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Bewertung und Zuverlässigkeitsanalyse von Underfillmaterialien für die Flip-Chip-Technik

Rau, Ingolf

Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik

In dieser Arbeit wurde ein zeitsparender Kombinationstest für Underfillmaterialien entwickelt, der aus der Lagerung eines realen Flip-Chip-Aufbaus in einem Pressure-Cooker-Gefäß bei 121 °C und 100 % relativer Luftfeuchte und einer anschließenden mechanischen Beanspruchung durch Vibration bei Raumtemperatur besteht. Durch die definierte mechanische Beanspruchung im Vibrationstest wird es möglich, die Fläche der Delaminationen als Bewertungskriterium für die Adhäsion des Underfillers an der Polyimidpassivierung des Chips zu verwenden. Um eine adäquate Testdauer im Pressure-Cooker-Gefäß abzuleiten, wurden die Feuchtigkeitskonzentrationen im Flip-Chip-Aufbau mit Hilfe einer Finite-Elemente-Simulation der Volumendiffusion berechnet. Für die Diffusion im Underfiller wurde ein erweitertes Ficksches Diffusionsmodell mit drei Parametern verwendet, welches eine zusätzliche irreversible Bindung erster Ordnung der Feuchtigkeit beschreibt. Damit kann eine lineare Feuchtigkeitsaufnahme über die Sättigungskonzentration eines rein Fickschen Ansatzes hinaus modelliert werden, wie sie bei Epoxidharzen und Polyimiden beobachtet wird. Entsprechend den Ergebnissen aus den durchgeführten Kombinationstests eignet sich diese Methode für eine Abschätzung von Mindestlagerzeiten. Die Testzeiten sollten so gewählt werden, dass Wassermolekülkonzentrationen zwischen 2,5·10^20 cm^(-3) und 10·10^20 cm^(-3) im Underfiller berechnet werden. Im anschließenden Vibrationstest wird der Flip-Chip-Aufbau mit zentraler Chipposition an den Ecken eingespannt und mit sinusförmigen Vibrationen angeregt. Dabei wird der Flip-Chip in analoger Form und Größe zu Temperaturwechseln verformt. Die Ergebnisse einer linearelastischen Finite-Elemente-Simulation zeigen, dass mit dem Vibrationstest die Scherspannungen und -dehnungen im Underfiller abgebildet werden können, welche in Temperaturwechseln aus der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplatte und Chip resultieren. Bei konstanter Temperatur fehlt eine Voraussetzung für diejenigen zyklischen Zugspannungen und -dehnungen, die in Temperaturwecheltests durch die thermomechanische Fehlanpassung des Underfillers an seine benachbarten Materialien verursacht werden. Deshalb treten diese nicht während der mechanischen Vibrationsbeanspruchung auf und die Adhäsion des Underfillers im Flip-Chip-Aufbau wird unabhängig von seinen thermomechanischen Eigenschaften bewertet. Sowohl der zeitsparende Kombinationstest als auch die durchgeführten Standardzuverlässigkeitstests, Feuchtigkeitslagerung und Temperaturwechsel, sowie Kombinationen aus den Standardzuverlässigkeitstests zeigen, dass die Delamination des Underfillers vom Polyimid der primäre Versagensmechanismus des Underfillmaterials im Flip-Chip-Aufbau ist. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Größe der Delamination und den elektrischen Ausfällen. Im Vergleich zu standardisierten Zuverlässigkeitstests, die mehrere Wochen bis Monate in Anspruch nehmen können, verkürzt der zeitsparende Kombinationstest die Evaluierungszeit auf weniger als eine Woche.