CC BY
8УДК 621.3.049.77
DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-565-572
Термомеханическая прочность соединений элементов в микроэлектронных модулях
А.И. Погалов, А.Ю. Титов, С.П. Тимошенков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Важными факторами надежности и прочности микроэлектронных модулей являются конструкция и технология паяного и клеевого соединений, упругие прочностные и пластические свойства материалов кристалла кремния, припоя и клеевого шва. Многослойные конструкции соединений элементов в микроэлектронных модулях должны обеспечивать снижение массо-габаритных характеристик и эффективный теплоотвод. В работе проведено моделирование напряженно-деформированного состояния соединений элементов в микроэлектронных модулях. Показано, что в олово-висмутовом припое напряжения в материалах сборки распределяются более равномерно и их значения ниже, чем при использовании припоев ПОС61 и ПОЦ: в кремнии на 5-30 %, в медном проводнике на 20-90 %. Выяснено, что в условиях эксплуатации и испытаний при повышенных температурах напряжение в припое ПОВи ниже, чем в припоях ПОС61 и ПОЦ, в 1,5 и 2,2 раза соответственно. Установлено, что эпоксидный клей холодного отверждения имеет хорошую адгезию к различным конструктивным материалам и долговечность, а технологический процесс характеризуется низкой трудоемкостью. Определена оптимальная толщина клеевого шва (50-200 мкм) и медного проводника (20 мкм). Даны рекомендации по проектированию микросоединений микроэлектронных модулей.
Ключевые слова: микроэлектронный модуль; материалы микросоединения; термомеханическая прочность; напряженно-деформированное состояние; моделирование; метод конечного элемента; конструктивно-технологические рекомендации
Для цитирования: Погалов А.И., Титов А.Ю., Тимошенков С.П. Термомеханическая прочность соединений элементов в микроэлектронных модулях // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. - № 6. - С. 565-572. Б01: 10.24151/1561-5405-201924-6-565-572
© А.И. Погалов, А.Ю. Титов, С.П. Тимошенков, 2019
Thermomechanical Strength of Connections of Elements in Microelectronic Modules
A.I. Pogalov, A.Yu. Titov, S.P. Timoshenkov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]
Abstract. The most significant factors of reliability and durability of a microelectronic module are the design and technology of brazed and adhesive bonding, the elastic strength and plastic properties of the materials of silicon crystal, solder and glue joint. The construction to be created is designed to reduce the weight and size characteristics, to increase the reliability and to ensure the efficient heat dissipation. In the work, when simulating the stress-strain state of the microconnections of microelectronic modules, it has been determined that in tin- bismuth solder the stresses in the assembly materials are distributed more evenly and their value is significantly lower than when using SnPb and SnZn solder. in silicon by 5-30%, in copper conductor by 20-90%. It has been determined that under operating conditions and tests at the elevated temperatures, the voltage in the SnBi solder is 1.5 and 2.2 times lower than in the SnPb and SnZn solder, respectively. It has been shown that the epoxy glue cold curing has good adhesion to various structural materials, low labor intensity of the process and high durability. The rational thickness of glue seam 50-200 microns and a copper conductor of 20 microns has been determined. The recommendations on the design of microconnections of microelectronic modules have been given.
Keywords: microelectronic module; microconnection materials; thermomechanical strength; stress-strain state; modeling; finite element method; engineering and technological recommendations
For citation: Pogalov A.I., Titov A.Yu., Timoshenkov S.P. Thermomechanical strength of connections of elements in microelectronic modules. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 6, pp. 565-572. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-6-565-572
Введение. Для современной электронной аппаратуры существует потребность в снижении массогабаритных показателей, чем и обусловлен интерес к методам монтажа бескорпусных кристаллов непосредственно на плату для создания микроэлектронных модулей [1]. Также важной задачей при проектировании микроэлектронного модуля является создание высокоэффективных теплоотводящих оснований для широкого спектра создаваемых изделий на их основе [1, 2]. Для обеспечения надежности, повышения функциональной сложности и снижения массогабаритных характеристик микроэлектронных модулей необходимы инженерные расчеты прочности и жесткости материалов и соединений, обоснование выбора материалов, параметров конструкции и технологического процесса. Для решения этой задачи используются экспериментальные и аналитические способы моделирования с применением метода конечного элемента [1-3].
Конструкция микросоединения и используемые материалы. С целью разработки конструктивно-технологических рекомендаций для проектирования многослойных конструкций микроэлектронных модулей и обоснованного выбора материалов проведены моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) изделия после сборки с помощью пайки и теплового нагрева до 80 °С. Для этого разработаны варианты моделей трехмерного модуля с конечно-элементной дискретизацией. Модели отличаются видами и марками используемых материалов, припоя и клея, толщиной клеевого шва и медного проводника, а также размерами паяного соединения.
Основание базового модуля БМ1 состоит из алюминиево-магниевого (АМг) сплава толщиной 10 мм, его размеры в плане 800 х 800 мкм. На основании БМ1 с помощью клеевого шва с использованием эпоксидного клея холодного отверждения ВК-9 на гибком ленточном носителе размещен бескорпусной кристалл кремния модификации 2. Толщина кремния и клеевого шва соответственно 460 и 200 мкм. Толщина контактной площадки (КП) на кремнии 5 мкм, ее размеры в плане 100 х 100 мкм. Медный проводник толщиной 20 мкм и шириной 100 мкм на полиимидном гибком носителе толщиной 30 мкм припаян к КП с подслоем меди припоем ПОС61. Припой имеет форму таблетки высотой 40 мкм и диаметром 80 мкм.
На рис.1 показана типовая расчетная схема соединения элементов в микроэлектронном модуле. Надежность и прочность конструкции зависят от многих конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Наиболее значимыми из них являются конструкция паяного шва и клеевого соединения, прочностные, упругие и пластические свойства материалов кремния, припоя и клеевого шва.
Для исследования влияния конструктивно-технологических факторов на термомеханическую прочность материалов использовались легкоплавкие припои марки ПОС61 (олово 61 %, свинец 39 %), ПОВи (олово 42 %, висмут 58 %) и ПОЦ (олово 91 %, цинк 9 %). Площадь паяного соединения варьировалась от 50 до 80 мкм2. Также применялись эпоксидный жесткий клей марки ВК9 (Е = 5000 МПа) и кремнийорганический эластичный клей «Эластосил» (Е = 100 МПа). Высота клеевого шва составляла 50-500 мкм. Эквивалентные напряжения о в конечных элементах модели определялись с помощью гипотезы энергии изменения формы [2]. Физико-механические характеристики используемых материалов модуля приведены в табл.1 [1 -10].
Таблица 1
Физико-механические свойства материалов модуля
Table 1
Physical and mechanical properties of the module materials
Материал Модуль упругости E105, МПа Коэффициент Пуассона ц Температурный коэффициент линейного расширения а106, °С-1 Допустимое напряжение с, МПа Относительное удлинение при разрешении S, %
Сплав АМг 0,70 0,33 24 200 5
Кремний 1,30 0,30 4,2 200 -
Клей ВК9 0,05 0,30 72 35 1-5
Медь 1,00 0,35 16,5 250 15
Полиимид 0,03 0,30 20 175 70
Алюминий 0,70 0,33 22 150 18
Припой ПОС-61 0,40 0,34 23 60 46
Припой ПОВи 0,46 0,36 15 35 16
Припой ПОЦ 0,56 0,36 25 50 2
Рис.1. Расчетная схема соединения микроэлектронного модуля Fig.1. Design scheme of microconnection of microelectronic module
Моделирование напряженно-деформированного состояния материалов микросоединения модуля. С целью исследования влияния припоя на НДС материалов модуля разработаны следующие конечно-элементные модели: базовая модель БП1 с эвтектическим припоем ПОС61 для оценки остаточных напряжений после пайки при Т = 183 °С; модели П2 с эвтектическим припоем ПОВ для оценки остаточных напряжений после пайки при Т = 138 °С; П3 с эвтектическим припоем ПОЦ для оценки остаточных напряжений после пайки при Т = 210 °С; базовые модели ТП1 с эвтектическим припоем ПОС61, ТП2 с эвтектическим припоем ПОВи, ТП3 с эвтектическим припоем ПОЦ при тепловом нагреве от 20 до 100 °С с перепадом температур ДТ = 80 °С.
Результаты моделирования НДС в припоях микросоединений показаны в табл.2.
Таблица 2
Значения максимальных эквивалентных напряжений и коэффициентов концентрации напряжений в припоях микросоединения для разных моделей
Table 2
Maximum equivalent stresses a and stress concentration factors K in solders of a microconnection for different modeles
Материал с, МПа K
П1 П2 П3 ТП1 ТП2 ТП3 П1 П2 П3
Медь (вывод) 57 36 118 29 24,5 49,6 6,2 7 3,6
Полиимид (пленка) 12 9 14 6 6,1 5,9 7,8 8 6,1
Припой 142 70 246 70 47,4 103,3 2,3 2 2,2
Медь (КП) 253 202 260 127 136 109 2 1,9 2,5
Кремний 92 68 144 46,3 44 60,5 6,3 6,2 4,7
Клей 74 53 86 37 36 36,1 2,8 2,6 2,7
Сплав АМг (основание) 40 30 50 20 20,4 21 1,8 1,4 2
Для оценки влияния конструктивно-технологических параметров на НДС материалов модуля разработаны следующие модели: М1 и М2 с толщиной клеевого шва 50 и 500 мкм соответственно; М3 и М4 с толщиной медного проводника 10 и 30 мкм соответственно; М5 с использованием эластичного клея «Эластосил»; М6 с увеличенной площадью паяного соединения от 50 до 80 мкм .
Результаты исследования влияния конструктивно-технологических параметров соединения на прочность модуля показаны в табл.3.
Проведенные исследования НДС материалов показали, что распределение напряжений в многослойных композиционных конструкциях неравномерно в плоскости и по высоте слоев и имеет вид параболы с максимумом на краях и в углах материала. Типовая эпюра распределения напряжений на оси симметрии микросоединения показана на рис.2. По высоте основания эпюра близка к линейной, причем основную нагрузку несут слои, близкие к клеевому шву. Интенсивность нагрузки в КП высока (сборочные напряжения для всех припоев порядка 250-260 МПа), и эпюра по высоте близка к постоянной. Напряжения по высоте слоя в остальных материалах распределяются по двух-модовой параболе с минимумом в среднем слое и максимумом на границах слоев. В кристалле кремния минимальное значение напряжения близко к нулю. На границах слоев наблюдается скачок напряжений. При значениях напряжений выше предела упругости в пластичных материалах модуля возникают пластические деформации, а в хрупких материалах образуются микротрещины, что может привести к нарушению целостности конструкции.
Таблица 3
Значения максимальных эквивалентных напряжений и коэффициенты концентрации напряжений в материалах модуля для моделей М1-М6
Table 3
Maximum equivalent stresses and concentration factors K for stresses in module materials
for the modeles М1-М6
Материал с, МПа K
М1 М2 М3 М4 М5 М6 М1 М2 М3 М4 М5 М6
Медь (вывод) 57 57 58 58 57 47 6,5 6,3 5,1 5,5 6,3 6,9
Полиимид (пленка) 11 12 12 12 11,5 13 8,4 7,8 7,3 7,2 8,2 7,5
Припой 142 146,3 143 143 137 145 2,3 2,3 2,3 2,3 2,26 2,3
Медь (КП) 251 261 253 253 236 248 2,16 2,15 2,2 2,2 2,2 2,3
Кремний 90 107 93 93 108 94 4,3 6,8 6,2 6,2 2,8 6,15
Клей 76 85 74 74 1,6 74 2,5 4,6 2,6 2,64 3,1 2,65
Сплав АМг (основание) 35 60 40 40 0,8 40 1,4 1,7 1,6 1,6 1,6 1,6
Для обеспечения прочности соединений при действии переменных циклических термомеханических воздействий необходимо, чтобы напряжения по всей площади соединений распределялись равномерно и коэффициент концентрации напряжений был как можно меньше [2, 5-7, 9, 10].
Концентрация краевых напряжений в паяном и клеевом (клей ВК-9) соединениях с использованием припоя ПОВи на 10-15 % ниже, чем с использованием припоев ПОС61 и ПОЦ (модели П1-П3). Сборочные напряжения в припое в модели П2 ниже, чем в базовой модели П1 , в 2 раза, и ниже, чем в модели П3, в 3,5 раза. В условиях эксплуатации при повышенных температурах напряжения в припое ПОВи в модели ТП2 ниже в 1,5 и 2,2 раза, чем в моделях ТП1, ТП3 соответственно (см. табл. 2). При использовании олово-висмутового припоя напряжения в материалах и соединениях распределяются более равномерно. В кремнии напряжения ниже на 5-30 %, в медном проводнике - на 20-90 %, чем при использовании припоев ПОС61 и ПОЦ (см. табл.2).
Исследование влияния конструктивно-технологических параметров показало, что оптимальная толщина клеевого шва находится в диапазоне 50-200 мкм. При толщине клея 500 мкм напряжения в кремнии повысились на 20 %, их концентрация увеличилась на 10 % (модели М1, М2 и П1 (см. табл. 2, 3). Толщина медного проводника, равная 20 мкм, снижает напряжения в
Рис.2. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в материалах модуля на оси
симметрии микросоединения Fig.2. Plot of distribution of equivalent stresses in the materials of the module, located on the axis of symmetry of the microconnection
меди на 10 % (модели П1, М4). Увеличение площади пайки от 50 до 80 мкм2 (модель М6) позволяет снизить напряжения в медном проводнике с 57 до 47 МПа (на 20 %).
Применение эластичного клея «Эласто-сил» при E = 100 МПа (модель М5) позволяет снизить напряжения в припое на 4 %, в КП на 7 %, в основании и клеевом шве более чем на порядок (в 40-50 раз). В кремнии концентрация напряжений в локальных угловых точках снизилась с K = 6,3 (при использовании ВК-9) до K = 2,8 (при использовании клея «Эласто-сил») при повышении номинального уровня о от 92 до 108 МПа (модели П1 и М5). Зависимости напряжения о и коэффициента концентрации K в кремнии и в клее ВК-9 от толщины h клеевого шва показаны на рис.3. Видно, что для клея ВК-9 оптимальная толщина шва составляет 50-200 мкм.
Заключение. Проведенное моделирование НДС, оценка прочности и жесткости материалов многослойной конструкции, выбор конструктивно-технологических характеристик изделия показали следующее. Напряжения зависят от упругих и пластических свойств соединяемых разнородных материалов модуля и определяются их термомеханической прочностью и жесткостью. Наилучшие результаты получены при использовании бессвинцового олово-висмутового припоя: действующие напряжения в паяном соединении снижены в 1,5-2,2 раза, а концентрация напряжений - на 15 %.
Эпоксидный клей ВК-9 холодного отверждения имеет хорошую адгезию к различным материалам, характеризуется незначительной усадкой при отверждении, высокой химической стойкостью, выносливостью и долговечностью [11]. При этом трудоемкость технологического процесса сокращается. Толщину клеевого шва целесообразно выбирать в диапазоне 50-200 мкм, что позволяет уменьшить напряжения в клее и кремнии примерно на 15 %, а концентрацию напряжений - в 2,4 раза.
Литература
1. Симонов Б.М., Бритков О.М., Тимошенков А.С. Конструкции и технологии изготовления компонентов и узлов электронных средств: учеб. пособие / под ред. С.П. Тимошенкова. - М.: МИЭТ, 2018. -232 с.
2. Кузнецов О.А., Погалов А.И., Сергеев В.С. Прочность элементов микроэлектронной аппаратуры. -М.: Радио и связь, 1990. - 144 с.
3. Пицык В.С., Муравьев В.И., Саблин П.А., Евстигнеев А.И. Методика расчета площади физического контакта при изготовлении неразъемных соединений в условиях тугой посадки: сб. «Металлургия: технологии, инновации, качество» / под общ. ред. Е.В. Протопопова. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2015. - С. 194-200.
4. Справочник по пайке / под ред. И.Е.Петрунина. - М.: Машиностроение, 2003. - 480 с.
5. Неметаллические конструкционные материалы / Ю.В. Антипов, П.Г. Бабаевский, Ф.Я. Бородай и др. // Машиностроение: энциклопедия / под ред. А.А. Кулькова. - М.: Машиностроение, 2005. -Т. II-4 - 464 с.
ст, МПа
ПО-
ЮСЬ-
К
90--
80--
70
4,3/ --- Кремний / 6,8 / 107 _ у 4,6
90
2J__ Клей ВК-9 > / 85
76 74 | I
50
200
350
О
500 Л. мкм
Рис.3. Зависимости напряжения ст и коэффициента концентрации K в кремнии и
клее ВК-9 от толщины h клеевого шва Fig.3. The dependence of stresses (ст) and coefficienta concentration (K) in silicon and VK-9
aliie on the thickness (h) of the trine line
6. Копаев Б.В., Андреева Л.П. Пластическая деформация паяного шва нахлесточного соединения // Заготовительные производства в машиностроении. - 2016. - № 6. - С. 7-12.
7. Андреева Л.П., Копаев Б.В. Влияние толщины материала на прочность паяного нахлесточного соединения // Заготовительные производства в машиностроении. - 2016. - № 12. - С. 15-17.
8. Полянский А.М., Полянский В.М. Прочность и излом паяного шва как показатели качества паяного соединения // Сварка и диагностика. - 2014. - № 3. - С. 57-60.
9. Ивашко А.И., Крымко М.М. Влияние материалов припоя на параметры силовых полупроводниковых приборов // Электронная техника. Сер. 2: Полупроводниковые приборы. - 2016. - № 3 (242). -С. 14-20.
10. Погалов А.И., Грушевский А.М., Блинов Г.А., Титов А.Ю. Термомеханическая прочность материалов паяных соединений многокристальных модулей памяти // Изв. вузов. Электроника. - 2009. -№6 (80). - С. 3-9.
11. Погалов А.И., Блинов Г.А., Чугунов Е.Ю. Моделирование клеевых соединений для обеспечения надежности трехмерных микроэлектронных модулей // Изв. вузов. Электроника. - 2018. - Т. 23. - №1. -С. 23-31.
Поступила в редакцию 09.04.2019 г.; после доработки 09.04.2019 г.; принята к публикации 24.09.2019 г.
Погалов Анатолий Иванович - доктор технических наук, профессор Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Титов Андрей Юрьевич - старший преподаватель Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, директор Института нано- и микросистемной техники Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
References
1. Simonov B.M., Britkov O.M., Timoshenkov A.S. Designs and manufacturing technology components and components of electronic tools: Proc. Manual. Ed. by S.P. Timoshenkov. Moscow, MIET Publ., 2018. 232 p. (in Russian).
2. Kuznetsov O.A., Pogalov A.I., Sergeev V.S. The strength of the elements of microelectronic equipment. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1990. 144 p. (in Russian).
3. Pitsyk V.S., Muravev V.I., Sablin P.A., Evstigneev A.I. The method of calculating the area of physical contact in the manufacture of permanent connections in a tight fit. Metallurgiya: tekhnologii, innovatsii, kachestvo = Metallurgy: technology, innovation, quality. Ed. by E.V. Protopopov. Novokuznetsk, Izd. tsentr SibGIU Publ., 2015. p. 194-200. (in Russian).
4. Handbook of soldering. Ed. by I.E. Petrunina. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2003. 480 p. (in Russian).
5. Antipov Yu.V., Babaevsky P.G., Borodai F.Ya. et al. Non-metallic structural materials. Mechanical engineering. Encyclopedia. Ed.by A.A. Kul'kova. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2005, vol. II-4. 464 p. (in Russian).
6. Kopaev B.V., Andreeva L.P. Plastic deformation of soldered seam lap joint. Zagotovitel'nyye proizvodstva v mashinostroyenii = Procuring Production in Mechanical Engineering 2016, no. 6, pp. 7-12. (in Russian).
7. Andreeva L.P., Kopaev B.V. The effect of material thickness on the strength of brazed lap joint.
Zagotovitel'nyye proizvodstva v mashinostroyenii = Procuring Production in Mechanical Engineering, 2016, no. 12,
pp. 15-17. (in Russian).
8. Polyansky A.M., Polyansky V.M. The strength and fracture of the solder seam as indicators of the quality of the solder joint. Svarka i diagnostika = Welding and Diagnostics, 2014, no. 3, pp. 57-60. (in Russian).
9. Ivashko A.I., Krymko M.M. Influence of solder materials on the parameters of power semiconductor devices. Elektronnaya tekhnika. Seriya 2: Poluprovodnikovyye pribory = Electronic equipment. Series 2: Semiconductor devices, 2016, no. 3 (242), pp. 14-20. (in Russian).
10. Pogalov A.I., Grushevsky A.M., Blinov G.A., Titov A.Yu. Thermomechanical strength of materials of soldered joints of multichip memory modules. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2009, no. 6 (80), pp. 3-9. (in Russian).
11. Pogalov A.I., Blinov G.A., Chugunov E.Yu. Simulation of adhesive joints to ensure the reliability of three-dimensional microelectronic modules. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2018, vol 23, no. 1,pp. 23-31. (in Russian).
Received 09.04.2019; Revised 09.04.2019; Accepted 24.09.2019. Information about the authors:
Anatoly I. Pogalov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Nano and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (124498, Russia, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Andrei Yu. Titov - Senior Lecturer of the Institute of Nano and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (124498, Russia, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Sergey P. Timoshenkov - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of Nano and Microsystem Technology, National Research University of Electronic Technology (124498, Russia, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
С тематическими указателями статей за 1996 - 2019 гг., аннотациями и содержанием последних номеров на русском и английском языках можно ознакомиться на сайте:
http://ivuz-e.ru
