一种降低芯片封装界面应力的方法与流程

本发明涉及半导体封装可靠性，尤其涉及一种降低芯片封装界面应力的方法。

背景技术：

1、随着芯片封装向高集成度、小型化方向发展，芯片、封装基板、焊料及封装材料之间的热膨胀系数存在较大差异，在封装固化、回流焊及使用过程中容易产生热失配应力。

2、现有技术通常采用设置缓冲层、应力释放层或优化封装结构等方式降低界面应力，但由于不同材料变形程度不一致，界面应力难以均匀释放，容易在芯片边缘、焊点及材料交界处形成应力集中。长期热循环作用下，应力集中区域易发生界面分层、裂纹扩展及焊点疲劳等失效问题，进而影响芯片封装的可靠性和使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在应力集中区域易发生界面分层、裂纹扩展及焊点疲劳等失效问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种降低芯片封装界面应力的方法，包括：

3、s1、建立封装界面应力模型，获取封装材料及工艺参数，建立封装界面应力模型，预测应力分布并识别应力集中区域；

4、s2、构建梯度柔性界面，根据应力集中区域构建梯度柔性界面层，通过调节力学性能实现局部应力渐进释放；

5、s3、构建应力传递网络，在梯度柔性界面层内构建应力传递网络，引导局部应力向周围区域扩散，降低应力集中；

6、s4、实施分阶段热固化，按照预设温度曲线进行分阶段固化，逐步释放并均衡封装残余应力；

7、s5、进行应力修正，检测封装界面残余应力，对超限区域进行局部修正，直至应力满足预设要求。

8、作为一种优选的实施方式，所述步骤s1包括：获取芯片、封装基板、焊料、底部填充材料及塑封材料的热膨胀系数、弹性模量、泊松比、几何尺寸及封装工艺参数；根据所述材料参数和工艺参数建立封装界面应力模型，对封装固化及热循环过程中的界面应力进行模拟分析，获得封装界面的应力分布，并确定应力集中区域的位置、范围及应力等级；

9、s1-1、界面应力梯度函数，用于计算封装界面不同位置的应力集中程度：

10、,

11、其中：：界面应力梯度指数，：x方向正应力，：y方向正应力，：界面剪切应力，：界面坐标，：界面切向坐标，：剪应力权重系数；

12、s1-2、考虑不同材料热膨胀失配：

13、,

14、其中，：第i层界面热应力，：材料弹性模量，：泊松比，：材料热膨胀系数，：邻层等效热膨胀系数，：温度变化量，：距界面的距离，：应力衰减长度；

15、s1-3、界面应力集中系数：

16、,

17、其中：：界面应力集中系数，：最大界面应力，：平均界面应力，：梯度修正系数，：应力梯度，：最大梯度；

18、s1-4、封装综合应力等级指数：

19、,

20、其中：：综合应力等级，：权重系数；：vonmises应力，：材料屈服应力，：最大剪切应力，：界面允许剪应力，：应力梯度指数，：参考梯度值；

21、s1-5、面危险度评价函数：

22、,

23、其中：：界面危险度指数，：应力集中区域，：敏感指数；

24、s1-6、封装工艺影响因子，将固化工艺引入模型：

25、,

26、其中：：工艺影响系数，：固化温度，：固化时间，：升降温速率，：参考工艺参数，：工艺敏感系数；

27、随后修正应力：

28、,

29、：修正后的界面应力，：初始计算得到的界面热应力。

30、作为一种优选的实施方式，所述应力集中区域依据等效应力值划分为高应力区域、中应力区域和低应力区域，并根据各区域的应力等级确定梯度柔性界面层的材料组成、厚度及弹性模量。

31、作为一种优选的实施方式，所述步骤s2包括：梯度柔性界面层沿芯片至封装基板方向形成连续变化的力学性能梯度，使柔性界面层的弹性模量由高应力区域向低应力区域逐渐增大，以降低界面刚度突变造成的应力集中；

32、s2-1、梯度柔顺连续性函数，用于描述梯度柔性界面层沿厚度方向的连续力学性能变化：

33、，

34、其中：：位置处的梯度柔顺系数；：高应力区域对应的初始柔顺系数；：低应力区域对应的终止柔顺系数，：界面厚度方向坐标；：梯度柔性界面层总厚度；：梯度连续调节指数；用于描述柔顺性能由芯片侧逐渐向封装基板侧连续变化，而不是阶跃变化，

35、s2-2、梯度层间过渡平滑指数，用于评价不同层材料之间过渡是否平滑：

36、，

37、其中：：层间过渡平滑指数；：梯度层总数；：第层柔顺系数，：相邻下一层柔顺系数，：柔顺差异归一化常数；越接近1，说明层间过渡越连续；越接近0，说明材料突变越明显；

38、s2-3、梯度刚度缓释因子，用于评价梯度结构对刚度突变的削弱能力：

39、，

40、其中：：梯度刚度缓释因子；：第层与第层之间的力学性能差值；：梯度层数；，表示相邻层性能变化率；用于评价梯度设计是否能够有效避免刚度突变，

41、s2-4、梯度协调传递指数，用于评价载荷在梯度层中的协调传递能力：

42、，

43、其中：：梯度协调传递指数；：相邻梯度层性能变化率；：梯度层数；数值越接近1，说明外部载荷能够更加平滑地传递；数值降低，则说明局部存在较大的性能跳变；

44、s2-5、梯度层设计优选函数，用于综合评价梯度界面的设计效果：

45、，

46、其中：：梯度层综合评价值，、、、：评价权重系数，：层间过渡平滑指数；：梯度刚度缓释因子；：梯度均匀度；：梯度协调传递指数；

47、其中，梯度均匀度定义为梯度柔顺系数整体分布接近理想线性或指数型分布的程度，可表征为：

48、，

49、其中：：梯度均匀度；：第层实际柔顺系数；：理想分布下的参考柔顺系数；

50、越接近1，说明层间过渡越连续，越接近0，说明材料突变明显。

51、作为一种优选的实施方式，所述梯度柔性界面层采用不同弹性模量材料依次层叠形成，使梯度柔性界面层具有连续变化的柔顺性能。

52、作为一种优选的实施方式，所述步骤s3包括：应力传递网络由多个相互连通的应力传递单元组成，各应力传递单元沿至少两个不同方向布设，形成多方向应力扩散路径，使局部应力向相邻区域逐步传递并重新分布；

53、s3-1、应力传递单元密度自适应调节函数，用于体现高应力区域布设密度高于低应力区域：

54、,

55、其中：：位置处应力传递单元分布密度，：基础传递单元密度，：区域应力等级表征量，：密度调节指数；

56、s3-2、多方向应力扩散方向因子，用于描述应力传递单元沿不同方向布设形成的扩散能力：

57、,

58、其中：：多方向应力扩散方向因子，：应力传递路径方向数量，：第方向路径权重系数，：第方向应力传递路径角度，：局部主应力扩散方向角。

59、作为一种优选的实施方式，所述应力传递单元的尺寸、间距及分布密度根据对应区域的应力等级进行调整，其中高应力区域的应力传递单元布设密度大于低应力区域，以提高应力扩散能力。

60、s3-3、应力路径迁移效率系数，用于评价局部应力经过多个传递单元后重新分布的效率：

61、,

62、其中：：应力路径迁移效率系数，：应力传递路径数量，：第路径上的输入应力传递量，：第路径上的输出应力分散量，：防止分母为零的修正因子；

63、s3-4、应力网络综合扩散评价函数，用于综合评价应力传递网络设计效果：

64、,

65、其中：：应力传递网络综合评价值，、、、：评价权重系数，：网络连通扩散指数，：多方向扩散方向因子，：应力路径迁移效率系数，：空间均衡优化指数。

66、作为一种优选的实施方式，所述步骤s4包括：分阶段热固化包括预热阶段、升温固化阶段、保温阶段及降温阶段，在各保温阶段保持预设时间，以释放固化过程中产生的热应力并促进残余应力重新分布；

67、s4-1、材料固化适配函数，体现热固化工艺参数与封装材料固化特性的匹配程度：

68、,

69、其中：：材料固化适配度，：第m阶段重要性权重，：第m阶段工艺特征值，：材料最佳固化特征值；

70、s4-2、保温应力释放效率函数，描述保温阶段对应力释放能力的贡献：

71、,

72、其中：：保温应力释放效率，：保温阶段数量，：第n保温阶段释放响应系数，：第n保温阶段保持时间。

73、作为一种优选的实施方式，各阶段的升温速率、保温温度、保温时间及降温速率根据封装材料的固化特性及应力分布结果进行调整，使各阶段产生的残余应力逐步降低。

74、s4-3、阶段残余应力衰减系数，用于评价整个分阶段热固化过程中残余应力的衰减程度：

75、,

76、其中：：阶段残余应力衰减系数，：热固化阶段总数，：第m阶段持续时间权重，：第m阶段残余应力保持率；

77、s4-4、分阶段热固化综合优化指标，综合评价整个分阶段热固化工艺：

78、,

79、其中：：热固化综合优化指标，：各评价项权重，：阶残余应力衰减系数，：保温应力释放效率，：升降温协调指数，：温度保持稳定度，：材料固化适配度。

80、作为一种优选的实施方式，所述步骤s5包括：再次检测封装界面的残余应力，并将检测结果与预设应力阈值进行比较，当局部区域残余应力超过预设阈值时，对对应区域进行局部热补偿、局部柔性调节或局部应力释放处理，重复检测与修正直至封装界面的残余应力满足预设均匀性要求。

81、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，

82、1、本发明通过建立封装界面应力模型，对芯片、封装基板、焊料及封装材料之间因热膨胀系数差异产生的应力分布进行预测，准确识别封装界面的应力集中区域，并结合梯度柔性界面层对应力集中区域实施针对性的柔顺调节，使界面刚度沿厚度方向连续变化，减弱不同材料之间因变形不一致导致的应力突变，促进热失配应力在界面区域内逐步扩散与均匀释放，从而有效降低芯片边缘、焊点及材料交界处的局部应力集中，提高封装界面的整体受力均匀性。

83、2、本发明通过在梯度柔性界面层内构建多方向应力传递网络，并结合分阶段热固化工艺，使封装过程中产生的热应力能够沿多个传递路径逐步重新分布，在各固化阶段持续释放并均衡残余应力，避免传统单一缓冲层对应力释放能力有限的问题，减少局部区域因热循环累积形成的高应力状态，从而降低界面分层、裂纹萌生及裂纹扩展的发生概率，进一步提高封装结构在长期热循环环境下的稳定性和可靠性。

84、3、本发明在封装完成后对界面残余应力进行再次检测，并针对超过预设阈值的局部区域实施热补偿、柔性调节或应力释放等局部修正措施，通过检测与修正的循环迭代，使封装界面残余应力逐步趋于均匀，避免局部应力长期集中引起焊点疲劳、界面开裂及封装失效，同时减少材料性能离散及工艺波动对应力分布的影响，提高芯片封装的一致性、长期服役可靠性及使用寿命。