轉(zhuǎn)自由半導(dǎo)體在線整理自機(jī)械工程學(xué)報(bào)

第 57 卷第 16 期

前言

電子封裝是電子制造產(chǎn)業(yè)鏈中將芯片轉(zhuǎn)換為能夠可靠工作的器件的過(guò)程。由于裸芯片無(wú)法長(zhǎng)期耐受工作環(huán)境的載荷、缺乏必要的電信號(hào)連接，無(wú)法直接用于電子設(shè)備。因此，雖然不同類(lèi)型產(chǎn)品有差別，但是電子封裝的主要功能比較接近，主要包括四大功能：機(jī)械支撐，將芯片及內(nèi)部其他部件固定在指定位置；環(huán)境保護(hù)，保護(hù)芯片免受外界的水汽、腐蝕、灰塵、沖擊等載荷影響；電信號(hào)互連，為內(nèi)部組件提供電通路及供電；散熱，將芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)導(dǎo)出[1]。按照工藝階段的不同，電子封裝通常可分為零級(jí)封裝(芯片級(jí)互連)、 一級(jí)封裝(芯片級(jí)封裝)、 二級(jí)封裝(模塊級(jí)封裝)和三級(jí)組裝。

由于芯片及封裝涉及大量不同類(lèi)型材料，部分材料特性相差甚遠(yuǎn)，在封裝工藝過(guò)程中，如果內(nèi)部缺陷、殘余應(yīng)力、變形等問(wèn)題控制不當(dāng)，極易在封裝過(guò)程中或者產(chǎn)品服役中引發(fā)可靠性問(wèn)題。隨著封裝密度不斷提升、功能多樣化，如 3D 封裝、異質(zhì)集成技術(shù)等，電子封裝中多場(chǎng)多尺度耦合的可靠性問(wèn)題更加明顯。

1 電子封裝可靠性研究共性技術(shù)

1.1 典型封裝材料

目前制約微電子器件封裝快速發(fā)展的一大因素就是缺乏相應(yīng)的封裝材料及完整的材料數(shù)據(jù)。封裝材料關(guān)系著電子微器件的強(qiáng)度和可靠性，材料的力學(xué)響應(yīng)對(duì)于封裝材料的選取和電子微器件的強(qiáng)度與可靠性設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。因此急需針對(duì)典型封裝材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)加速評(píng)估方法，展望適合未來(lái)封裝技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)封裝材料。

封裝材料一般包括：互連材料、基板材料和密封材料等。其中互連材料與芯片直接接觸，對(duì)芯片散熱和可靠性最為關(guān)鍵，其需要耐受的溫度和應(yīng)力也更高。本文以封裝互連材料為例，介紹其研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)。

由于 RoHS 和 WEEE 指令的限制， Sn-Pb 焊料無(wú)法繼續(xù)應(yīng)用于電子器件。目前，無(wú)鉛焊料主要以錫為基礎(chǔ)，通過(guò)添加 Cu、 Ag、 Zn、 Bi 等合金元素組成，主要包括 Sn-Cu 合金、 Sn-Ag 合金、Sn-Ag-Cu 合金、 Sn-Zn 合金以及 Sn-Bi 合金等。Sn-Cu二元合金的共晶成分是 Sn-0.7Cu，共晶溫度為227 ℃， Sn-Cu 合金[4]由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和低廉的價(jià)格，被認(rèn)為是含鉛焊料最有潛力的替代焊料。

Sn-Ag 二元合金的共晶成分是 Sn-3.5Ag，共晶溫度是 221 ℃。Sn-Ag 合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能和較好的可靠性，其缺點(diǎn)是潤(rùn)濕性比較差且表面張力比較高。為克服這一缺點(diǎn)，人們?cè)?Sn-Ag 合金中加入Cu 形成了具有優(yōu)異潤(rùn)濕性和力學(xué)性能的 Sn-Ag-Cu合金，它已成為近年來(lái)使用最廣泛的焊料合金。

有研究通過(guò)添加一些稀土元素來(lái)進(jìn)一步改善焊料的綜合性能。Sn 和 Zn 元素可以以固溶體的形式存在， Sn-Zn 系合金的研究也有明顯的進(jìn)展，但其潤(rùn)濕性、抗氧化性、力學(xué)性能和熱學(xué)性能往往不相匹配。Sn-Bi 系合金也是典型的低熔點(diǎn)合金，但硬度高、延伸率低，其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性略低于前幾種合金焊料。

當(dāng)前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，以 SiC 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料由于其導(dǎo)熱系數(shù)高、介電常數(shù)低、帶隙高，可以實(shí)現(xiàn)器件在 200 ℃以上結(jié)溫下穩(wěn)定工作，是功率半導(dǎo)體器件的必然發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)境溫度高于 200 ℃時(shí)，絕大多數(shù)焊點(diǎn)合金的抗疲勞性能和抗蠕變性能均無(wú)法滿足寬禁帶器件互連的可靠性要求。雖然個(gè)別焊料合金可以勉強(qiáng)滿足高溫封裝要求，但它們價(jià)格昂貴(如 Au/Sn， Au/Ge， Au/Si)或者加工性差(如 Bi/Ag， Zn/Al)[8]。因此，急需發(fā)展新型的耐高溫連接材料和技術(shù)。

近年來(lái)，研究人員在耐高溫互連材料方面做了大量努力。提出了多種滿足寬禁帶電子器件高溫封裝要求的互連技術(shù)。其中以瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接(Transient liquid bphase, TLP)和低溫?zé)Y(jié)金屬連接(Low temperature joining technique, LTJT)廣受關(guān)注。TLP 是將低熔點(diǎn)的中間層材料置于高熔點(diǎn)的母材中間，在適當(dāng)?shù)膲毫ο录訜岬礁哂谥虚g層材料熔點(diǎn)溫度，熔化中間層材料并與母材反應(yīng)生成高熔點(diǎn)的金屬間化合物而實(shí)現(xiàn)低溫固態(tài)連接。TLP 連接的中間層材料必須具有較低的熔點(diǎn)，常用的低熔點(diǎn)元素有 Sn 和 In， 二者的熔點(diǎn)分別為 231 ℃和 156 ℃，能與這兩種元素形成高熔點(diǎn)金屬間化合物的元素有Ag、 Au、 Ni。Cu 與 Sn 之間也可形成 Cu-Sn高熔點(diǎn)化合物。

綜上， TLP 連接可以實(shí)現(xiàn)低溫連接和高溫應(yīng)用，是寬禁帶半導(dǎo)體器件互連的可行技術(shù)。但是這種方法也有明顯缺點(diǎn)，如需要事先在連接件表面鍍覆金屬，增加了成本和工序；連接時(shí)保溫時(shí)間較長(zhǎng)，而且連接完成后往往還需要進(jìn)行退火處理。雖然耐溫能力比傳統(tǒng)焊料合金有明顯提高，但是脆性的金屬間化合物高溫可靠性仍存在隱患；工藝控制方法略微復(fù)雜，需要避免反應(yīng)不充分或者過(guò)反應(yīng)。

因此，低溫?zé)Y(jié)金屬連接技術(shù)受到更為廣泛的關(guān)注，尤其是低溫?zé)Y(jié)納米銀連接技術(shù)，由于其高導(dǎo)熱、低壓/無(wú)壓力燒結(jié)、低溫?zé)Y(jié)致密和低彈性模量等特性，已成為目前寬禁帶半導(dǎo)體器件封裝的首選互連材料。

近年來(lái)，針對(duì)納米銀焊膏的燒結(jié)工藝及其燒結(jié)銀接頭的性能及機(jī)械可靠性已經(jīng)有了大量的研究成果。例如， YANG 等[23]發(fā)現(xiàn)，在相同的電流密度下，使用納米銀膏封裝的發(fā)光二極管(Lightemitting diode, LED)比用焊料和導(dǎo)電銀膠封裝的LED 光輸出量大， 表明其熱導(dǎo)率優(yōu)于焊料和導(dǎo)電銀膠。BAI 等[24]利用低溫?zé)Y(jié)納米銀對(duì)單芯片封裝和多芯片封裝進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，低溫?zé)Y(jié)連接法封裝的功率半導(dǎo)體模塊比傳統(tǒng)焊料封裝的功率半導(dǎo)體模塊具有更好的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。

雖然在大多數(shù)電子器件應(yīng)用場(chǎng)合，燒結(jié)銀的性能已被證明具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是以往低溫?zé)Y(jié)需要輔助較高壓力，工藝復(fù)雜，設(shè)備要求高。因此不少學(xué)者通過(guò)改進(jìn)材料制備方法和工藝，簡(jiǎn)化了互連工藝復(fù)雜度，降低低溫?zé)Y(jié)工藝和設(shè)備成本。例如，YASUDA 等[25-26]在 250℃-400℃和輔助壓力小于5MPa 的條件下， 使用粒徑為 5-20nm 的銀作為連接材料，實(shí)現(xiàn)了芯片與基板的互連且剪切強(qiáng)度達(dá)到20MPa 以上。FU 等[3]利用粒徑為 2 μm 以下的銀顆粒，在 250 ℃下首次無(wú)壓燒結(jié)實(shí)現(xiàn)了大尺寸芯片(≥100 mm2)與基板的連接，其剪切強(qiáng)度達(dá)到 40 MPa，孔隙率25.6%，熱導(dǎo)率為 263 W/m·K。鑒于無(wú)壓燒結(jié)銀的致密度略低于大壓力燒結(jié)銀，低溫?zé)o壓燒結(jié)納米銀的性能和可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。這是因?yàn)樵谙嗤臒Y(jié)工藝下，連接面積越大， 相應(yīng)的孔隙率越高， 連接強(qiáng)度越低；提高升溫速率可以促進(jìn)焊膏的致密化過(guò)程，有利于晶粒的均勻化，但容易造成連接層產(chǎn)生缺陷，致使芯片受到熱沖擊，如果燒結(jié)溫度太高或保溫時(shí)間太長(zhǎng)不利于銀顆粒燒結(jié)致密化過(guò)程，反而會(huì)使晶粒粗化。為解決上述問(wèn)題， LU 等率先利用電流輔助燒結(jié)技術(shù)可以在 1 s 內(nèi)實(shí)現(xiàn)電子器件與銅基板的快速致密化互連，燒結(jié)銀層的導(dǎo)電率高達(dá) 3.7×107S/m，比傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)銀層高近 兩 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 接 頭 剪 切 強(qiáng) 度 可 達(dá) 40 MPa。WANG 等將進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下包覆在納米銀焊膏表面有機(jī)物的熱分解可以促使納米銀顆粒在 180 ℃下完成燒結(jié)。隨后， ALLEN 等利用該電流輔助燒結(jié)方法在電子印刷領(lǐng)域開(kāi)展了應(yīng)用研究。該工藝過(guò)程可在 2 μs 內(nèi)使熱壓燒結(jié)接頭具有更高的抗機(jī)械疲勞性能。CAO 等也發(fā)現(xiàn)在相同的加載水平下，電流輔助燒結(jié)銀接頭具有更好的循環(huán)剪切變形能力。

1.2 典型建模仿真方法

圖 1 為在電子封裝中有限元求解過(guò)程的基本流程圖，通常包括預(yù)處理、建模、求解和后處理等步驟，其中材料參數(shù)和模型對(duì)于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響。

1.2.1 多尺度建模

隨著封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，封裝材料和結(jié)構(gòu)研究的尺度和時(shí)間跨度可能超過(guò) 12 個(gè)數(shù)量級(jí)，并且每個(gè)級(jí)別都涉及不同的領(lǐng)域，如圖 2 所示。多尺度建模的最終目標(biāo)是從第一性原理開(kāi)始預(yù)測(cè)材料行為，將信息傳遞到分子尺度，最終傳遞到宏觀尺度。從“自下而上”的角度來(lái)看，多尺度方法應(yīng)該考慮材料的內(nèi)在屬性。目前的大部分工作都集中于納米結(jié)構(gòu)材料。

對(duì)結(jié)構(gòu)分析來(lái)說(shuō)，基于連續(xù)介質(zhì)的方法被用以描述或預(yù)測(cè)宏觀材料的行為，例如傳統(tǒng)力學(xué)和有限元方法。分子動(dòng)力學(xué)仿真主要關(guān)注具有熱力學(xué)平衡的結(jié)構(gòu)，這顯然不像是數(shù)學(xué)連續(xù)體，而是一種離散的晶格結(jié)構(gòu)。因此，除非采取措施確保分析的等效性，否則對(duì)分子模型進(jìn)行連續(xù)力學(xué)概念的直接應(yīng)用是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

1.2.2 多物理場(chǎng)的耦合分析

在電子封裝流程中，多物理場(chǎng)效應(yīng)廣泛存在。微機(jī)電系(Microelectromechanical systems, MEMS)具有微米尺寸的組件，廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)中，如集成硅壓力傳感器、加速度計(jì)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器等已經(jīng)在汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中使用了多年。這些微小型系統(tǒng)(有些甚至比人類(lèi)頭發(fā)更細(xì))從應(yīng)力、溫度、靜電、壓電和電磁效應(yīng)中催生出它們的功能。有兩種數(shù)值技術(shù)可用于模擬涉及的多物理場(chǎng)：直接耦合和順序耦合。

(1) 直接耦合分析。直接耦合分析將所有物理場(chǎng)組合為一個(gè)矩陣中的有限元方程，并將矩陣作為一個(gè)整體求解。直接耦合的一個(gè)示例是熱效應(yīng)和電效應(yīng)的組合，以此研究電阻或介電材料的電磁能所產(chǎn)生的焦耳熱大小。在某些換能器中，電學(xué)和力學(xué)的直接耦合可以確定施加電壓引起的變形量，反之亦然。在這些類(lèi)型的分析案例中，我們就可以在單個(gè)解決方案中考慮所有物理場(chǎng)。

以 LED 的仿真為例。LED 異質(zhì)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一組平面半導(dǎo)體層和電極。一維模型可用于模擬 LED 能帶圖， 它可以視作異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的偏置電壓、電子和空穴傳輸?shù)暮瘮?shù)，還可以模擬提供光發(fā)射的載流子復(fù)合過(guò)程。因此，我們可以獲得內(nèi)部量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)、電流密度和發(fā)射光譜與 p-n 結(jié)偏壓和溫度之間的關(guān)系，如圖 3所示。

單元移除和重新激活。在一般分析步驟中，從模型中刪除指定的元素。在移走之前，要 移 除 的 區(qū) 域 上 的 力 /變 量 被 存 儲(chǔ) 作 用 于 該 區(qū)域邊界的節(jié)點(diǎn)上。在移除步中，這些力被降至零；因此，移除部分對(duì)于剩余部分是完全沒(méi)有影響的。這些力被逐漸降低，以確保去除元素對(duì)模型平滑的影響。

1.3 失效類(lèi)型及機(jī)理分析

經(jīng)過(guò)封裝后的電子產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的可靠性試驗(yàn)，才能最終篩選出合格產(chǎn)品供應(yīng)給產(chǎn)業(yè)鏈下游。相關(guān)的可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)較多，通常來(lái)說(shuō)，可 供 參 考 的 主 要 標(biāo) 準(zhǔn) 有 國(guó) 軍 標(biāo) (GJB 548、 GJB150)、國(guó)標(biāo)(GB/T 2423)、美軍標(biāo)(MIL-STD-202、MIL-STD-750、 MIL-STD-883)、 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)(Joint Electron Device Engineering Council，電子器件工程聯(lián)合會(huì))中的 JESD22 系列等。常見(jiàn)的可靠性試驗(yàn)見(jiàn)表 1。

總體來(lái)說(shuō)，在可靠性試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中，封裝互連材料的失效主要為電-熱-力致耦合失效。其中電對(duì)互連可靠性的影響主要表現(xiàn)為兩方面：電流密度超過(guò)閾值導(dǎo)致電遷移和電致發(fā)熱引起的溫度變化(即功率循環(huán))。電遷移的主要原因是電流超過(guò)一定閾值后， 電子風(fēng)引起互連材料內(nèi)部的原子定向遷移，從而導(dǎo)致局部電流進(jìn)一步集中，從而形成正反饋，并最終導(dǎo)致互連結(jié)構(gòu)的孔洞和斷路。另一方面，隨著電子制造技術(shù)的進(jìn)步，芯片互連材料越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于動(dòng)態(tài)服役環(huán)境(即應(yīng)力和應(yīng)變的分布隨著時(shí)間而變化的環(huán)境)中。而功率耗散和環(huán)境溫度的周期性變化使得電子封裝及其組件在封裝工藝或者服役過(guò)程中不斷經(jīng)歷溫度循環(huán)的作用。由于芯片、基板 以 及 互 連 材 料 的 熱 膨 脹 系 數(shù) (Coefficient of thermal expansion, CTE)不匹配，使得在互連界面處產(chǎn)生交變的剪切熱應(yīng)力，該剪切熱應(yīng)力的平均應(yīng)力不為零，會(huì)導(dǎo)致焊層產(chǎn)生塑性應(yīng)變的積累，使得互連焊層中的損傷不斷累積， 發(fā)生翹曲、 氣孔、 裂紋，導(dǎo)致最終失效，如圖 5 所示，我們稱之為低周棘輪疲勞失效。

WANG 等對(duì)低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏薄膜試樣的單軸棘輪失效行為進(jìn)行研究。從圖 6 可以看出，材料的低周棘輪疲勞塑性應(yīng)變演化可分為三個(gè)階段：初始快速累積、穩(wěn)態(tài)增長(zhǎng)和加速斷裂。第一階段較為短暫，在此階段棘輪應(yīng)變迅速累積。第二階段占試件循環(huán)壽命的大部分，此階段棘輪應(yīng)變以一個(gè)幾乎恒定的速率累積，棘輪應(yīng)變穩(wěn)定增長(zhǎng)；進(jìn)入加速斷裂階段后，棘輪應(yīng)變率和棘輪應(yīng)變均表現(xiàn)出加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，試樣在很少的循環(huán)次數(shù)內(nèi)就因過(guò)大的棘輪應(yīng)變而導(dǎo)致最終破壞，此階段往往很短暫。由于第二階段占試件循環(huán)壽命的大部分，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注棘輪失效行為的第二階段。第二階段的棘輪應(yīng)變率也是區(qū)分棘輪失效行為和疲勞失效行為的一個(gè)重要參數(shù)。

對(duì)于傳統(tǒng)的錫鉛焊料，劉勝率領(lǐng)的課題組在 20世紀(jì) 90 年代前后做了大量的系統(tǒng)性的研究工作。CHEN 等對(duì) 63Sn37Pb 也進(jìn)行了相關(guān)研究， 在室溫下對(duì)63Sn37Pb 進(jìn)行了系列棘輪變形試驗(yàn)，得到63Sn37Pb 在不同保持時(shí)間、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值和加載歷史下的棘輪和疲勞變形行為，還采用 Anand模型預(yù)測(cè)63Sn37Pb 的棘輪和疲勞變形行為。隨后對(duì)用于替代錫鉛焊料的無(wú)鉛焊料和導(dǎo)電膠也不可避免的需要研究其棘輪和疲勞行為。例如， AMALU等]研究了倒裝芯片封裝中無(wú)鉛焊料連接半導(dǎo)體器件時(shí)，其高溫可靠性及黏塑性行為。

針對(duì)有機(jī)膠復(fù)合黏連材料， MA 等采用動(dòng)態(tài)熱 力 分 析 儀 (Dynamic thermomechanical analysis,DMA)研究了高溫下各向異性導(dǎo)電膠(Anisotropic conductive film, ACF)在應(yīng)力控制下的單軸棘輪行為，討論了平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值、環(huán)境溫度和加載歷史對(duì)其單軸棘輪行為的影響，發(fā)現(xiàn)其楊氏模量隨溫度升高而降低，棘輪應(yīng)變隨平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值和溫度的升高而增大，并且加載歷史也對(duì)棘輪過(guò)程有重要的影響；TAN 等[57]研究了采用 ACF 封裝連接器件在受溫度和濕度影響時(shí)的復(fù)雜力學(xué)行為，如剪切和循環(huán)疲勞。研究發(fā)現(xiàn)器件互連在斷裂前的最大剪切力達(dá)到 465.0 N， 循環(huán)疲勞極限強(qiáng)度為 143.5 N。

雖然納米銀焊膏作為一種性能優(yōu)異的新型無(wú)鉛互連材料，已受到廣泛關(guān)注。在被廣泛應(yīng)用半導(dǎo)體器件封裝之前，研究其棘輪失效行為和疲勞失效行為是不可或缺的。這對(duì)指導(dǎo)低溫?zé)Y(jié)銀作為芯片互連材料在高溫應(yīng)用中意義重大。

目前，針對(duì)電子器件的高溫封裝應(yīng)用，芯片互連材料除物理性能，如 CTE、楊氏模量等之外、疲勞、蠕變特性及其與溫度的關(guān)系則是更關(guān)鍵因素。因此，部分學(xué)者率先研究了納米銀焊膏材料的機(jī)械可靠性。例如， CHEN 等研究了納米銀焊膏燒結(jié)銀膜在溫度區(qū)間為-60℃到 300℃的拉伸和棘輪特性，并且討論了在 150℃下加載速率、應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力對(duì)燒結(jié)銀膜的棘輪特性的影響。WANG 等討論了棘輪—疲勞的交互影響。

部分學(xué)者還針對(duì)低溫?zé)Y(jié)納米銀材料作為封裝互連時(shí)的可靠性進(jìn)行了研究。WANG 等研究了 1.1× 1.1 mm2芯片連接的低溫?zé)Y(jié)納米銀焊膏的可靠性。他們通過(guò)對(duì)低溫?zé)Y(jié)銀封裝互連器件開(kāi)展-40～150℃的溫度循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷 900周期溫度循環(huán)老化后，燒結(jié)納米銀互連的微觀結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯變化，但其芯片連接強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)小幅下降。李欣設(shè)計(jì)了納米銀焊膏搭接剪切試樣，并對(duì)接頭在室溫和高溫下的力學(xué)性能進(jìn)行了全面的試驗(yàn)和理論研究。采用了應(yīng)力或應(yīng)變控制方式，對(duì)搭接接頭進(jìn)行了等溫循環(huán)剪切試驗(yàn)，考察了平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值以及環(huán)境溫度對(duì)接頭可靠性的影響。齊昆等則結(jié)合 LED 應(yīng)用需求， 研究了燒結(jié)納米銀互連 1.1× 1.1 mm2LED 芯片的循環(huán)剪切疲勞行為，獲得了其疲勞壽命曲線族。

隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，燒結(jié)納米銀被逐漸用于封裝更大面積電子芯片，因此，研究人員探索了連接面積對(duì)封裝連接可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)壓燒結(jié)過(guò)程中，相同燒結(jié)工藝下連接面積越大，相應(yīng)的燒結(jié)孔隙率越高，連接強(qiáng)度也隨之降低，無(wú)壓燒結(jié)工藝應(yīng)被局限于連接面積小于 10× 10 mm2的應(yīng)用。為克服無(wú)壓燒結(jié)納米銀工藝方法的這一局限性，隨后曹云嬌等[64]提出了燒結(jié)時(shí)間短、效率高的電流輔助燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)了納米銀焊膏的快速燒結(jié)，并且研究了相應(yīng)的電流燒結(jié)納米銀互連焊層的力學(xué)可靠性。通過(guò)循環(huán)剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值對(duì)電流燒結(jié)納米銀互連焊層的棘輪行為影響明顯，電流燒結(jié)納米銀互連焊層的棘輪變形水平隨平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的增加而提高，壽命相應(yīng)降低。為了更好地預(yù)測(cè)電流燒結(jié)納米銀的優(yōu)異抗疲勞可靠性， CHEN 等基于 Ohno-Wang 和Armstrong-Fedrick (OW-AF)非線性運(yùn)動(dòng)硬化準(zhǔn)則的粘塑性模型和 Anand 模型嵌入 ABAQUS 商用有限元軟件中來(lái)預(yù)測(cè)電流燒結(jié)納米銀互連焊層的棘輪行為，證明了 OW-AF 模型的預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性優(yōu)于Anand 模型。該預(yù)測(cè)方法可用于更好的指導(dǎo)電子封裝針對(duì)電-熱-機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)與增強(qiáng)。

2 典型電子封裝領(lǐng)域可靠性研究

2.1LED 封裝可靠性研究

LED 封裝可靠性是典型的光、 熱、 力耦合問(wèn)題，因此其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)圍繞光學(xué)性能、熱學(xué)性能和力學(xué)性能等方向。在 LED 性能及可靠性中涉及各種封裝材料和工藝主要包括：光轉(zhuǎn)換材料、封裝膠、固晶材料、封裝基板。

（1）光轉(zhuǎn)換材料。在大功率 LED 封裝中，熒光粉材料是最常用的光轉(zhuǎn)換材料。其按材料分可分為稀土石榴石系、硅酸鹽系、含氮化合物系和硫化物系四大系列。其中鉛酸鹽的釔鋁石榴石(Y3Al5O12)是目前使用最廣泛的熒光粉，俗稱 YAG 熒光粉。該熒光粉的顆粒直徑通常在 5～35 μm，具有亮度高、發(fā)射峰寬、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但激發(fā)波段窄，光譜中缺乏紅光的成分，顯色指數(shù)不高。

國(guó)外研究學(xué)者研究了熒光粉顆粒直徑對(duì) LED 出光的影響，通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)粒徑大約為 20 μm 時(shí)， LED 的光通量最大。通常熒光粉和封裝膠混合后涂覆，封裝膠導(dǎo)熱性能較差， 熒光粉光轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)熱無(wú)法有效散出，導(dǎo)致硅膠在高溫時(shí)性能變化，甚至“碳化” 。熒光粉溫度過(guò)高將導(dǎo)致光學(xué)和熱學(xué)性能的變差，也會(huì)使 LED 可靠性變差，甚至高溫時(shí)會(huì)不發(fā)光，產(chǎn)生“熱淬滅”現(xiàn)象。LED 封裝中主要應(yīng)用的涂覆方法有：點(diǎn)膠涂覆、保形涂覆和遠(yuǎn)離涂覆。

點(diǎn)膠自由涂覆由于工藝簡(jiǎn)單、成本低，是 LED封裝中最常用的熒光粉涂覆方法，被廣泛使用。其直接將熒光粉膠涂覆在芯片表面，通過(guò)其自由流動(dòng)成型而得到熒光粉層。這種方法得到的熒光粉層高度遠(yuǎn)小于寬度， 從而引起封裝 LED 中間區(qū)域色溫偏高而側(cè)邊區(qū)域偏黃，即產(chǎn)生“黃圈”，空間顏色均勻性差。

在芯片周?chē)鶆蛲扛矡晒夥郾蛹礊楸Ｐ瓮扛?，具有?yōu)良的空間顏色均勻性和光效。目前保形涂覆工藝研究很多，如電泳法、溶液蒸發(fā)法、晶圓級(jí)旋涂法、沉降法和粉漿法、噴涂法等。但保形涂覆工藝復(fù)雜、成本高，熒光粉層的后向散射嚴(yán)重，芯片和支架對(duì)光能吸收嚴(yán)重，降低了封裝效率，同時(shí)芯片工作過(guò)程發(fā)熱會(huì)引起的熒光粉溫度升高，熒光粉效率隨著溫度的升高呈指數(shù)下降的趨勢(shì)并且過(guò)高的熒光粉層溫度引起明顯的光學(xué)性能下降。

遠(yuǎn)離涂覆是將熒光粉層與芯片相隔離，芯片與熒光粉層并不直接接觸。然而，遠(yuǎn)離涂覆往往需要采用特殊結(jié)構(gòu)的 LED 封裝支架， 降低后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)自由度。美國(guó)研究學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，采用遠(yuǎn)離涂覆，顯著減小了后向散射，可將光效提高 7％ 。華中科技大學(xué)羅小兵課題組設(shè)計(jì)了基于點(diǎn)涂法的半球薄層熒光粉遠(yuǎn)離涂覆方法， 實(shí)現(xiàn) LED 封裝高空間顏色均勻性。

另外，在熒光粉膠中，熒光粉的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅膠密度，導(dǎo)致熒光粉在硅膠中會(huì)向下沉淀，分布不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生色溫升高、一致性變差等問(wèn)題。美國(guó)專(zhuān)家對(duì)其色溫漂移問(wèn)題進(jìn)行研究，證明熒光粉沉降會(huì)導(dǎo)致熒光粉層上下濃度變化，影響色溫和光通量等光學(xué)性能。在沉降過(guò)程中，上部的濃度變化要明顯大于中間部。芯片結(jié)構(gòu)不同，熒光粉沉淀對(duì)光學(xué)性能的影響也不同。華中科技大學(xué)羅小兵課題組通過(guò)試驗(yàn)觀察證實(shí)了熒光粉沉淀，如圖 7所示，硅膠固化后大顆?；就Ａ粼诘讓?。

近十幾年，量子點(diǎn)(Quantumdot， QD)材料，一種納米尺寸半導(dǎo)體材料，受到越來(lái)越多的企業(yè)和科研院所重視，得到了廣泛研究。量子點(diǎn)是一種半導(dǎo)體納米顆粒，具有很強(qiáng)的量子限閾效果，使得連續(xù)的能帶變?yōu)榉至⒛芗?jí)，進(jìn)而具有熒光效果。相比于熒光粉，量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)是可以隨著粒徑改變的，量子效率比較高。因?yàn)槭羌{米顆粒，所以光散射極低， 發(fā)光半峰寬很窄， 色彩飽和度很高。由于量子點(diǎn)是納米級(jí)尺寸，納米顆粒較高的表面能和顆粒之間的庫(kù)侖力或范德華力使得量子點(diǎn)容易發(fā)生團(tuán)聚。此外，量子點(diǎn)表面配體常常與硅膠或環(huán)氧樹(shù)脂中基團(tuán)不兼容，會(huì)導(dǎo)致非輻射能量轉(zhuǎn)移增大，引起量子點(diǎn)發(fā)光效率降低，光轉(zhuǎn)換效率下降和封裝劑難固化等不良問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)外的研究中，針對(duì)量子點(diǎn)團(tuán)聚和與硅膠/環(huán)氧樹(shù)脂的不兼容問(wèn)題，多數(shù)采用的是將量子點(diǎn)和與其兼容的聚合物混合制成薄膜，并通過(guò)遠(yuǎn)離封裝的形式制備，量子點(diǎn)發(fā)光二極管(Quantum dot light emitting diode,QLED)。另外， 量子點(diǎn)在光吸收和光轉(zhuǎn)換方面具有一定閾值，當(dāng)照射光強(qiáng)度或 LED 工作電流較大時(shí)， 量子點(diǎn)發(fā)光性能往往呈現(xiàn)出“飽和效應(yīng)”，具體表現(xiàn)為光轉(zhuǎn)換效率陣低，光通量下降，色溫升高和色坐標(biāo)發(fā)生變化等。隨著封裝密度的増加， 工作功率的增加，飽和效應(yīng)將更大的影響量子點(diǎn)在 LED 封裝的發(fā)展和應(yīng)用。

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