CN105424240A - 一种ic塑封残余应力的观测比较方法 - Google Patents

一种ic塑封残余应力的观测比较方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种IC塑封残余应力的观测比较方法,包括以下步骤:(1)塑封材料选取:根据相似定理,选取合适的透明塑封材料代替原有色料,建立物理相似模型;(2)塑封:采用原有色料的塑封工艺,利用所选取的透明塑封材料在塑封压机上完成塑封;(3)采集应力偏光图:在塑封压机上完成塑封后,采用应力偏光仪对塑封后封装体应力偏光图进行采集;(4)比较不同条件下的应力偏光图色度及试件应力的变化情况;(5)利用相似理论近似计算原有色料残余应力;本发明能够直观地观测到残余应力的分布,并比较不同条件下的残余应力的大小及其随其他条件的变化规律,可用于研究改进工艺方案和模具结构,提高塑封质量及效率。

Description

一种IC塑封残余应力的观测比较方法
[技术领域]
本发明涉及半导体技术领域,具体地说是一种集成电路IC塑封残余应力的观测比较方法,特别是针对以环氧树脂料封装的半导体器件中残余应力现象。
[背景技术]
随着IC技术的飞速发展,对产品可靠性和使用寿命方面的要求不断提高。集成电路的封装是对半导体集成电路芯片外壳的成型包封,是半导体器件生产中至关重要的一步。塑封工艺和模具是半导体器件封装工序中极其重要的手段和装备。虽然现代塑封技术已较为成熟,但仍有很多不足之处,封装残余应力即为塑封成型过程中最重要的缺陷之一,直接影响了产品的可靠性。
集成电路元件常常因为封装残余应力的存在与释放,造成界面分层、金线脱焊,甚至开裂等失效,同时,残余应力的存在也影响了器件的电性能参数的稳定性。封装残余应力形成原因是:塑封料与引线框、芯片和金线等热膨胀系数相差过大,收缩不均。随着多引脚数IC的发展,结构的集成化、复杂化、微型化,在封装中的残余应力对可靠性的影响越来越显著,这也使得对封装残余应力的检测与研究受到越来越多的关注,迫切的需要一种更简便、更通用的检测方法来为进行降低残余应力的研究提供帮助。
塑封已广泛应用于IC元件的生产中,塑封材料现广泛的采用环氧树脂。除了光学半导体封装外,一般塑封料大多为有色的,不能对残余应力进行直接观测。目前,对于非透明塑封体中残余应力的研究大多基于数值模拟或专用的压阻应力测试芯片。其中,数值模拟结果与实际情况存在较大差异,对工艺的优化等也只能达到很粗糙的处理,不能准确的对封装残余应力情况进行控制研究,且模拟需要设置材料诸多性质及工艺参数等,实际工作量大,而结果十分不精确。压阻应力测试芯片是利用硅的压阻效应,通过测量附加应力导致的电阻变化来测量芯片表面的应力状态。由于配置和压阻器数量等的限制,压阻应力测试芯片有一定的尺寸限制,且只能检测局部残余应力,对于越来越趋于尺寸小型化、集成化的IC封装体来说,不仅应用受到很大限制,也不能反应应力分布状态。随着微电子封装越来越向小型化发展,残余应力问题越来越显著,而现有检测方法又有很大局限性,急切需要提出一种更通用可靠方便的测量比较方法。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种IC塑封残余应力的观测比较方法,能够直观地观测到残余应力的分布,并比较不同条件下的残余应力的大小及其随其他条件的变化规律,可用于研究改进工艺方案和模具结构,提高塑封质量及效率。
为实现上述目的设计一种IC塑封残余应力的观测比较方法,包括以下步骤:
(1)塑封材料选取:根据相似定理,选取合适的透明塑封材料代替原有色料,建立物理相似模型,该透明塑封材料与原有色料的性能参数相似、组成成分相同;
(2)塑封:采用原有色料的塑封工艺,利用所选取的透明塑封材料在塑封压机上完成塑封;
(3)采集应力偏光图:在塑封压机上完成塑封后,采用应力偏光仪对塑封后封装体应力偏光图进行采集;
(4)比较不同条件下的应力偏光图色度及试件应力的变化情况:将采集的应力偏光图按工艺条件命名排列,利用图像处理软件观测应力偏光图中应力变化,基于光弹性理论和图像处理技术,采集应力偏光图上各颜色处RGB值,建立应力偏光图RGB值与对应应力的数据库,通过应力偏光图色度的变化观测工艺参数对残余应力的影响规律;
(5)利用相似理论近似计算原有色料残余应力:建立相似模型中残余应力数值的近似计算公式,记原有色料最大残余应力为σys,热膨胀系数为(CTE)ys,相似透明材料最大残余应力为σws,热膨胀系数为(CTE)ws,近似计算公式为将采集的RGB值导入上述应力偏光图RGB值与对应应力的数据库中,获得具体应力值,通过相似计算公式获得原有色料的应力值,观测并比较不同条件下的残余应力变化情况。
步骤(1)中,所述性能参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、热传导率和比热,透明塑封材料的热膨胀系数与原有色料相同或成比例关系,其他性能参数的相似系数为1,所述组成成分中,除了影响材料透明度的组成成分外,其他组成成分均与原有色料保持相同。
步骤(3)中,采集应力偏光图时,使应力偏光仪的位置固定、光线稳定,拍摄设备和被测量产品摆放位置均采用夹具固定,保持摄像头在同一位置采集图片,确保各产品应力偏光图在相同条件相同位置取得。
步骤(4)中,由光弹性理论可知,一种颜色的应力偏光图对应的残余应力值是一定的,利用标准试样,通过光弹性法测定不同颜色所对应的应力具体数值,同时利用图像处理软件测量应力偏光图中颜色的RGB值,从而将颜色数字化,然后将其与其应力值一一对应,建立应力偏光图RGB值与对应应力的数值库。
本发明同现有技术相比,具有如下优点:
(1)能够直观地观测到残余应力的分布,并比较不同条件下的残余应力的大小及其随其他条件的变化规律,从而可用来研究改进工艺方案和模具结构,提高塑封质量及效率;
(2)由于本方法属于无损检测,且方法简单经济,可以减少材料损耗,节约生产成本;
(3)本方法采用相似理论和光弹性方法进行,同时结合图像处理技术,通过建立应力偏光图RGB值与对应应力之间的数据库,通过相似原理进行参数修正后,弥补封装试验用透明料和实际采用的封装料之间可通性,实现了应力偏光图与应力的数字化、直观化,使测量比较方法简便可行;
(4)本方法在同类检测方法中受产品尺寸限制较小,适用于现在塑封向超小超薄的发展趋势,具有更强的实用性和适应性。
[附图说明]
图1为本发明的流程示意图;
图2为本发明的封装示意图;
图3为本发明实施例中塑封后应力偏光图采集100倍放大倍率的图;
图4为本发明实施例中实验方案1的应力偏光变化图;
图5为本发明实施例中实验方案2的应力偏光变化图;
图6为本发明实施例中保压压力与残余应力的关系示意图;
图7为本发明实施例中注塑压力与残余应力的关系示意图。
[具体实施方式]
本发明包括以下步骤:
(1)塑封材料选取:根据相似定理,选取合适的透明塑封材料代替原有色料,建立物理相似模型,该透明塑封材料与原有色料的性能参数相似、组成成分相同;所述性能参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、热传导率和比热,透明塑封材料的热膨胀系数与原有色料相同或成比例关系,其他性能参数的相似系数为1,所述组成成分中,除了影响材料透明度的组成成分外,其他组成成分均与原有色料保持相同;
(2)塑封:采用原有色料的塑封工艺,利用所选取的透明塑封材料在塑封压机上完成塑封;
(3)采集应力偏光图:在塑封压机上完成塑封后,采用应力偏光仪对塑封后封装体应力偏光图进行采集;采集应力偏光图时,使应力偏光仪的位置固定、光线稳定,拍摄设备和被测量产品摆放位置均采用夹具固定,保持摄像头在同一位置采集图片,确保各产品应力偏光图在相同条件相同位置取得。
(4)比较不同条件下的应力偏光图色度及试件应力的变化情况:将采集的应力偏光图按工艺条件命名排列,利用PHOTOSHOP软件观测应力偏光图中应力变化,基于光弹性理论和图像处理技术,采集应力偏光图上各颜色处RGB值,建立应力偏光图RGB值与对应应力的数据库,通过应力偏光图色度的变化观测工艺参数对残余应力的影响规律;由光弹性理论可知,一种颜色的应力偏光图对应的残余应力值是一定的,利用标准试样,通过光弹性法测定不同颜色所对应的应力具体数值,同时利用PHOTOSHOP软件测量应力偏光图中颜色的RGB值,从而将颜色数字化,然后将其与其应力值一一对应,建立应力偏光图RGB值与对应应力的数值库。
(5)利用相似理论近似计算原有色料残余应力:建立相似模型中残余应力数值的近似计算公式,记原有色料最大残余应力为σys,热膨胀系数为(CTE)ys,相似透明材料最大残余应力为σws,热膨胀系数为(CTE)ws,近似计算公式为将采集的RGB值导入上述应力偏光图RGB值与对应应力的数据库中,获得具体应力值,通过相似计算公式获得原有色料的应力值,观测并比较不同条件下的残余应力变化情况。
本发明所述的观测比较方法具体包括如下的步骤:
(1)塑封材料选取。
在完成芯片粘结和金线焊接后,半导体进入塑封环节。在实际塑封中,除了光学器件外,大多器件的塑封料为有色料,这给研究造成了困难。为了克服该困难,本方法引入了光弹性方法和相似理论。根据相似定理,建立物理相似模型,选取材料性能参数相似和主要组成成分相同的透明塑封材料来代替原有色料。
①材料性能主要参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、热传导率、比热,其中热膨胀系数是影响残余应力的主要原因,应尽量相同,或成比例关系,以便通过相似定理获得原有色料的残余应力变化规律。其他参数的相似系数要尽可能维持在1,以减少相似模型偏差。
②材料成分中除了影响材料透明度的成分外,其他主要成分应保持相同。同时材料的工艺范围应与原有色料有较大重合,便于塑封中采用相同的加工边界条件。
(2)塑封:塑封过程中要采用原有色料的塑封工艺来进行模塑,以保证相似理论的边界条件的合理性。
(3)采集应力偏光图。
利用相似材料在塑封压机上完成塑封后,采用应力偏光仪对塑封后封装体应力偏光图进行采集,并在图中标明浇口位置,以便比较。在采集图像中,为了保证不同条件下产品进行比较的合理性和科学性,应使个产品应力偏光图是在相同条件相同位置取得。故要求:
①应力偏光仪的位置固定,光线稳定;
②被测量产品摆放位置应有专门的夹具固定,以保持每个被测产品被测位置相同;
③拍摄设备应有专用夹具固定,保持摄像头在同一位置采集图片。
(4)比较不同条件下的应力偏光图色度及试件应力的变化情况。
将图片以工艺条件命名排列,利用PHOTOSHOP软件观测应力偏光图中应力变化。基于光弹性理论,通过应力偏光图色度的变化研究工艺参数等对残余应力的影响规律。
由光弹性理论可知,一种颜色的应力偏光图对应的残余应力值是一定的。故可利用标准试样,通过光弹性法测定不同颜色所对应的应力具体数值。同时利用PHOTOSHOP软件测量应力偏光图中颜色的RGB值,从而将颜色数字化,然后将其与其应力值一一对应,从而建立应力偏光图RGB值与对应应力的数值库,实现应力测量的的简便化、直观化、快速化、准确化。
(5)利用相似理论近似计算原有色料残余应力
基于相似理论和多种环氧塑封料的数值模拟与实验验证,以及国内外研究结果,发现封装残余应力主要是由封装体各材料的热膨胀系数不匹配引起的,且不同环氧塑封料在其他机械属性基本相近的情况下,它们的最大残余应力的比值和材料热膨胀系数的比值基本相近,故可以建立本方法的相似模型中残余应力数值的近似计算公式。记原有色料最大残余应力为σys,热膨胀系数为(CTE)ys;相似透明材料最大残余应力为σws,热膨胀系数为(CTE)ws。故近似计算公式为 σ y s ≈ ( C T E ) y s ( C T E ) w s · ( C T E ) w s .
以下结合具体实施例对本发明作进一步的描述:
以SSOP20L塑封模块为例,其常用塑封料为三星电子有限公的SL-7300SPM黑色料。本实验中将采用中新泰合有限公司的TH-3100透明环氧塑封料代替SL-7300SPM料。因为通常非光学元件封装多采用有色塑封料,导致无法利用光弹性方法进行观察内应力。TH-3100透明料各项机械性能与主要材料成分均与常用的三星电子有限公司SL-7300SPM料相似,其性能参数如表1所示。如下所示,表1为相似理论选取材料与原材料性能参数对比表,表2为相似理论选取材料与原材料成型工艺对比表。
材料参数 SL-7300SPM TH-3100
弹性模量(GPa) 24 16.5
泊松比 0.25 0.23
热膨胀系数(/℃) 3.01e-05 6.50e-05
密度(kg/m3) 770 850
热传导率(W/m·℃) 0.75 0.82
比热(J/kg·℃) 550 500
表1
工艺参数 SL-7300SPM TH-3100
模具温度(℃) 165-185 145-180
注塑压力(MPa) 3-15 3-18
注塑时间(s) 10-20 20-50
固化时间(s) 60-120 110-150
表2
由表1可知,两种材料的热膨胀系数近似成比例关系,其他参数基本相近;且由表2可知,两种材料有较大工艺重合范围。故可根据相似理论,通过TH-3100料的实验结果推导出有色料的残余应力变化规律。试验设备采用65吨塑封压机和MGP塑封模架及SSOP20L专用试验模盒;浇口入射角为20度,厚度为0.25mm;试验工艺参数设置如表3所示。
表3
由表3可知,设计了两组实验,分别比较保压压力和注塑压力对塑封残余应力的影响,提出优化优化工艺的方法。本发明提供了一种IC塑封残余应力的定性测量比较方法,该测量方法包括如下的步骤:
⑴粘接芯片、焊接金线,如附图2所示,根据相似性理论选取合适塑封材料,对塑封料进行回温,为塑封做准备。
⑵如附图3所示,在65吨塑封压机上完成塑封后,采用应力偏光仪对塑封后封装体应力偏光图进行采集,采集100倍放大倍率的图,并标明浇口位置,以便比较。
⑶将图片以工艺条件命名排列,观测应力偏光图中应力条纹颜色变化,研究工艺参数对残余应力的影响,结果如附图4和附图5所示。附图4上在方案1中,应力的颜色由鲜艳逐渐变为单调,即彩色鲜艳的应力条纹随着保压压力的增大,逐渐稳定为淡蓝色,从而可以证明残余应力随保压压力的变大而减小。附图5上在方案2中保压压力为13MPa,可看出虽然不是很明显,但3MPa下应力条纹相对淡些。
利用PHOTOSHOP软件测量偏光图中颜色最深处的RGB值,导入数据库中获得相应应力值,由近似计算公式可获得原材料的近似应力值。比较应力变化情况,如附图6和附图7所示,可得出,在工艺选择时,可以选择较低的注射压力,较高的保压压力,这样有利于降低残余应力。
通过以上的测量比较方法达到了对残余应力现象的直接观察及比较效果,观察残余应力的规律及其与工艺方案的联系,从而对工艺方案进行优化。
综上所述:本发明公开了一种IC塑封残余应力的观测比较方法,该观测比较方法:(1)给予光弹性方法和图像处理技术,建立应力条纹RGB值与应力值一一对应数据库;(2)根据相似性理论选取合适的透明塑封材料代替原有色料,进行相似性实验;(3)基于光弹性方法,利用应力偏光仪采集封装后模块应力偏光图,将采集的应力偏光图按工艺条件命名,采集应力偏光图上各颜色处RGB值;(4)将采集的RGB值导入“RGB值与应力值一一对应数据库中,获得具体应力值。通过相似计算公式获得原有色料的应力值,比较不同工艺等条件下获得的残余应力值的变化,从而研究残余应力的变化情况与降低方法。因此可见,本发明可直观地观测到残余应力的分布,同时可以直观定量比较不同条件下的残余应力变化情况,从而改进工艺方案和模具结构,提高塑封质量及效率,大大提高塑封半导体产品的质量。
本发明并不受上述实施方式的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种IC塑封残余应力的观测比较方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)塑封材料选取:根据相似定理,选取合适的透明塑封材料代替原有色料,建立物理相似模型,该透明塑封材料与原有色料的性能参数相似、组成成分相同;
(2)塑封:采用原有色料的塑封工艺,利用所选取的透明塑封材料在塑封压机上完成塑封;
(3)采集应力偏光图:在塑封压机上完成塑封后,采用应力偏光仪对塑封后封装体应力偏光图进行采集;
(4)比较不同条件下的应力偏光图色度及试件应力的变化情况:将采集的应力偏光图按工艺条件命名排列,利用图像处理软件观测应力偏光图中应力变化,基于光弹性理论和图像处理技术,采集应力偏光图上各颜色处RGB值,建立应力偏光图RGB值与对应应力的数据库,通过应力偏光图色度的变化观测工艺参数对残余应力的影响规律;
(5)利用相似理论近似计算原有色料残余应力:建立相似模型中残余应力数值的近似计算公式,记原有色料最大残余应力为σys,热膨胀系数为(CTE)ys,相似透明材料最大残余应力为σws,热膨胀系数为(CTE)ws,近似计算公式为将采集的RGB值导入上述应力偏光图RGB值与对应应力的数据库中,获得具体应力值,通过相似计算公式获得原有色料的应力值,观测并比较不同条件下的残余应力变化情况。
2.如权利要求1所述的IC塑封残余应力的观测比较方法,其特征在于:步骤(1)中,所述性能参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、热传导率和比热,透明塑封材料的热膨胀系数与原有色料相同或成比例关系,其他性能参数的相似系数为1,所述组成成分中,除了影响材料透明度的组成成分外,其他组成成分均与原有色料保持相同。
3.如权利要求1或2所述的IC塑封残余应力的观测比较方法,其特征在于:步骤(3)中,采集应力偏光图时,使应力偏光仪的位置固定、光线稳定,拍摄设备和被测量产品摆放位置均采用夹具固定,保持摄像头在同一位置采集图片,确保各产品应力偏光图在相同条件相同位置取得。
4.如权利要求3所述的IC塑封残余应力的观测比较方法,其特征在于:步骤(4)中,由光弹性理论可知,一种颜色的应力偏光图对应的残余应力值是一定的,利用标准试样,通过光弹性法测定不同颜色所对应的应力具体数值,同时利用图像处理软件测量应力偏光图中颜色的RGB值,从而将颜色数字化,然后将其与其应力值一一对应,建立应力偏光图RGB值与对应应力的数值库。
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