CN110457809B - 一种系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，属于系统级封装技术领域，其特征在于：第一步通过建立系统级封装结构模型，确定影响微凸点可靠性的材料因素及水平建立正交试验设计组合，再以微凸点热应力为响应进行分析，利用田口方法得到材料因素优化组合；第二步确定影响微凸点可靠性的结构因素及范围通过中心复合法建立试验设计组合，再以结构因素进行参数优化选择，完成系统级封装微凸点可靠性的结构参数优化。两步法从系统级封装微凸点结构自身及其所处整体环境出发研究微凸点可靠性问题，考虑了系统级封装整体结构与微凸点可靠性的关系，达到了提高微凸点可靠性的目的，有效提高了系统级封装的可靠性并减小了研发周期。

Description

一种系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法
技术领域
本发明属于系统级封装技术领域，尤其涉及一种系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法。
背景技术
系统级封装的可靠性是系统级封装技术发展面临的首要挑战，其中微凸点的可靠性问题是重要研究方向之一。微凸点的可靠性问题除了与微凸点自身的结构参数和材料相关外，还与其位置相关，不同位置所处的服役环境也不一致。在实际工艺流程中，微凸点的服役环境和位置对微凸点可靠性问题也会产生较大影响，在温度循环的作用下，由于微凸点与其他结构的热膨胀系数不一致,在内部产生热应力和热应变，并由此产生裂纹，最后导致微凸点完全开裂，导致整个器件的失效，所以在研究微凸点可靠性问题时，还需要从微凸点所处的整体环境出发考虑整体结构的影响。
系统级封装的可靠性问题的分析目前并没有一套统一的流程标准，针对关键结构微凸点的可靠性的研究较少。而现有的微凸点可靠性优化方法的研究主要是从微凸点本身角度出发，只考虑微凸点的属性参数问题，却忽略了其他结构因素对微凸点可靠性的影响，可能导致针对微凸点优化的因素不完备从而无法得到最优化结果。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，从系统级封装微凸点结构自身及其所处整体环境出发，提供一种系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法。
本发明所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，包括如下步骤：
1)建立系统级封装结构模型；
2)选取影响微凸点可靠性的材料因素及水平；
3)以选取的系统级封装结构模型的材料因素及水平建立正交试验设计组合，再以微凸点的热应力为响应条件，利用有限元分析软件对正交试验组合进行仿真，对系统级封装的微凸点进行热应力分析，利用正交法对系统级封装结构的材料参数进行优化选择，利用田口方法得到最优化的材料参数组合；
4)选取影响微凸点可靠性的结构因素及范围，利用中心复合法建立试验设计组合，以微凸点热应力为响应条件，对结构因素进行参数优化选择，通过建立回归方程得到最终的结构参数组合；完成系统级封装微凸点可靠性的结构参数优化。
本发明所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，所述系统级封装结构模型包含基板、再分布层、微凸点、裸芯片和环氧塑封料。
本发明所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，所述系统级封装结构模型中因素包括再分布层材料，环氧塑封材料和填充层材料，微凸点的结构参数，裸芯片层的厚度和再分布层厚度。
本发明所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，步骤3)所述得到影响微凸点可靠性的关键性因素时，引入信噪比的进行对比分析，信噪比公式如下：
Figure GDA0003954945610000021
其中为n试验次数，σi为第i次试验的微凸点热应力。
本发明所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，步骤3)所述对于微凸点的热应力分析采用弹塑性蠕变模型分析，并用蠕变效应做微凸点寿命分析；对于疲劳-蠕变失效，其应变速率采用双曲正弦关系描述：
Figure GDA0003954945610000022
其中σ是等效Von Mises热应力，α是幂定律失效应力水平，nd是位错相关应力指数，Ac是材料相关常数，Eac是蠕变激活能。疲劳是材料在交变应力的多次作用下发生损伤或破坏的现象。蠕变是材料在较高温度下发生的与时间相关的一种失效形式，与应力水平、温度密切相关。
本发明所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，所述有限元分析软件为COMSOL或ANSYS或ABAQUS。
本发明所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，从系统级封装微凸点结构自身及其所处整体环境出发，分析材料因素和结构因素对微凸点可靠性的影响，第一步对系统级封装材料因素进行优化，利用田口方法得到材料参数的最优化组合；第二步针对系统级封装结构因素进行精确优化，利用中心复合法得到结构参数的最优化组合，从而达到提高微凸点可靠性的目的。两步法从系统级封装微凸点结构自身及其所处整体环境出发研究微凸点可靠性问题，考虑了系统级封装整体结构与微凸点可靠性的关系，达到了提高微凸点可靠性的目的。同时，两步式优化设计方法中的第一步优化是针对材料因素的不同水平设计试验，第二步优化是考虑结构因素的范围，两步式的优化设计方法有效提高了系统级封装的可靠性并减小了研发周期。
附图说明
图1为本发明所述系统级封装结构示意图；
图2为本发明所述系统级封装微凸点可靠性的结构优化方法流程示意图；
其中1-基板、2-微凸点、3-再分布层、4-环氧塑封材料、5-裸芯片、6-过模、7-铜柱、8-填充层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明所述系统级封装微凸点2可靠性的结构优化方法进行详细说明。
本发明所述系统级封装微凸点2结构可靠性的两步式优化设计方法，第一步通过建立系统级封装结构模型，确定影响微凸点2可靠性的材料因素及水平建立正交试验设计组合，再以微凸点2热应力为响应进行分析，利用田口方法得到材料因素优化组合；第二步确定影响微凸点2可靠性的结构因素及范围通过中心复合法建立试验设计组合，再以结构因素进行参数优化选择，完成系统级封装微凸点2可靠性的结构参数优化。如图2所示具体包括如下步骤：1)第一步建立系统级封装结构模型，包含基板1、再分布层3、微凸点2、裸芯片5和环氧塑封料；
2)选取系统级封装结构模型的材料因素及水平；
3)以选取的系统级封装结构模型中材料因素及水平建立正交试验设计组合，以微凸点2的热应力为响应条件，利用有限元分析软件对正交试验组合进行仿真，对系统级封装的微凸点2进行热应力分析，利用正交法对系统级封装结构的材料参数进行优化选择，利用田口方法得到最优化的材料参数组合；
4)第二步选取影响微凸点2可靠性的结构因素及范围，利用中心复合法建立试验设计组合，以微凸点2热应力为响应条件，对结构因素进行参数优化选择，通过建立回归方程得到最终的结构参数组合。
本发明所述系统级封装微凸点2结构可靠性的两步式优化设计方法，所述系统级封装结构模型中因素包括基板1厚度，再分布层3厚度和材料，微凸点2的形状参数和材料，裸芯片5层的厚度和位置，塑封材料和填充层8材料。步骤3)所述影响微凸点2可靠性的材料因素分析时，引入信噪比的进行对比分析，信噪比公式如下：
Figure GDA0003954945610000041
其中为n试验次数，σi为第i次试验的微凸点2热应力。步骤3)所述对于微凸点2的分析采用弹塑性蠕变模型分析，并用蠕变效应做微凸点2寿命分析；对于疲劳-蠕变失效，其应变速率采用双曲正弦关系描述：
Figure GDA0003954945610000042
其中σ是等效Von Mises热应力，α是幂定律失效应力水平，nd是位错相关应力指数，Ac是材料相关常数，Eac是蠕变激活能。由于应变速率与热应力分布直接相关，可推断失效位置应在热应力分布极值处。
建立一种典型的系统级封装结构—Amkor公司的SWIFT(Silicon WaferIntegrated Fan-out Technology)，如图1所示包括基板1、微凸点2、再分布层3、环氧塑封料、裸芯片5、过模6(overmold)、铜柱7和填充层8。利用有限元分析软件COMSOL建立有限元分析模型，基本尺寸为：模型基板1尺寸15mm×0.5mm，再分布层3尺寸15mm×0.15mm，裸芯片5厚度为0.1mm，过模6厚度为0.2mm，铜柱7尺寸为0.5mm×0.5mm。
根据JEDEC的JESD22A104D标准，选取循环温度从-40℃到125℃，选取125℃为参考温度，初始时刻温度为125℃，经过10分钟后降为-40℃，在-40℃保持10分钟，然后再经过10分钟后升为125℃，在125℃再保持10分钟，这是一个循环，周期为40分钟。在温度循环条件下，利用COMSOL软件仿真分析得到微凸点2的热应力。
利用两步法中的第一步，从系统级封装结构的角度出发，研究影响微凸点2可靠性的材料因素。选择的因素和水平如表1，其中用A表示环氧塑封材料4，B表示再分布层3材料，C表示填充层8材料，每种材料有三个不同的水平。表2为材料参数的特性表，其中填充层8材料采用的是丙二酚环氧树脂系列材料。针对选择的因素和水平条件，建立正交试验组合，并利用软件COMSOL得到不同正交试验组合的微凸点2Von Mises热应力，完整的正交试验表如表3。利用田口方法的望小特性可以得到最优化的材料参数组合方案A2B3C3，环氧塑封材料4选择G700L，再分布层3材料选择Dry Film材料，填充层8材料选择underfill3，此时微凸点2Von Mises热应力为162MPa。
利用两步法的第二步进行再次优化，选择影响微凸点2可靠性的结构因素。选择的因素和范围如表4，其中A是微凸点2宽度，B是微凸点2的高度，C是再分布层3厚度和D是裸芯片5层厚度。采用中心复合法设计试验表格，利用软件COMSOL得到不同试验组合的微凸点2Von Mises热应力，完整的中心复合试验表如表5。通过最优化分析可以得到热应力与因素水平的回归方程：
R1＝171.00+1.26A-5.42B+1.57D-1.67AB-0.23AC-1.48AD-0.23BC-2.35BD
+0.25CD-2.83A2-0.37B2-0.79C2+0.27D2
利用回归方程可以得到最优化结构参数组合方案，在最优化方案为微凸点2的宽度为0.3mm,微凸点2的高度为0.2mm，再分布层3厚度为0.13mm和裸芯片5层厚度为0.15mm，此时微凸点2Von Mises热应力大小为154Mpa，相比于初步优化结果的162Mpa约降低了5％。
选择一组未经过优化的因素组合进行对比，此时结构参数为基板1厚度为0.5mm，无过模6厚度，再分布层3厚度为0.15mm，环氧塑封材料4为CEL400ZHF，裸芯片5厚度为0.1mm，微凸点2宽度为0.3mm，微凸点2高度为0.2mm，微凸点2热应力为166MPa。利用两步法筛选得到的微凸点2热应力为154MPa，与没用两步法优化的方案相比，两步法优化结果约提高了7.5％。
表1材料因素水平表
因素 水平1 水平2 水平3
A 环氧塑封 CEL400ZHF G700L GE506HT
B 再分布层 PI PBO Dry Film
C 填充层 underfill1 underfill2 underfill3
表2材料特性表
Figure GDA0003954945610000061
表3正交试验表
Figure GDA0003954945610000062
表4结构因素范围表
因素 低水平 高水平
A 微凸点宽度 0.2mm 0.3mm
B 微凸点高度 0.1mm 0.2mm
C 再分布层厚度 0.1mm 0.15mm
D 裸芯片层厚度 0.1mm 0.2mm
表5中心复合试验表
试验次数 A(mm) B(mm) C(mm) D(mm) Von Mises(MPa)
1 0.2 0.1 0.13 0.15 172.7
2 0.3 0.1 0.13 0.15 174.8
3 0.2 0.2 0.13 0.15 164.7
4 0.3 0.2 0.13 0.15 160.1
5 0.25 0.15 0.1 0.1 168.1
6 0.25 0.15 0.15 0.1 167.9
7 0.25 0.15 0.1 0.2 174.1
8 0.25 0.15 0.15 0.2 174.9
9 0.2 0.15 0.13 0.1 160.6
10 0.3 0.15 0.13 0.1 168.4
11 0.2 0.15 0.13 0.2 169.2
12 0.3 0.15 0.13 0.2 171.1
13 0.25 0.1 0.1 0.15 175.3
14 0.25 0.2 0.1 0.15 162.5
15 0.25 0.1 0.15 0.15 175.4
16 0.25 0.2 0.15 0.15 161.7
17 0.2 0.15 0.1 0.15 166
18 0.3 0.15 0.1 0.15 170.4
19 0.2 0.15 0.15 0.15 166.5
20 0.3 0.15 0.15 0.15 170
21 0.25 0.1 0.13 0.1 174.2
22 0.25 0.2 0.13 0.1 171
23 0.25 0.1 0.13 0.2 177.2
24 0.25 0.2 0.13 0.2 164.6
25 0.25 0.15 0.13 0.15 171.1
26 0.25 0.15 0.13 0.15 171.1
27 0.25 0.15 0.13 0.15 171.1
28 0.25 0.15 0.13 0.15 171.1
29 0.25 0.15 0.13 0.15 171.1
本发明所述一种提高系统级封装微凸点2结构可靠性的两步式优化设计方法将影响系统级封装的微凸点2可靠性的因素具体化为材料因素和结构因素，在实际优化设计过程中，利用两步式的优化方法分别对材料因素和结构因素进行优化设计。第一步确定影响微凸点2可靠性的材料因素，根据选择的材料因素的水平建立正交试验设计组合，利用仿真软件和田口方法分析，得到最优化材料参数组合；第二步确定影响微凸点2可靠性的结构因素，根据选择的结构因素的范围，利用中心复合的方法对微凸点2可靠性进行结构因素的精确优化，得到最优化的结构参数组合，从而提高系统级封装微凸点2结构的可靠性。两步式优化方法的特点在于将影响微凸点2结构可靠性的材料因素和结构因素进行区分，第一步将离散型的材料因素进行水平优化，第二步将连续型的结构因素进行精确优化，从而有效的提高系统级封装微凸点2结构的可靠性。

Claims (6)

1.一种系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，其特征在于包括如下步骤：
1)建立系统级封装结构模型；
2)选取影响微凸点可靠性的材料因素及水平；
3)以选取的系统级封装结构模型的材料因素及水平建立正交试验设计组合，再以微凸点的热应力为响应条件，利用有限元分析软件对正交试验组合进行仿真，对系统级封装的微凸点进行热应力分析，利用正交法对系统级封装结构的材料参数进行优化选择，利用田口方法得到最优化的材料参数组合；
4)选取影响微凸点可靠性的结构因素及范围，利用中心复合法建立试验设计组合，以微凸点热应力为响应条件，对结构因素进行参数优化选择，通过建立回归方程得到最终的结构参数组合。
2.根据权利要求1所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，其特征在于：所述系统级封装结构模型包含基板、再分布层、微凸点、裸芯片和环氧塑封料。
3.根据权利要求2所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，其特征在于：所述系统级封装结构模型中因素包括再分布层材料，环氧塑封材料和填充层材料，微凸点的结构参数，裸芯片层的厚度和再分布层厚度。
4.根据权利要求3所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，其特征在于：步骤3)所述得到最优化的材料参数组合时，引入信噪比的进行对比分析，信噪比公式如下：
Figure FDA0003954945600000011
其中为n为试验次数，σi为第i次试验的微凸点热应力。
5.根据权利要求4所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，其特征在于：步骤3)对于微凸点的热应力分析采用弹塑性蠕变模型分析，并用蠕变效应做微凸点寿命分析；对于疲劳-蠕变失效，其应变速率采用双曲正弦关系描述：
Figure FDA0003954945600000012
其中σ是等效Von Mises热应力，α是幂定律失效应力水平，nd是位错相关应力指数，Ac是材料相关常数，Eac是蠕变激活能。
6.根据权利要求5所述系统级封装微凸点结构可靠性的两步式优化设计方法，其特征在于：所述有限元分析软件为COMSOL或ANSYS或ABAQUS。
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