極限180 MPa。

綜上所述,隨機振動載荷對柔性凸點結構可靠性影響總體較小,埋置空氣隙柔性凸點結構可提供隨機振動條件下芯片三維方向上良好的柔性適應性,可避免加載頻率范圍內隨機振動產生的互連結構失效。

4 結論

本文采用ANSYS 軟件在熱與振動復合載荷下對埋置空氣隙柔性凸點的芯片封裝結構進行了應力應變分析。由分析結果可知,柔性凸點結構一階固有頻率為2266.9 Hz,滿足軍用電子產品對動力學設計的要求。分別施加X、Y、Z方向激勵后的隨機振動仿真分析結果表明,施加Y方向激勵時銅互連線最大應力出現在靠近銅焊盤的位置處,超過3δ的應力為9.3 MPa,發生概率僅為0.27%。超過3δ范圍的應力遠小于銅材料屈服極限應力。埋置空氣隙柔性凸點結構的應用能較好地滿足電子產品的抗振設計要求,提高電子產品抗振疲勞可靠性。