电子封装材料力学性能的鼓泡测试装置与方法研究

论文摘要

电子封装作为器件到系统的桥梁,是芯片生产完成后不可缺少的一道工序,它的品质对于微电子产品的竞争力具有极大的影响。电子封装材料可以承载电子元器件及其相互连接,具有机械支持、密封环境、信号传递、散热和屏蔽等作用,其力学性能影响电子器件的寿命。评估电子封装材料的力学性能及关键界面的强度对于整个器件的可靠性至关重要。电子封装中大部分材料多以薄膜形式存在,比如钝化层和再布线层厚度只有几微米,有的甚至达到纳米级别。薄膜材料的力学性能与具有相同化学成分的块体材料的力学性能有较大差异,传统的力学性能测试技术和设备也不太适用于薄膜材料的测试。针对于封装中常出现力学问题和界面问题,研制一套测量电子封装材料力学性能和界面强度的装置,对于电子封装材料的可靠性研究具有重要的意义。首先搭建了一套可加热的鼓泡测试装置,其包括夹具模块、液压装置模块、挠度测量模块、加热模块和保温模块。为了验证所搭建装置的测量精度,分别用鼓泡测试装置和超高精度动静态微力试验机测量厚度为0.03 mm和0.05 mm黄铜的弹性模量和屈服强度。实验结果表明两种实验方法测定的数值具有一致性,对于0.03 mm的黄铜,两种实验方法测得弹性模量数值相差3.7%,屈服强度相差9.0%。对于0.05 mm的黄铜,弹性模量数值相差4.9%,所测屈服强度数值相差2.1%。无论是弹性模量还是屈服强度,测量结果都非常接近,证明鼓泡测试装置测量薄膜的弹性模量和屈服强度的结果是可靠的,进而验证了装置的精度。温度会影响电子封装材料的力学性能,当温度过高时,封装结构中各相邻材料热膨胀系数发生失配。在较大温度差作用下产生局部热应力,易导致封装结构失效。利用鼓泡测试装置的加热模块,测量了0.05 mm黄铜在25℃、60℃、100℃和140℃条件下的弹性模量、屈服强度和预应力变化情况。通过对比四种不同温度下的实验结果,发现预应力无明显变化,数值较为稳定。黄铜的弹性模量和屈服强度都随着温度的升高而逐渐降低。为了进一步研究典型电子封装材料的力学性能,利用鼓泡测试装置测量了硅片和聚酰亚胺薄膜的弹性模量。重点介绍了聚酰亚胺薄膜试样的制备方法,制备需要经过旋涂聚酰亚胺涂层胶、旋涂光刻胶、曝光、显影、硬烘和刻蚀工艺,最后经过激光切割完成。除此以外,电子封装材料之间的界面结合强度也是一个非常重要的力学参数,实验过程中利用彩泥填充去除法制备试样,通过改进的预定义鼓泡半径的方法测量硅片与干膜TMMRS2000之间的粘附强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 电子封装材料简介
•     1.2.1 电子封装材料分类
•     1.2.2 电子封装材料的力学性能
•   1.3 电子封装材料力学性能的测试方法
•     1.3.1 纳米压痕法
•     1.3.2 双悬臂梁法
•     1.3.3 四点弯曲法
•     1.3.4 鼓泡法
•   1.4 鼓泡测试装置研究现状
•   1.5 论文的主要内容
• 第2章 鼓泡测试装置的搭建
•   2.1 引言
•   2.2 鼓泡法力学模型研究进展
•     2.2.1 小挠度圆形薄膜理论模型
•     2.2.2 球帽理论模型
•     2.2.3 界面结合强度理论模型
•   2.3 鼓泡测试装置的搭建
•     2.3.1 夹具模块
•     2.3.2 液压装置模块
•     2.3.3 挠度测量模块
•     2.3.4 加热模块和保温模块
•   2.4 本章小结
• 第3章 温度对于黄铜力学性能的影响
•   3.1 引言
•   3.2 鼓泡装置精度验证
•     3.2.1鼓泡实验
•     3.2.2拉伸实验
•     3.2.3 结果分析
•   3.3 温度对于黄铜力学性能的影响
•     3.3.1 温度对黄铜弹性模量的影响
•     3.3.2 温度对于黄铜预应力的影响
•     3.3.3 温度对于黄铜屈服强度的影响
•     3.3.4 结果分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 典型电子封装材料力学性能的测定
•   4.1 引言
•   4.2 单晶硅弹性模量的测定
•     4.2.1 单晶硅试样制备
•     4.2.2 实验过程
•     4.2.3 实验结果分析
•   4.3 聚酰亚胺薄膜力学性能的测定
•     4.3.1 聚酰亚胺薄膜试样制备
•     4.3.2 鼓泡实验过程
•     4.3.3 实验结果分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 封装材料界面结合强度的测定
•   5.1 引言
•   5.2 试样制备方法
•   5.3 界面结合强度实验
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张伟

导师: 秦飞

关键词: 方法研究,力学性能,电子封装材料,鼓泡测试装置

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,无线电电子学

单位: 北京工业大学

基金: 国家自然科学基金项目(11502005):减薄晶圆损伤层残余应力和力学性能测量方法研究

分类号: O341;TN05

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000740

总页数: 80

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