电子封装产品切割过程中界面分层的数值研究

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在塑封芯片经过最后一道关键工序切割分离工序中,由于切割力和热流的作用,环氧塑封料(EMC)与引线框架之间易出现界面分层问题,导致芯片损伤甚至失效,严重影响封装电路的可靠性,给企业带来重大经济损失。本文以Cu与EMC双相粘接材料及某型号QFN芯片为研究对象,采用内聚力模型研究界面在切割过程中的温度、应力及损伤,主要研究工作及相关结论如下:  (1)采用热-力直接耦合有限元法,对Cu与EMC双相粘接材料切割过程进行仿真,结果表明:切割开始时,切割的热影响区域较小,切割区域EMC处温度场会迅速上升,但对Cu的影响较小,随着距离切割表面深度的增加,最高温度会迅速降低到初始温度。在切割表面边界处存在应力集中,最大应力出现Cu板上侧,此时的应力已经超过Cu的屈服强度和抗拉强度。粘接界面的损伤主要发生在砂轮切入工件时刻,最先发生损伤的部位在靠近切割侧面的模型内部,开裂趋势主要为Ⅱ型开裂。  (2)对主轴转速、进给速度和热流系数的单因子分析表明:较高的主轴转速会导致较小的应力场和较大的切割温度场,此时对界面损伤较小;而增大进给速度,对切割温度场影响较小,但对切割应力场及界面损伤的影响均会加大。随着热流系数的增大,切割温度、应力场和界面损伤都逐渐增大,切割的过程中存在较明显的热应力,对界面的损伤存在一定的影响。  (3)采用Taguchi正交实验对3因子进行最优因子的组合设计,结果表明,对切割时切向应力及其信噪比影响的因子的效应从大到小依次为主轴转速、进给速度和热流系数,得到了最优因子的组合工艺参数,有效减小了界面损伤。  (4)建立某型号QFN芯片1/4模型,进行切割仿真分析,结果表明:材料的切割过程对EMC的温度场影响较大,而对Cu影响较小,EMC的温度远大于Cu焊盘与Cu引脚的温度,随着距离切割表面深度的增加,最高温度会迅速降低到初始温度。切割EMC时,除了EMC表面存在较大的应力外,在焊盘与EMC界面、裸芯片与EMC界面也存在较大应力,而在引脚处的相应应力非常小;切割到引脚处时,应力主要分布在切割引脚处,而未切割到的引脚、焊盘与EMC处的应力影响较小。  (5)QFN的切割过程中,损伤主要发生在切割引脚时刻,位置与Ⅱ型能量释放率的位置基本一致,位于未切割部分的切割道上,主要是由于切向应力导致,其开裂趋势主要为Ⅱ型开裂。QFN芯片底面的约束对界面的分层有重要影响,加大真空吸盘的吸附尺寸,增大约束面积,可有效防止切割时,Cu引脚的分层现象。
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