МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ БЕСКОРПУСНЫХ МНОГОВЫВОДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ С ШАРИКОВЫМИ ВЫВОДАМИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

КП

0300

8пБ1 8пБ1 ^^Си КП

—Сг

ПМ

Компаунд Аи ПМ

Припой (19 выступов)

Рис.1. Расчетные схемы: а - соединения золотой выступ - кристалл кремния; б - соединения полиимидная пленка - шариковый вывод из легкоплавкого припоя; в - бескорпусная многовыводная интегральная схема

Таблица 1

Физико-механические свойства материалов конструкции

в

Материал Модуль упругости материалов Е, МПа Коэффициент Пуассона ц Температурный коэффициент линейного расширения а-106, °С-1 Плотность материалов р, мг/мм3

Кремний 1,3-105 0,3 4,2 2,3

Оксид кремния 0,75-105 0,17 0,6 3,5

Золото 0,82-105 0,42 14,2 19,3

Алюминий 0,7-105 0,33 22,1 2,7

Стекло ФСС 0,6-105 0,37 5,0 2,3

Полиимид 3000 0,3 20 1,4

Медь 0,76-105 0,35 17,0 8,9

Компаунд 6000 0,35 30 2,0

Припой 0,4-105 0,36 23 7,3

Моделирование напряженно-деформированного состояния материалов.

НДС материалов моделей исследовались при температурном воздействии в диапазоне от +20 до +60 °С, что соответствует первой степени жесткости испытаний электронных приборов на повышенные температуры (ГОСТ 30630.2.1, ГОСТ 28209, ст. МЭК 68-2-14-84). При этом существенно важной характеристикой является термопрочность изделия - способность материалов и элементов конструкции противостоять разрушению и образованию пластических деформаций при температурном воздействии.

Расчет эквивалентных напряжений в конечных элементах модели выполнялся с помощью гипотезы энергии изменения формы материала. Максимальные напряжения, возникающие в том или ином материале конструкции, определялись при анализе всех значений эквивалентных напряжений в элементах объемной сетки исследуемой конструкции. Максимальные значения напряжений для исследуемых моделей представлены в табл.2-4.

Таблица 2 Таблица 3

Напряжения (в МПа) в материалах соединения Напряжения (в МПа) в материалах золотой выступ - кристалл кремния с°единения шлрикювый

вывод-полиимид

Модель

Материал

Шар 500 Шар 300

Медь 21,2 20,1

Полиимид 1,0 0,9

Припой 15,1 15,7

Материал Модель

В1 В2 ВЗ В4 В5

Кремний 41,8 41,0 41,1 37,4 37,9

Оксид кремния 48,1 43,1 42,75 47,6 45,6

Золото 103,3 95,3 67,6 101,6 94,6

Алюминий 177,9 170 132 175,5 166,7

Стекло ФСС 66,4 63,1 62,7 66 65,1

Разработано пять моделей соединения золотой выступ - кристалл кремния (см. табл.2) и исследовано влияние диаметра выступа (базовая модель В1 - диаметр выступа 100 мкм, толщина кристалла кремния 500 мкм; модель В2 - 75 мкм; модель В3 - 50 мкм) и толщины кристалла кремния (модель В4 - толщина 100 мкм; В5 - 50 мкм).

Эпюры распределения эквивалентных термомеханических напряжений в материалах соединения для базовой модели показаны на рис.2. Видно, что на оси симметрии в месте контакта напряжения в кремнии составили 23,6 МПа (рис.2,б). По толщине напряжения уменьшаются до нуля (рис.2,а), а по радиусу монотонно увеличиваются до максимального значения 41,8 МПа (рис.2,б), а затем уменьшаются до нуля.

Распределение напряжений в золотом выступе имеет схожий характер. На оси симметрии напряжения равны 35 МПа. По высоте выступа напряжения постепенно уменьшаются до нуля (рис.2,в), а по радиусу наблюдается монотонный рост с экстремумом 103,3 МПа (рис.2,г) и уменьшение до нуля на краю контакта.

Таблица 4 Напряжения (в МПа) в материалах конструкции ИС

Материал Модель

П1 П2

Кремний 94,9 95

Оксид кремния 124,1 146,8

Золото 49,1 88,1

Алюминий 102,7 99,2

Стекло ФСС 147,8 142

Полиимид 13,1 47,1

Медь (соединение с выступом) 71,7 134,8

Медь (соединение с шаром) 34,2 119

Герметик 63,6 63

Припой 23,4 38

Рис.2. Эпюры распределения эквивалентных термомеханических напряжений в материалах соединения золотой выступ - кристалл кремния: а - в кремнии на оси симметрии по толщине; б - в кремнии на границе контакта с выступом по радиусу; в - в золоте на оси симметрии по высоте; г - в золоте на границе контакта с кремнием по радиусу; д - в оксиде кремния по радиусу; е - в алюминии по радиусу (кривая 1 -на границе с золотом, кривая 2 - на границе с оксидом кремния)

Толщина слоя оксида кремния мала и составляет 0,8 мкм. Поэтому напряжения на верхней и нижней поверхности практически одинаковы. Распределение напряжений по радиусу имеет экстремальный характер, максимальные напряжения в оксиде кремния равны 48,1 МПа (рис.2,д), в алюминиевой КП - 177,9 МПа (рис.2,е). В материалах соединения - золоте, алюминии, оксиде кремния возникают повышенные напряжения, что может привести к отколу выступа при его микросварке.

Моделирование напряженно-деформированного состояния материалов...

Установлено, что на краю соединения золотого выступа и алюминиевой КП по окружности радиусом порядка 40 мкм возникают максимальные напряжения. Уменьшение диаметра золотого выступа с 100 до 50 мкм позволяет уменьшить напряжения в золоте в 1,53 раза, в алюминиевой КП в 1,35 раза (модели В1 и В3, табл.2). Уменьшение толщины кристалла кремния до 50 мкм (модель В5, табл.2) приводит к незначительному уменьшению напряжений на 3-6% в материалах соединения.

Результаты моделирования соединения шарикового вывода из легкоплавкого припоя с полиимидной платой представлены в табл.3. Исследовано влияние диаметра шара и высоты шарового сегмента. Базовая модель Шар 300 имеет диаметр шара 300 мкм. Увеличение диаметра шара до 500 мкм позволило увеличить несущую способность шаров в 1,4 раза при увеличении напряжений в полиимиде и медной металлизации на 5-10%.

Для оценки сборочных напряжений в ИС разработаны две модели П1 и П2 (см. рис.1,в, табл.4), которые отличаются граничными условиями. Модель П1 закреплена по оси симметрии, шариковые выводы не распаяны. В модели П2 смоделирована пайка всех 19 шариковых выводов на плату, что обусловило увеличение нагрузки и напряжений в золотом выступе в 1,8, в припое в 1,6, в полиимиде в 3,6, в медной металлизации в 3,5 раза. Концентрация напряжений в соединении медной металлизации и полиимидной пленки при более высоких температурах может привести к расслоению соединения.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы. Самым критичным местом в конструкции многовыводных ИС является соединение золотого выступа с алюминиевой КП. В материалах соединения - золоте, алюминии и оксиде кремния возникает концентрация напряжений, что может привести к отколу выступа при его микросварке. Концентрация напряжений возникает в соединении медной металлизации и полиимидной пленки, что может привести к расслоению соединения. Уменьшение диаметра золотого выступа со 100 до 50 мкм позволяет уменьшить напряжения в золоте в 1,53 раза, в алюминиевой КП в 1,35 раза. Установлено, что уменьшение толщины кристалла кремния с 500 до 50 мкм слабо влияет на прочность соединения в местах сборки. С позиций несущей способности, прочности и жесткости размеры соединения шаров из легкоплавкого припоя и полиимидной пленки могут быть уменьшены с 500 до 300 мкм.

Литература

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 448 с.

2. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM /CAE). - СПб.: Питер, 2004. - 560 с.

3. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлахова. - М.: Энерго-атомиздат, 1991. - 1232 с.

4. Машиностроение: Энциклопедия в 8 т. Т. III. - Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении / Ю.В.Панфилов, Л.К.Ковалев, В.А.Блохин и др. - М.: Машиностроение. -2000. - 744 с.

Статья поступила 17 марта 2009 г.

Грушевский Александр Михайлович (1950-2009) - доктор технических наук, профессор. Область научных интересов: конструирование и технология сборки приборов твердотельной электроники, многокристальных модулей и объектов микросистемной техники.

Погалов Анатолий Иванович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической механики МИЭТ. Область научных интересов: механика материалов и конструкций микроприборов.

Блинов Геннадий Андреевич - доктор технических наук, профессор кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: твердотельная электроника, технология сборки и монтажа микросистем.

Долговых Юрий Геннадьевич - аспирант кафедры технической механики МИЭТ. Область научных интересов: проектирование и технология электронных средств. E-mail: wise85@bk.ru

^ Конференции^

VI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов

17-19 ноября 2009 года, Москва, Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН.

Российская конференция молодых научных сотрудников и аспирантов ежегодно проводится в целях поддержки творческой активности молодых научных сотрудников и аспирантов академических институтов, государственных научных центров и вузов, проводящих смежные с ИМЕТ фундаментальные исследования.

Тематика конференции:

• наноматериалы и нанотехнологии;

• физикохимия и технология энергосберегающих и экологически безопасных процессов получения черных, цветных и редких металлов, керамики, наноматериалов;

развитие физико-химических основ создания новых металлических и керамических материалов,

• наноматериалов, в том числе конструкционных и функциональных материалов, монокристаллов и интерметаллидов, материалов с аморфной и нанокристаллической структурой, нанокомпозитов;

• физико-химические основы новых процессов формообразования и обработки давлением материалов и наноматериалов;

• развитие методов исследований структуры и свойств материалов и наноматериалов.

Регистрация, участие в конференции, публикация трудов, личное получение трудов конференции — бесплатно.

По итогам Конференции будет проведен конкурс представленных докладов.

Окончание регистрации участников: 25 мая 2009 года. Окончание приема материалов докладов: 15 сентября 2009 года.

Контакты:

119991, Москва, Ленинский проспект 49, комната № 306 основного корпуса ИМЕТ РАН; д.т.н. Бахтеевой Наталье Дмитриевне или к.т.н. Тодоровой Елене Викторовне; тел.: (499) 135-94-84,

^E-mail: bach2009@imet.ac.ru. ^

УДК 621.315.592.01

Модель термического окисления кремния с релаксацией

коэффициента диффузии

О.В.Александров, А.И.Дусь

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет - ЛЭТИ

На основе объемной модели окисления с учетом влияния внутренних механических напряжений и временной релаксации коэффициента диффузии окислителя в диоксиде проведен количественный анализ эффектов, наблюдающихся при обычном, быстром и многостадийном термическом окислении кремния. Использовались подложки различной кристаллографической ориентации.

Термический диоксид кремния остается основным диэлектриком в современных кремниевых сверхбольших и ультрабольших интегральных схемах (СБИС и УБИС). С увеличением степени интеграции толщина используемых в технологии СБИС и УБИС пленок диоксида кремния уменьшается до единиц нанометров [1] и от толщины в значительной степени зависит качество приборов. В процессе термического окисления кремния проявляется ряд физических эффектов, связанных как с непосредственно кремниевой подложкой, так и со свойствами объемного диоксида кремния, которые оказывают существенное влияние на электрофизические и технологические параметры системы кремний-диоксид кремния (81-БЮ2) [2].

Один из таких эффектов проявляется в аномально высокой по сравнению с рассчитанной по классической линейно-параболической модели Дила - Гроува [3] скорости окисления на начальной стадии, когда толщина растущего слоя диоксида кремния не превышает 30-40 нм. Для описания ускоренного роста был предложен ряд моделей, представляющих собой различные модификации классической линейно-параболической модели Дила - Гроува.

Моделирование начального этапа термического окисления кремния имеет большое значение для получения ультратонких слоев диоксида кремния толщиной в единицы-десятки нанометров с помощью так называемого быстрого термического окисления (БТО). При использовании этого метода разогрев пластин осуществляется с помощью мощных графитовых нагревателей или ламп накаливания, которые позволяют осуществлять равномерный нагрев кремниевых пластин до высоких температур с высокой скоростью до 1000 °С/с. Исследования показали, что кинетика БТО кремния происходит по тому же закону, что и обычного термического окисления при малых толщинах диоксида. Делались попытки распространить классическую линейно-параболическую модель Дила - Гроува на процесс БТО. Однако и в этом случае для описания ускоренного роста приходилось в модели Дила - Гроува изменять константы линейного или параболического окисления [4], или разрабатывать новые модели.

Другим эффектом, возникающим при термическом окислении, является эффект памяти, заключающийся в зависимости скорости окисления на последующей стадии от температуры окисления или отжига на предыдущей стадии [5]. Из всех многочисленных моделей термического окисления кремния этот эффект находит объяснение только

© О.В.Александров, А.И.Дусь, 2009