一种ic塑封残余应力的观测比较方法
【专利说明】一种IC塑封残余应力的观测比较方法
[技术领域]
[0001] 本发明涉及半导体技术领域，具体地说是一种集成电路1C塑封残余应力的观测比 较方法，特别是针对以环氧树脂料封装的半导体器件中残余应力现象。
[【背景技术】]
[0002] 随着1C技术的飞速发展，对产品可靠性和使用寿命方面的要求不断提高。集成电 路的封装是对半导体集成电路芯片外壳的成型包封，是半导体器件生产中至关重要的一 步。塑封工艺和模具是半导体器件封装工序中极其重要的手段和装备。虽然现代塑封技术 已较为成熟，但仍有很多不足之处，封装残余应力即为塑封成型过程中最重要的缺陷之一， 直接影响了产品的可靠性。
[0003]集成电路元件常常因为封装残余应力的存在与释放，造成界面分层、金线脱焊，甚 至开裂等失效，同时，残余应力的存在也影响了器件的电性能参数的稳定性。封装残余应力 形成原因是:塑封料与引线框、芯片和金线等热膨胀系数相差过大，收缩不均。随着多引脚 数1C的发展，结构的集成化、复杂化、微型化，在封装中的残余应力对可靠性的影响越来越 显著，这也使得对封装残余应力的检测与研究受到越来越多的关注，迫切的需要一种更简 便、更通用的检测方法来为进行降低残余应力的研究提供帮助。
[0004]塑封已广泛应用于1C元件的生产中，塑封材料现广泛的采用环氧树脂。除了光学 半导体封装外，一般塑封料大多为有色的，不能对残余应力进行直接观测。目前，对于非透 明塑封体中残余应力的研究大多基于数值模拟或专用的压阻应力测试芯片。其中，数值模 拟结果与实际情况存在较大差异，对工艺的优化等也只能达到很粗糙的处理，不能准确的 对封装残余应力情况进行控制研究，且模拟需要设置材料诸多性质及工艺参数等，实际工 作量大，而结果十分不精确。压阻应力测试芯片是利用硅的压阻效应，通过测量附加应力导 致的电阻变化来测量芯片表面的应力状态。由于配置和压阻器数量等的限制，压阻应力测 试芯片有一定的尺寸限制，且只能检测局部残余应力，对于越来越趋于尺寸小型化、集成化 的1C封装体来说，不仅应用受到很大限制，也不能反应应力分布状态。随着微电子封装越来 越向小型化发展，残余应力问题越来越显著，而现有检测方法又有很大局限性，急切需要提 出一种更通用可靠方便的测量比较方法。
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【发明内容】
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[0005]本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种1C塑封残余应力的观测比较方 法，能够直观地观测到残余应力的分布，并比较不同条件下的残余应力的大小及其随其他 条件的变化规律，可用于研究改进工艺方案和模具结构，提高塑封质量及效率。
[0006]为实现上述目的设计一种1C塑封残余应力的观测比较方法，包括以下步骤：
[0007] (1)塑封材料选取:根据相似定理，选取合适的透明塑封材料代替原有色料，建立 物理相似模型，该透明塑封材料与原有色料的性能参数相似、组成成分相同；
[0008] (2)塑封:采用原有色料的塑封工艺，利用所选取的透明塑封材料在塑封压机上完 成塑封；
[0009] (3)采集应力偏光图：在塑封压机上完成塑封后，采用应力偏光仪对塑封后封装体 应力偏光图进行采集；
[0010](4)比较不同条件下的应力偏光图色度及试件应力的变化情况:将采集的应力偏 光图按工艺条件命名排列，利用图像处理软件观测应力偏光图中应力变化，基于光弹性理 论和图像处理技术，采集应力偏光图上各颜色处RGB值，建立应力偏光图RGB值与对应应力 的数据库，通过应力偏光图色度的变化观测工艺参数对残余应力的影响规律；
[0011] (5)利用相似理论近似计算原有色料残余应力：建立相似模型中残余应力数值的 近似计算公式，记原有色料最大残余应力为％ 8,热膨胀系数为(CTE)ys，相似透明材料最大 残余应力为〇ws，热膨胀系数为(CTE)WS，近似计算公式为
，将采集的 RGB值导入上述应力偏光图RGB值与对应应力的数据库中，获得具体应力值，通过相似计算 公式获得原有色料的应力值，观测并比较不同条件下的残余应力变化情况。
[0012] 步骤（1)中，所述性能参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、热传导率和 比热，透明塑封材料的热膨胀系数与原有色料相同或成比例关系，其他性能参数的相似系 数为1，所述组成成分中，除了影响材料透明度的组成成分外，其他组成成分均与原有色料 保持相同。
[0013] 步骤(3)中，采集应力偏光图时，使应力偏光仪的位置固定、光线稳定，拍摄设备和 被测量产品摆放位置均采用夹具固定，保持摄像头在同一位置采集图片，确保各产品应力 偏光图在相同条件相同位置取得。
[0014] 步骤(4)中，由光弹性理论可知，一种颜色的应力偏光图对应的残余应力值是一定 的，利用标准试样，通过光弹性法测定不同颜色所对应的应力具体数值，同时利用图像处理 软件测量应力偏光图中颜色的RGB值，从而将颜色数字化，然后将其与其应力值一一对应， 建立应力偏光图RGB值与对应应力的数值库。
[0015]本发明同现有技术相比，具有如下优点：
[0016] (1)能够直观地观测到残余应力的分布，并比较不同条件下的残余应力的大小及 其随其他条件的变化规律，从而可用来研究改进工艺方案和模具结构，提高塑封质量及效 率；
[0017] (2)由于本方法属于无损检测，且方法简单经济，可以减少材料损耗，节约生产成 本；
[0018] (3)本方法采用相似理论和光弹性方法进行，同时结合图像处理技术，通过建立应 力偏光图RGB值与对应应力之间的数据库，通过相似原理进行参数修正后，弥补封装试验用 透明料和实际采用的封装料之间可通性，实现了应力偏光图与应力的数字化、直观化，使测 量比较方法简便可行；
[0019] (4)本方法在同类检测方法中受产品尺寸限制较小，适用于现在塑封向超小超薄 的发展趋势，具有更强的实用性和适应性。
[【附图说明】]
[0020] 图1为本发明的流程示意图；
[0021 ]图2为本发明的封装示意图；
[0022]图3为本发明实施例中塑封后应力偏光图采集100倍放大倍率的图；
[0023]图4为本发明实施例中实验方案1的应力偏光变化图；
[0024]图5为本发明实施例中实验方案2的应力偏光变化图；
[0025]图6为本发明实施例中保压压力与残余应力的关系示意图；
[0026]图7为本发明实施例中注塑压力与残余应力的关系示意图。
[【具体实施方式】]
[0027]本发明包括以下步骤：
[0028] (1)塑封材料选取:根据相似定理，选取合适的透明塑封材料代替原有色料，建立 物理相似模型，该透明塑封材料与原有色料的性能参数相似、组成成分相同；所述性能参数 包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、热传导率和比热，透明塑封材料的热膨胀系数与 原有色料相同或成比例关系，其他性能参数的相似系数为1，所述组成成分中，除了影响材 料透明度的组成成分外，其他组成成分均与原有色料保持相同；
[0029] (2)塑封:采用原有色料的塑封工艺，利用所选取的透明塑封材料在塑封压机上完 成塑封；
[0030] (3)采集应力偏光图：在塑封压机上完成塑封后，采用应力偏光仪对塑封后封装体 应力偏光图进行采集;采集应力偏光图时，使应力偏光仪的位置固定、光线稳定，拍摄设备 和被测量产品摆放位置均采用夹具固定，保持摄像头在同一位置采集图片，确保各产品应 力偏光图在相同条件相同位置取得。
[0031] (4)比较不同条件下的应力偏光图色度及试件应力的变化情况:将采集的应力偏 光图按工艺条件命名排列，利用PHOTOSHOP软件观测应力偏光图中应力变化，基于光弹性理 论和图像处理技术，采集应力偏光图上各颜色处RGB值，建立应力偏光图RGB值与对应应力 的数据库，通过应力偏光图色度的变化观测工艺参数对残余应力的影响规律；由光弹性理 论可知，一种颜色的应力偏光图对应的残余应力值是一定的，利用标准试样，通过光弹性法 测定不同颜色所对应的应力具体数值，同时利用PHOTOSHOP软件测量应力偏光图中颜色的 RGB值，从而将颜色数字化，然后将其与其应力值一一对应，建立应力偏光图RGB值与对应应 力的数值库。
[0032] (5)利用相似理论近似计算原有色料残余应力：建立相似模型中残余应力数值的 近似计算公式，记原有色料最大残余应力为％8,热膨胀系数为(CTE)ys，相似透明材料最大 残余应力为〇ws，热膨胀系数为(CTE)WS，近似计算公式为
将采集的 RGB值导入上述应力偏光图RGB值与对应应力的数据库中，获得具体应力值，通过相似计算 公式获得原有色料的应力值，观测并比较不同条件下的残余应力变化情况。
[0033]本发明所述的观测比较方法具体包括如下的步骤：
[0034] (1)塑封材料选取。
[0035]在完成芯片粘结和金线焊接后，半导体进入塑封环节。在实际塑封中，除了光学器 件外，大多器件的塑封料为有色料，这给研究造成了困难。为了克服该困难，本方法引入了 光弹性方法和相似理论。根据相似定理，建立物理相似模型，选取材料性能参数相似和主要 组成成分相同的透明塑封材料来代替原有色料。
[0036] ①材料性能主要参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、热传导率、比热， 其中热膨胀系数是影响残余应力的主要原因，应尽量相同，或成比例关系，以便通过相似定 理获得原有色料的残余应力变化规律。其他参数的相似系数要尽可能维持在1，以减少相似 模型偏差。
[0037] ②材料成分中除了影响材料透明度的成分外，其他主要成