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第28卷第12期电子元件与材料V ol.28 No.12 2009年12月ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Dec. 2009 EMC材料特性对SCSP器件应力及层裂的影响
牛利刚，杨道国，赵明君
（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004）
摘要: 利用动态机械分析仪测定环氧模塑封（EMC）材料的粘弹特性数据，使用有限元软件MSC Marc分别模拟了EMC材料粘弹性、随温度变化的弹性以及恒弹性三种情况下，SCSP器件在–55 ~ +125℃的等效应力分布及界面层裂。结果表明：125℃和–55℃时最大等效应力分别出现在恒弹性模型、粘弹性模型顶层芯片的悬置区域；将EMC材料视为恒弹性性质时等效应力比粘弹性时大了15.10 MPa；–55℃时EMC材料粘弹性模型中裂纹尖端的J 积分值比恒弹性模型增长了45％左右，容易引起分层裂纹扩展。 合肥师范学院学报
关键词：环氧模塑封材料；叠层芯片封装器件；等效应力
doi: 10.3969/j.issn.1001-2028.2009.12.021
中图分类号: TM277 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2009）12-0072-04
Influence of EMC material property on stress and interfacial
delamination of SCSP device
NIU Ligang, YANG Daoguo, ZHAO Mingjun
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi
Zhuangzu Zizhiqu, China)
Abstract: The dynamic mechanical analyzer was employed to determine the viscoelastic properties data of epoxy molding compound (EMC material). Based on the EMC material viscoelastic model, temperature-dependent elastic model and constant elastic model, finite element software MSC Marc was used to investigate the distribution of maximum equivalent stress and interfacial delamination of SCSP device during temperature cycling (–55~+125℃), respectively. The results show that the maximum equivalent stress at 125℃ and –55 ℃are present to the overhang of top chip in constant elastic model and viscoelastic model, respectively; the equivalent stress of EMC material as constant elastic material is
15.10 MPa higher than viscoelastic model; the J-integral value at crack tip in viscoelastic model is increased by about 45%
compared with constant elastic model at –55 ℃, and the cracks in viscoelastic model easy to cause propagation.
Key words: EMC material; SCSP device; equivalent stress
由于环氧模塑封（EMC）材料的力学、粘结和耐腐蚀性能优异，固化收缩率和热膨胀系数小、尺寸稳定性好、工艺性好和综合性能佳等特点，使得它在电子领域得到广泛应用[1]。EMC的粘弹性材料对微电子封装器件的可靠性起着决定性作用，因此有必要对其进行研究。动态机械分析已经广泛用于研究各种材料的动态力学参数，尤其适合测量与温度和时间有关的粘弹特性[2]。又由于很多文献中为了模拟的简便，将粘弹性的EMC材料假定为线弹性[3]，使得模拟结果与实际差异较大，因此笔者利用动态机械分析仪DMA测定一种EMC材料的粘弹性数据，对数据进行拟合处理后得到有限元软件所需的粘弹性参数（即参数与时间温度相关）；通过裂纹尖端J积分值的大小来判断裂纹是否容易分层扩展。选用叠层芯片封装（SCSP）元件为研究对象，基于EMC 材料粘弹性、随温度变化的弹性以及恒弹性材料性
收稿日期：2009-08-09 通讯作者：杨道国
基金项目：国家自然科学基金资助项目(No. 60666002)
作者简介：杨道国（1963－），男，广西桂林人，教授，主要从事微电子封装技术研究，E-mail: d.g.yang@guet.edu ；
牛利刚（1980－），男，河北邯郸人，研究生，研究方向为微电子封装及封装可靠性，E-mail: gstnlg@yahoo 。
第28卷第 12 期73
牛利刚等：EMC材料特性对SCSP器件应力及层裂的影响
质模型，分析器件内部等效应力分布及最大应力处
的分层裂纹扩展。
1实验
1.1 实验方法
采用美国TA公司的DMA Q800动态机械分析仪测定EMC材料的粘弹性参数。选用如图1所示的EMC试
件，尺寸为50 mm×10 mm×2 mm。实验在0.1~100.0 Hz选定16个不同的频率，温度范围为– 25 ~ + 245℃。
图1 EMC材料试件
Fig.1 The test sample of EMC material
1.2 实验数据处理
DMA测定的EMC材料粘弹性参数包括储能模量E′、损耗模量、损耗角正切tanδ、应力和应变等。E′与频率ω的关系如图2所示，低温和高温下测定的E′随频率对数值变化并不明显；在105~135℃时，可以清晰地看出E′随频率对数值的变化趋势。
图2 不同温度储能模量与频率对数值的关系曲线
Fig.2 Curves of storage module vs logarithm values of frequenty at different
temperatures
时间–温度等效原理[4]认为，粘弹性材料在不同尺度上的力学行为可以通过改变温度来实现。故选定参考温度，根据时间–温度等效原理，平移其他温度下的曲线，从而得到E′主曲线，如图3所示。
图3 E′主曲线
Fig.3 The master curves for storage module
利用公式（1）拟合E′主曲线，得到松弛时间和对应的松弛模量，再根据各向同性材料弹性常数之间的关系[4]，可计算出对应的剪切储能模量和体积储能模量。
∑
=
∞⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⋅
−
+
=
N
n T
n
n
t
E
E
t
E
1
exp
)(
α
τ
（1）
式中：E(t
)为松弛模量；E∞表示EMC材料橡胶态时的松弛模量；E n为松弛系数；t为时间；τn为松弛时间；αT为转移因子；n为Maxwell单元个数。
由广义Maxwell方程模型描述的剪切储能模量G′(ω)和体积储能模量K′(ω)的公式（2）、公式（3）[5]可得到有限元软件所需的剪切松弛系数和体积松弛系数。
∑
=
∞+
+
=
N
n n
n
n
G
G
G
1
2
2
2
2
1
)
('
τ
ω
τ
ω
ω（2）
∑
=
∞+
+
=
N
n n
n
n
K
K
K
1
2
2
2
2
1
)
('
τ
ω
τ
ω
ω（3）
式中：G∞和K∞分别表示EMC在橡胶态的剪切、体积松弛模量；G n和K n分别表示EMC材料的剪切松弛系数和体积松弛系数；τn为松弛时间。
单频率下E′仅与温度相关，频率为1 Hz时E′与温度θ的关系曲线如图4所示。
图4 1 Hz时E′与θ的关系曲线
Fig.4 The curve for storage module vs temperature at 1 Hz
2 有限元模拟结果和分析
二维有限元模拟，建模简单，模型的单元数和节点数较少，便于反复计算，多数情况下可得到很好的模拟结果。笔者选用SCSP器件为研究对象，其模型的横截面如图5所示。考虑到封装器件的对称性，
取器件截面的一半进行模拟，分析采用四边形平面应变单元。对称轴上的节点施加x方向的约束（u
图5 SCSP器件横截面及初始裂纹示意图
Fig.5 Sketch of cross sections of SCSP device and the locations of initial
cracks
硅芯片
BT基板
粘结剂
EMC1
EMC2
EMC3
裂纹A
裂纹B
裂纹C
粘弹性模型
恒弹性模型
随温度变化的弹性模型
74牛利刚等：EMC材料特性对SCSP器件应力及层裂的影响V ol.28No.12 Dec. 2009
= 0），位于对称轴左下角节点施加x方向和y方向的
约束（u = v = 0）。模型中用到的主要材料特性参数
见表1[6]。
表1 材料特性参数
Tab.1 Characteristic parameters of materials
材料 E / MPa ναl / 10–6℃–1
芯片 131
000 0.30 2.8
20 000（x，y） 0.11（x，y） 13.0（x，y）
基板
8 780（z） 0.39（z） 57.0（z）
粘结剂（见表2） 0.40 48.0 EMC 由实验数据获得
表2 粘结剂E′参数
Tab.2 E′parameters of the adhesive
E′ / MPa 640 140 100
θ / ℃ 25 150 250 热循环载荷按照美国军标ML—STD—883规定
的温度范围（– 55 ~ + 125℃）进行加载，热循环加
载曲线如图6所示。高低温驻留时间分别为10 min，
上升和下降速度为10℃/min，循环从室温25℃开始，最后回到初始温度25
℃。
Fig.6 The curve of thermal cycle loading
2.1 三种模型对等效应力的影响
由于本实验中使用的EMC材料玻璃转化温度为
115℃，在热循环过程中，当温度高于115℃时，EMC
材料的力学性能下降，开始由玻璃态向橡胶态转变，
此时粘弹性模型中的应力得到缓解；如果材料的弹
性模量大，可以认为该材料的刚性大，抵抗拉伸变
形的能力强
[7]，EMC材料为随温度变化的弹性模型
中国定格动画论坛时，其E′与温度的关系见图4，当温度在115℃时，
E ′急剧下降，器件内部的应力同样可以得到缓解；假
定EMC材料为恒弹性材料时，等效应力随温度的升
高而增大，125℃时，最大等效应力σ出现在顶层芯
片的悬置区域。等效应力分布云图如图7所示。
图7 125℃时等效V on Mises应力分布云图
Fig.7 Equivalent V on Mises stress nephograms at 125℃
器件中各种材料随着温度的降低而收缩，而处
于上、下芯片之间的EMC材料和芯片的收缩方向相
反，因此–55℃时会在顶层芯片的悬置区域出现较大
的应力。又由于EMC材料玻璃转化温度较低，高温
(125℃)时由于EMC材料的软化，应力得到缓解，
因此粘弹性模型在高温(125℃)时的等效应力比低
温(–55℃)时要小（见图8），与文献[8]的结果一致。
图8 – 55℃时等效V on Mises应力分布云图
Fig.8 Equivalent V on Mises stress nephograms at –55℃
2.2三种模型对裂尖J积分值的影响
J积分是理论上较严密的应力应变场参量，它在
测定和理论分析中能避免裂纹尖端连续介质力学已
不适用的区域，测定简单可靠，理论计算有较满意
的精度[9-10]。在等效应力较大的区域预置初始裂纹，
裂纹位置如图5所示。通过有限元模拟，得到各个
裂纹裂尖处的J积分值随温度（以时间增量步表示）
变化趋势见图9。
图9 热循环加载过程中裂尖J积分历程图
Fig.9 J-integral courses diagram of cracks tips during thermal cycle loading
从图9可以看出：EMC为恒弹性材料参数时，
裂纹C的J积分值在高温(125℃)阶段最大，这是因
为该模型在高温时内部应力最大；EMC为随温度变
化的弹性材料时，裂纹B的J积分值可明显地显示
出温度依赖特性；只有粘弹性模型（裂纹A）的J
积分值可以正确表示出EMC材料的粘弹特性。–55
℃时，裂纹A的J积分值较大，比恒弹性模型大45%
左右，这是因为裂纹A尖端应力应变场的强度[9]比
较大，由图10可知，–55℃时在粘弹性模型中x方
向拉应力（即主应力）为21.61 MPa，而芯片上的压
应力达到了最大值50.65 MPa，所以裂纹A在低温时
粘弹性模型
恒弹性模型
香港将承认内地婚姻家庭案件判决随温度变化的弹性模型
σ / MPa
65.326 4
58.070 0
50.813 5
43.557 1
36.300 6
29.044 2
21.787 7
14.531 3
7.274 82
0.018 37
粘弹性模型
恒弹性模型
随温度变化的弹性模型
σ / MPa
71.613 5
63.656 8
55.7001
47.743 4
39.786 7
31.830 0
23.873 3
15.916 6
7.959 93
0.003 22
J
积
分
值
/
(
N
·
m
m电子元件与材料
–
2
)
0 1 2 3 4
时间增量步 / ks
2.50e–0.3
2.00e–0.3
1.50e–0.3
1.00e–0.3
5.00e–0.4
裂纹A裂纹B 裂纹C
第28卷 第 12 期 75
牛利刚等：EMC 材料特性对SCSP 器件应力及层裂的影响 的J 积分值最大，EMC 材料和芯片之间容易发生分层裂纹扩展，导致失效。
图10 –55 ℃时x 方向主应力云图
Fig.10 The main stress nephograms in x direction at –55 ℃
3 结论
使用DMA 测定了EMC 材料与时间温度相关的粘弹性参数。基于EMC 材料的粘弹性、随温度变化的弹性和恒弹性模型，分析了等效应力分布及应力最大处裂尖的J 积分值，得出以下结论：
（1）EMC 为随温度变化的弹性材料时，高温（125 ℃）阶段最大等效应力为47.91 MPa ；EMC 基于恒弹性材料参数时，最大等效应力为65.33 MPa ；而EMC 为粘弹性材料时，最大等效应力为50.23 MPa ，可见EMC 的材料参数为随温度变化的弹性或恒弹性时，其等效应力与粘弹性时有较大差异。
（2）高温（125 ℃）阶段EMC 材料恒弹性模型裂纹尖端的J 积分值最大，而EMC 的材料参数为粘弹性或随温度变化的弹性时，由于EMC 材料向橡胶态转变，使裂纹尖端的应力应变场减弱，J 积分值相对较小。但低温(–55 ℃)阶段EMC 材料与芯片结合处的拉应力较大，尤其考虑EMC 材料的粘弹性时，EMC 材料与芯片结合处的拉应力最大，J 积分值也相对较大，容易发生分层裂纹扩展，最终导致器件
失效。
参考文献：
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（编辑：陈渝生）
绿制造带来成本上升
以节能、降耗、减污为目标的绿生产已经成为电子制造的必然趋势。继欧盟RoHS 、WEEE 、REACH 指令后，中国政府也发布了《电子信息产品污染防治管理办法》(中国RoHS)，由此，业界对材料及元件的环保要求越来越高，在电子元件制造领域刮起了一股“绿旋风”。
欧盟理事会在2003年推出了两个电子行业环保指令——RoHs 和WEEE 指令。RoHs 指令全名《在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》，要求从2006年7月1日起禁止在电子电气设备中使用铅、汞、镉、六价铬、聚溴联苯、聚溴二苯醚等6种有害物质。广东风华高新科技股份有限公司端华片式电阻器分公司总经理李志坚介绍说：RoHs 指令所禁止的6种物质有着成本低、加工难度低和使用效果好的特点，在以前的电子行业中都是十分重要的原材料：铅和镉是焊锡和保护材料的重要组成，还可以作为塑料中的颜料以及稳定剂；汞用于制作照明设备和颜料；六价铬是金属钝化剂，同样可以做颜料；聚溴联苯和聚溴二苯醚是优良的塑料阻燃剂。
电子行业禁用这6种物质之后，对企业带来了很大影响。李志坚进一步解释说，禁用这6种物质，首先导致企业成本上升，据专家统计，更换环保材料和
更改生产工艺所造成的成本大约要上升10%以上，如此高的成本基本上把电子元件行业的利润全部扣除了，使得企业处于无利甚至是亏损的境地。其次使得加工难度加大，这里面既有使用新材料需要更改生产工艺带来的难度，也有新材料与原有材料匹配带来的加工难度。最后会导致产品质量下降，因
为新材料并没有经过时间的检验，加工技术也处于摸索阶段，因此生产的难度必然加大，成品率下降，产品失效率、故障率也随之增加，给企业的赢利带来挑战。
绿生产带来的成本提高，还缘于检测费用的增加，陕西宏星电器有限责任公司副总经理王玉洁表示，众所周知，产品中是否含有管控中的有害物质，必须通过检测才能确认其符合性，而每个项目的检测费用从几百元到几千元不等，这些费用都要摊在产品成本上。因此，企业大都将测试费用适当地转嫁给上游供应商，这样就不可避免地带来原材料的涨价或是原材料因降低成本所带来的品质下降。目前各个企业在应对绿生产所采取的措施基本为追溯源头，也就是说从控制上游供应商着手逐层逐级向上推进，只有保证了化工原料(即物质)的符合性，才能从根本上解决绿生产的问题。
（诸玲珍）
y 恒弹性模型 随温度变化的弹性模型 粘弹性模型 x σ / MPa
21.612 7
13.584 0
5.555 31 –2.473 4 –10.502 1 –18.530 8 –2
6.559 5 –34.588 3 –42.617 0 –50.645 7
豫公网安备41160202000603
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