集成电路芯片热机械应力特征研究

2 结果和讨论

　　首先，我们借助红外热成像技术测试了芯片在不同工作电流下瞬态热应力曲线，本实验 用到的红外热像仪是FLIR公司的型号为SC5700的红外热像仪，其工作波段为2.5~5.1 mm，数据采集频率为115Hz，图2(a)显示的是热源5的热机械应力在不同的工作总电流下随时间的变化曲线。工作总电流施加方式如下：每条热源施加0.5 A工作电流，按照5→4→6→3→7→2→8→1→9顺序依次增加发光单元数目，则总电流Itotal= n×0.5 A (n=1， 2， 3…9)，每增加一条热源测试一次热源5的瞬态热机械应力，如图2(a)所示。同时我们测得了热源5的稳态热机械应力与工作总电流的关系，如图2(b)所示。我们通过最小二乘法拟合发现芯片热机械应力与总工作电流的对数成正比，即



　　为了验证上述实验结论，我们利用有限元方法按照实验电流施加方式模拟了芯片在不同电流密度下芯片热机械应力与电流的关系，有限元模型如图1(b)所示，模拟结果如图3(a)所示。从模拟结果可以看出，在不同电流密度下芯片热机械应力随工作 电流呈对数关系，与实验结果相一致。我们进一步通过最小二乘法拟合得到了系数A，如图3(b)所示，发现系数A与电流密度呈线性关系。此结果表明随着电流密度增加芯片热机械应力增长变快。

　　研究发现，芯片内部热机械应力达到一定值后会导致芯片发生塑性形变，通过有限元模拟我们得到了芯片温度与热机械应力的关系，如图4所示。文献报道，当GaAs基芯片局域温度达到450-500 K时芯片材料就开始发生塑性形变，我们计算结果表明，在局域温度在450-500 K时，其对应的热机械应力在40~50 MPa之间^[9]，换言之，当芯片的局域热机械应力达到40~50 MPa时芯片开始发生塑性变形，导致芯片失效，其电学参数会发生严重变化。

3 结论

　　作者自主设计了一款芯片在实验上考核了芯片热机械应力与工作电流的关系，发现芯片热机械应力与工作电流呈对数关系。在理论上利用有限元方法验证了实验结果，该研究结果为考核集成电路芯片热机械应力失效奠定了一定的基础。

参考文献：
　　[1]田民波.电子封装工程.北京：清华大学出版社，2003.9
　　[2]王宏伟.集成电路芯片封装热应力分析[J].新余高专学报，2006，11(4)：87-90.
　　[3]孙炳华. CSP结构的热应力分析[J].信息技术，2008，11:46-52.
　　[4]Martín-Martín A,Avella M,Iñiguez M P,et al.Thermomechanical model for the plastic deformation in high power laser diodes during operation[J].J. Appl. Phys.,2009,106(7): 073105-1–073105-8
　　[5]Qiao Y，Feng S，Xiong C，et al.Working Thermal Stresses in AlGaAs/GaAsHigh-Power Laser Diode Bars Using Infrared Thermography[J].IEEE Trans. Dev. Mater. Rel.,2014,14(1):413-417
　　[6]Bougataya M，Lakhsasi A，Massicotte D.VLSI Thermo-mechanical Stress Analysis by Gradient Direction Sensor Method[C].CCECE/CCGEI,2005,710-713
　　[7]Wojciak W，et al.Thermal monitoring of a single heat source in semiconductor devices-the first approach[J].Microelectronics Journal,1997,313-316
　　[8]Springer Handbook of Condensed Matter and Materials Data.edited by Martienssen W and Warlimont H(Springer,Berlin,2005)
　　[9]Suzuki T，Yasutomi T，Tokuoka T，et al.Plastic deformation of GaAs at low temperatures[J].Philos. Mag. A,1999,79(11):2637.