Simulation-based Investigation of Interface Delamination in Plastic IC Packages under Temperature and Moisture Loading
Buch in deiner Nähe kaufen
Beschreibung
Grenzschicht-Delamination zwischen verschiedenen Materialien ist eine der größten
Herausforderungen für die strukturmechanische Zuverlässigkeit von Mehrschichtsystemen. Viele
Produkte, wie beispielsweise mikroelektronische Baugruppen, enthalten polymer-basierte
Materialien. Da Polymere Feuchtigkeit aufnehmen, stellen die mit Feuchtigkeit verbundenen
Phänomene erhebliche Probleme für die Zuverlässigkeit dieser Produkte dar und können als eine
Hauptursache für viele vorzeitige Ausfälle betrachtet werden.
In der Halbleiterindustrie haben sich als Verkapselungsmaterialien Epoxid-Moldmassen,
sogenannte Epoxy Molding Compounds (EMCs) etabliert. Die Grenzfläche zwischen EMC und
Kupfer-basierten Leadframes in Plastic verkapselten IC-Packages ist als schwächste Grenzfläche
identifiziert. Die meisten Risse in Plastic Encapsulated Microcircuits (PEMs) beginnen und
vergrößern sich an dieser Grenzfläche. Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung
der Mechanismen, die für die Grenzschicht-Delamination verantwortlich sind.
Die experimentellen und numerischen Untersuchungen dieser Forschung lassen sich in vier
Kategorien unterteilen:
Die prozessinduzierten Spannungen werden untersucht, darunter Spannungen infolge
Schrumpfung der Epoxid-Moldmasse und Spannungen aus dem Unterschied zwischen den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Grenzschicht-Materialien. Eine numerische
Lösungsmethode wird vorgeschlagen und durch den Vergleich der Verwölbung eines
einfachen Bi-Material Streifens mit den Ergebnissen aus der Finite Elemente (FE) Analyse
verifiziert.
Es werden Experimente zur Untersuchung der Feuchtediffusion (Absorption, Desorption und
Re-Sorption) mit EMC Proben durchgeführt. Mehrere Probengeometrien und
Alterungsbedingungen werden verwendet, um das ungewöhnliche Verhalten dieser
Materialien in Bezug auf Feuchtigkeit zu verstehen. Zwei der wichtigsten Erkenntnisse sind
die Ermittlung der zweistufigen (dual stage) Feuchtigkeitsaufnahme während der Absorption
und Restfeuchte nach dem Desorptions-Test. Zudem wird die Feuchtediffusion in den EMCs
durch FE-Analyse nachgestellt. Da die Standard FE-Tools nur das Problem der
konventionellen FICK’schen Diffusion direkt lösen können, werden neuartige
Simulationsverfahren vorgeschlagen und überprüft, um die Nicht-FICK’sche zweistufige
Feuchtigkeitsdiffusion zu berücksichtigen.
Die hygroskopische Quellung der Polymere aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme verändert
den Ausdehnungsunterschied zwischen den Materialien und kann so die Zuverlässigkeit von
PEMs verringern. Der Koeffizient der hygroskopischen Schwellung kann experimentell durch
Vorwölbungsmessung der Bimaterial-Streifen ermittelt und in den FE-Code umgesetzt
werden.
Zur Bestimmung der Haftfestigkeit in Bezug auf Grenzflächenbruchzähigkeit sind
bruchmechanische Experimente durchgeführt worden. Dabei waren die Einflüsse von
Temperatur, Alterung in trockenen und feuchten Bedingungen und Mode-Winkel zu
untersuchen. Die Lagerung eines Cu/EMC Bi-Material Streifens in Feuchtigkeit führt zu einer
Verschlechterung der Adhäsion zwischen EMC und Leadframe. Diese
Adhäsionsverschlechterung kann auf den Bindungsabbau zwischen Polymermolekülen und
Leadframe zurückgeführt werden und ist das Ergebnis der Diffusion von Wasser in die
Grenzfläche. Bei Proben, die sich kurzfristig in einer feuchten Umgebung befanden, ist der
Abbau teilweise durch die Anwendung einer geeigneten Hitzebehandlung reversibel. Dagegen
verursacht eine langfristige Lagerung in feuchten Zustand eine ständige Abnahme der
Haftfestigkeit, die auf die Wirkung von Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen und
Polymerketten an der Grenzfläche zurückgeführt wurde.
Die Untersuchung der Delamination in einem Plastic IC Package durch FE-Analyse zeigt, dass
die vorgeschlagene Methode erfolgsreich eingesetzt werden kann, um die kritische Risslänge in
einem Package zu bewerten. Darüber hinaus kann die Methode verwendet werden, um die
Delamination durch optimiertes Design zu vermeiden. Das im Rahmen der Dissertation
entwickelte Modell kann als Werkzeug eingesetzt werden, um geeignete Materialkombinationen
auszuwählen. Es ermöglicht eine schnelle Bauteilbewertung durch Methoden der
experimentellen und numerischen Bruchmechanik.
Autor*in
Mohammad H Shirangi