МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОПРОЧНОСТИ МНОГОКРИСТАЛЬНЫХ МИКРОМОДУЛЕЙ

УДК 621.3.049.77

Моделирование термопрочности многокристальных микромодулей

А.И.Погалов, Г.А.Блинов, Е.Ю.Чугунов

Московский государственный институт электронной техники

При создании быстродействующих систем микроэлектронной аппаратуры с высокой степенью интеграции широко применяются трехмерные многокристальные модули (МКМ). Сверхплотный монтаж бескорпусных ИС в конструкции МКМ осуществляют на прецизионные полиимидные коммутационные платы. Вертикальное соединение ИС в технологии сборки трехмерных модулей обеспечивается свертыванием гибкой полиимидной платы в объемный куб. Такое решение позволяет создать многоуровневую разводку с надежной межуровневой изоляцией полиимидными пленками [1].

Конструкция МКМ представляет собой композиционную систему, содержащую следующие разнородные материалы: основание из алюминиевого сплава АМГ, полиимид, кристалл ИС, алюминиевую металлизацию, герметик, имеющие разные температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и модули упругости. Из-за различий ТКЛР при сборке, испытаниях, а также при изменениях температур в процессе эксплуатации изделий в материалах МКМ возникают значительные термомеханические напряжения, которые могут привести к разрушению.

С целью обоснованного выбора конструктивных параметров МКМ в работе проведено исследование термомеханических напряжений и прочности модулей при температурных воздействиях в диапазоне от +20 до +60 °С, соответствующих первой степени жесткости испытаний на повышенные температуры [2], с использованием метода конечных элементов. Расчетная схема МКМ представлена на рис. 1. Геометрические размеры I модели 10*10 мм в плане. Исследовалось влияние следующих конструктивных факторов на напряженно-деформированное состояние (НДС) материалов: толщины основания йАМГ; толщины кристалла йк; толщины шва герметика Нг. При сборке трехмерного МКМ клеевое соединение выполнялось материалами: гер-метик эластосил; силиконовый герметик; эпоксидно-полиамидный (ЭП) герметик.

При разработке конечно-элементных моделей использовались следующие основные допущения: деформации и напряжения в материалах линейно-упругие, материал сплошной, однородный, изотропный, граничные условия не изменяются в процессе нагружения. Анализ прочностной надежности материалов МКМ проводился в два этапа. На первом этапе определялись эквивалентные напряжения о в конечных элементах модели с помощью гипотезы энергии изменения формы [3]. На втором этапе из множества полученных значений о определялись максимальные напряжения в каждом материале и сопоставлялись с допускаемыми напряжениями.

Разработано семь конечно-элементных моделей МКМ. Физико-механические свойства материалов МКМ приведены в табл.1 [4, 5]. Результаты моделирования представлены в табл.2.

Для базовой модели № 1 использовали герметик эластосил и следующие значения варьируемых параметров: кАМГ = 1000 мкм; Ик = 500 мкм; Нг = 150 мкм; толщина полиимида Иш = 50 мкм; толщина алюминиевой металлизации Иал = 30 мкм. Типовые эпюры распределения экви-

Рис.1. Схема двухкристального микромодуля: 1 - основание из сплава АМГ; 2 - герметик; 3 - полиимид; 4 - кристалл ИС; 5 - алюминиевая металлизация

© А.И.Погалов, Г.А.Блинов, Е.Ю.Чугунов, 2010

валентных напряжений в материалах базовой модели № 1 показаны на рис.2, 3.

Таблица 1

Физико-механические свойства материалов МКМ

Материал Е, МПа Д а-106, °С-1 [а], МПа

Сплав АМГ 7-104 0,33 24 200

Полиимид 3-103 0,3 20 175

Кремний 1,3105 0,3 4,2 200

Алюминий 7-104 0,33 22 150

Герметик эластосил 14 0,35 60 5

Герметик силиконовый 2 0,4 230 1

Герметик ЭП 2800 0,3 72 30

Примечание. а - ТКЛР; Е - модуль упругости; д - коэффициент Пуассона; [а] - допускаемые напряжения.

Таблица 2

Напряжения в материалах МКМ

№ модели Максимальные эквивалентные напряжения в материалах, МПа

Основание Герметик Полиимид Кремний Алюминий

1 1,3 0,7 4,5 78 83

2 1,75 0,8 5,0 62 85

3 3,6 0,63 4,9 66,6 83

4 1,42 1,25 5,2 65,8 83,5

5 0,92 0,43 4,6 78,6 82,8

6 0,74 0,13 4,5 78,5 82,6

7 32,6 21,6 30,5 113 86,5

//2, мм

намг мм

0,8 0,6 0,4 0,2 0

0,4 0,8 1,2 1,6 а, МПа а

0,4 0,8 1,2 1,6 О, МПа б

Рис.2. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в основании МКМ: а - по оси симметрии в плане;

б - по толщине основания в центре

//2, мм 4

3 -2  1 0

15 30 45 60 ст, МПа а

Н„, мкм

400 300 200 100 0

Нал, мкм

24 18 12

6

15 30 45 60 о, МПа б

Рис.3. Эпюра распределения эквивалентных напряжений в кристалле кремния (1) и в алюминиевой металлизации (2): а - по оси симметрии в плане; б - по толщине материала в центре

Анализ НДС базовой модели № 1 показал, что в кремнии максимальные напряжения 78 МПа возникают на краю кристалла, что в 6,7 раза больше напряжений в центре модуля. В алюминиевой металлизации максимальные напряжения 83 МПа возникают в центре сборочной модели, на краю напряжения уменьшаются до 47 МПа. В основании из сплава АМГ напряжения от центра к краю уменьшаются с 1,3 до 0,9 МПа. При этом нейтральный слой находится на расстоянии 0,8 мм от нижней свободной поверхности основания.

Уменьшение толщины кристалла ИС до 300 мкм (модель № 2) обусловило снижение напряжений в кремнии на 25%. Отметим, что уменьшение толщины основания йАМГ до 500 мкм (модель № 3) также привело к снижению напряжений в кремнии на 15%, но к увеличению напряжения в самом основании до 3,6 МПа.

Уменьшение Нг (эластосил) до 50 мкм (модель № 4) обусловило повышение напряжений в герметике до 1,25 МПа и снижение напряжений в кремнии на 20%. В то же время увеличение Нг до 300 мкм (модель № 5) привело к снижению напряжений в герметике до 0,43 МПа, а напряжения в кристалле кремния повысились незначительно.

Применение силиконового герметика ведет к значительному снижению в нем напряжений до 0,13 МПа, при этом напряжения в кремнии практически не изменяются (модель № 6). Использование жесткого эпоксидно-полиамидного герметика в модели № 7 существенно повысило напряжения в материалах МКМ. Так, в основании из сплава АМГ напряжения составили 32,6 МПа, в полиимиде увеличились до 30,5 МПа, в кремнии - до 113 МПа (на 45%), в герметике - до 21,6 МПа, что близко к предельно допустимым напряжениям.

Основными критериями создания прочного МКМ являются: уменьшение различия ТКЛР соединяемых материалов, использование эластичного силиконового герметика или эластосила с толщиной соединительного шва менее 100 мкм. Установлено, что уменьшение толщины кристалла ИС от 500 до 300 мкм позволяет снизить напряжения в кремнии на 25%, а уменьшение толщины основания от 1,0 до 0,5 мм - на 15%.

Литература

1. Грушевский А.М. Сборка и монтаж многокристальных микромодулей: уч. пособие / Под ред. Л.А.Коледова. - М.: МИЭТ, 2003. - 196 с.

2. Федоров В.К., Сергеев Н.П., Кондрашин А.А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств. - М.: Техносфера, 2005. - 504 с.

3. ФеодосьевВ.И. Сопротивление материалов: учеб. для вузов. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000. - 592 с.

4. Кузнецов О.А., Погалов А.И., Сергеев В.С. Прочность элементов микроэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1990. - 144 с.

5. Склеивание в машиностроении: Справочник: В 2 т. Т. 1 / Под общ. ред. Г.В.Малышевой. - М.: Наука и технологии, 2005. - 544 с.

Поступило31 марта 2010 г.

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 микроэлектронной аппаратуры.

Чугунов Евгений Юрьевич - аспирант кафедры микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: проектирование и технология электронных средств. E-mail: Chugunov-EU@inbox.ru