一种芯片封装结构热机械界面应力的评估方法及评估系统技术方案

本申请提供的芯片封装结构热机械界面应力的评估方法及评估系统，通过实验表征获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；通过仿真获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；比较所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异，并通过优化封装参数，使得所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异趋于一致；根据优化后的参数得到所述芯片封装结构热界面材料与和底部填充胶位置的界面应力，本申请提供的热机械界面应力的评估方法及评估系统，采用翘曲实验与仿真模拟分析结合的方案的成本较低、可行性高，结果准确性高。结果准确性高。结果准确性高。

【技术实现步骤摘要】
一种芯片封装结构热机械界面应力的评估方法及评估系统


[0001]本申请涉及封装应力评估
，特别涉及一种芯片封装结构热机械界面应力的评估方法及评估系统。

技术介绍

[0002]封装结构内部包含多种组件，以倒装芯片为例，内部包含芯片、基板、金属盖、底部填充胶、热界面材料、粘接胶等。当温度变化时，封装内部组件需要协同变形，导致在外观上表现出翘曲变化，即封装表面可能产生凹形或凸形的变形。同时，在封装体内部界面位置会产生应力，造成一定的分层失效风险。
[0003]在倒装芯片封装结构中，由于硅芯片与基板、金属盖、底部填充胶等组元之间的材料特性不同，比如热膨胀系数、杨氏模量等物性参数存在较大差异。这导致封装整体在升温回流或温度循环等过程中产生变形，并且在各连接界面及焊点等部位产生应力。一旦变形或应力超过了材料及界面所能承受的阈值，很可能会导致封装结构发生失效，并引发难以估计的后果。因此，在封装设计环节即需要提前评估封装结构内部的应力水平，以确保在产品实际运行过程中具有良好的可靠性。由于在封装体内的界面分层是一种常见的失效模式，对界面应力的准确评估尤为重要。
[0004]目前国内外已通过实验、仿真以及理论分析等方法对界面应力开展了分析。在实验方面，可以采用使用定制的具有应力传感功能的硅芯片，或者在倒装芯片结构中埋入应变片、光栅等应变或应力传感器，用于监测封装内部在外部环境变化时的应力应变水平。此外，还可以通过构建有限元仿真模型来计算界面应力。对于较为简单的结构，还可以采用解析的方法，通过根据封装结构与外部载荷特点列出包含界面应力的数学方程组，并求解方程组来计算界面应力。
[0005]在各种实验方法中，对于使用定制的具有应力传感功能的硅芯片，存在成本高昂、实现过程难度大等缺点，并且仅通过硅芯片表面的应力传感器，难以反映整个封装结构中的应力程度。对于在倒装芯片结构中埋入应变片、光栅等应变或应力传感器，实验过程也并不容易。尤其是传感器必须在封装结构的制备过程中加入，对于已经制备完好的封装器件无法适用此方法。
[0006]有限元仿真可以通过采用数值计算的方法重构出封装器件的结构与材料特征，并通过施加外部载荷计算出封装内部的应力。但常规有限元仿真的缺点为边界条件的选择等方面较为理想化，不易反映出封装器件的真实条件，如初始表面翘曲、封装结构两侧翘曲程度不一致、封装制程应力等。这样，导致计算出的封装界面应力会与真实的应力存在一定的偏差。解析的方法通常仅使用与多层、颗粒复合等简单的结构，对于倒装芯片这样的结构，采用解析法列出方程组，存在极高的难度。

技术实现思路

[0007]鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷提供一种可以精确的评估倒装芯片热
机械界面应力的芯片封装结构热机械界面应力的评估方法及评估系统。
[0008]为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：
[0009]本申请的目的之一，提供了一种芯片封装结构热机械界面应力的评估方法，包括下述步骤：
[0010]通过实验表征获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；
[0011]通过仿真获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；
[0012]比较所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像，并判断所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像是否趋于一致，若是，进行下一步；若否，优化封装参数并返回上一步；
[0013]根据优化后的参数得到所述芯片封装结构热界面材料与和底部填充胶位置的界面应力。
[0014]在其中一些实施例中，在通过实验表征获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像的步骤中，具体包括下述步骤：
[0015]通过阴影云纹方法获得所述芯片封装结构的翘曲演化图像，其中，测试温度区间为25℃～125℃。
[0016]在其中一些实施例中，在通过仿真获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像的步骤中，具体包括下述步骤：
[0017]构建与所述芯片封装结构一致的有限元仿真模型；
[0018]根据所述有限元仿真模型并采用生死单元模拟所述芯片封装结构的工艺制程，并在仿真中得到25℃与125℃两个温度下的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像。
[0019]在其中一些实施例中，在比较所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异，并通过优化封装参数，使得所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异趋于一致的步骤中，所述封装参数包括封装材料参数及工艺制程参数，所述封装材料参数包括金属盖与基板的热膨胀系数，所述工艺制程参数包括初始温度Ta以及添加金属盖的温度Tb。
[0020]在其中一些实施例中，在根据优化后的参数得到所述芯片封装结构热界面材料与和底部填充胶位置的界面应力的步骤中，具体包括下述步骤：
[0021]将优化后的封装参数代入所述有限元仿真模型，以计算出准确的热界面材料与和底部填充胶位置的界面应力。
[0022]本申请目的之二，提供了一种所述的芯片封装结构热机械界面应力的评估系统，包括：
[0023]实验表征单元：用于通过实验表征获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；
[0024]仿真单元：用于通过仿真获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；
[0025]比较单元：用于比较所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异，并通过优化封装参数，使得所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异趋于一致；
[0026]计算单元，用于根据优化后的参数得到所述芯片封装结构热界面材料与和底部填充胶位置的界面应力。
[0027]在其中一些实施例中，所述实验表征单元通过阴影云纹方法获得所述芯片封装结
构的翘曲演化图像，其中，测试温度区间为25℃～125℃。
[0028]在其中一些实施例中，所述仿真单元包括：
[0029]模型构建模块，用于构建与所述芯片封装结构一致的有限元仿真模型；
[0030]仿真模块，用于根据所述有限元仿真模型并采用生死单元模拟所述芯片封装结构的工艺制程，并在仿真中得到25℃与125℃两个温度下的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像。
[0031]在其中一些实施例中，所述封装参数包括封装材料参数及工艺制程参数，所述封装材料参数包括金属盖与基板的热膨胀系数，所述工艺制程参数包括初始温度Ta以及添加金属盖的温度Tb。
[0032]在其中一些实施例中，所述计算单元用于将优化后的封装参数代入所述有限元仿真模型，以计算出准确的热界面材料与和底部填充胶位置的界面应力。
[0033]本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：
[0034]本申请提供的芯片封装结构热机械界面应力的评估方法及评估系统，通过实验表征获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；通过仿真获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；比较所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异，并通过优化封装参数，使得所述实验表征及所述仿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芯片封装结构热机械界面应力的评估方法，其特征在于，包括下述步骤：通过实验表征获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；通过仿真获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像；比较所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像，并判断所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像是否趋于一致，若是，进行下一步；若否，优化封装参数并返回上一步；根据优化后的参数得到所述芯片封装结构热界面材料与和底部填充胶位置的界面应力。2.如权利要求1所述的芯片封装结构热机械界面应力的评估方法，其特征在于，在通过实验表征获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像的步骤中，具体包括下述步骤：通过阴影云纹方法获得所述芯片封装结构的翘曲演化图像，其中，测试温度区间为25℃～125℃。3.如权利要求1所述的芯片封装结构热机械界面应力的评估方法，其特征在于，在通过仿真获取所述芯片封装结构的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像的步骤中，具体包括下述步骤：构建与所述芯片封装结构一致的有限元仿真模型；根据所述有限元仿真模型并采用生死单元模拟所述芯片封装结构的工艺制程，并在仿真中得到25℃与125℃两个温度下的金属盖侧及基板侧的翘曲演化图像。4.如权利要求3所述的芯片封装结构热机械界面应力的评估方法，其特征在于，在比较所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异，并通过优化封装参数，使得所述实验表征及所述仿真得到的翘曲演化图像差异趋于一致的步骤中，所述封装参数包括封装材料参数及工艺制程参数，所述封装材料参数包括金属盖与基板的热膨胀系数，所述工艺制程参数包括初始温度Ta以及添加金属盖的温度Tb。5.如权利要求4所述的芯片封装结构热机械界面应力的评估方法，其特征在于，在根据优化后的参数得到所述芯片封装结构热界面材料与和底部填充胶位...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟诚，彭旭，周雨，李呈龙，李宇龙，蒋若愚，任琳琳，鲁济豹，孙蓉，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：