一种微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法技术

本发明专利技术公开了一种微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法，是把人工智能理论、可靠性理论和健壮设计理论引入到微电子封装的热设计中，基于自适应高斯基智能神经网络、三水准健壮实验设计和非线性有限元相融合的微电子封装热膨胀系数可靠性匹配和健壮优化，把封装主要热失效部件的热疲劳应变作为目标函数对热循环载荷作用下的微电子封装器件材料的热膨胀系数进行最优匹配，在设计范围内获得最佳匹配的热膨胀系数参数集，使主要热失效部件的内部最大等效热疲劳应变减到最小。此方法既能减小微电子封装在循环热负载作用下的热机械失效率，还能保证了材料热膨胀系数在循环热负载的扰动下，仍能使封装维持高可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子设计与封装
，具体涉及一种微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法。
技术介绍
微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术，它是高科技和信息产业的核心。微电子领域的两大关键技术是微电子制造技术和微电子封装技术，微电子要靠封装来组成半导体器件，封装是CI支撑、保护的必要条件，也是其功能实现的重要组成部分。然而，微电子封装的连接部件特别是封装小焊球，在电路的周期性通断和环境温度周期性变化的作用下，会产生热机械应力应变，导致内部裂纹的萌生和扩展，最终导致整个集成电路失效，封装特别是封装焊点的热机械失效成为微电子主要的失效模式，产生这种失效的根本原因是微电子封装焊点周边各器件和连接部件材料的热膨胀系数不匹配造成的，为了提高集成电路的热机械可靠性，必须要对微电子封装各器件材料的热膨胀系数进行热可靠性匹配和优化设计。微电子封装中，器件材料的热膨胀系数对整个封装的热性能具有重要影响，早在1969年，IBM公司的K.C.Norris等就建立了可控塌陷互连(倒装焊)中由于芯片和陶瓷基板之间的热膨胀系数失配所引起的热应力物理模型，后来Robert Darveaux和John H.Lau等采用了一种TTDN技术测试了器件不同材料的热膨胀系数对封装热蠕变行为和温度棘轮的影响。近年来，M.A.等人在TST和TCT条件下，建立了封装焊点的热可靠性模型，并应用到了RF-LDMOS集成电路设计和分析中。Bart Vandevelde采用非线性有限元对SnPb和SnAgCu焊点热可靠性进行了建模，并针对三种芯片封装形式(封装BGA、倒装芯片封装UFC和QFN封装)下主要材料热膨胀系数对焊点的热可靠性的影响进行了分析。Saigal A提出了BGA封装的热机械循环试验下的Sn-37Pb焊点热可靠性评价模型，并通过有限元分析了失效的机理和器件的热膨胀系数对封装热可靠性的影响。Tung T采用DIC技术对BGA封装热可靠性分析模型，通过实验和数值仿真详细地分析了重要参数和器件材料的热膨胀系数对热可靠性的变化规律。Annapurna Addagarla采用有限元建立了BGA芯片封装的可靠性模型，在热应力负载下，分析了器件热膨胀系数对热失效寿命的影响。江苏大学微纳米科学技术研究中心在田口实验法的基础上，分析了热载荷作用下的PBGA封装无铅焊点周围器件材料热膨胀系数对封装的热可靠性的影响，并进行了热可靠性设计。以上研究大都是基于封装焊点周围器件材料的热膨胀系数对封装热失效的影响分析并且得出很多重要结果，由于在循环的热载荷作用下，微电子封装热-机械耦合关系非常复杂，是一个动态的过程，迄今为止针对封装器件热膨胀系数的优化和匹配的相关研究很少，更没有建立有效的基于可靠性健壮设计的微电子封装热膨胀系数匹配和优化的方法，极大地制约了微电子封装技术的发展。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种大大减小微电子封装在循环热负载作用下的热机械失效率，提高微电子封装可靠性的微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法，包括如下步骤：(1)根据微电子封装结构和热传递的特征，确定待匹配和优化的器件材料的热膨胀系数，并把它们作为优化设计参数T＝(T1,T2,…,Tn)，n为参数的个数。把封装主要热失效部件的热疲劳应变作为优化目标函数；(2)根据确定的匹配和优化的设计变量和优化目标，进行三水准健壮实验设计；(3)对三水准健壮实验设计点分别进行热疲劳应变的有限元分析和计算，形成完整的三水准健壮实验设计表；(4)构建自适应高斯基智能网络的决策判别函数和学习规则，运用完整的三水准健壮实验设计点和对应的热疲劳应变值对自适应高斯基智能神经网络进行学习，基于决策判别函数和学习规则建立微电子封装目标函数的自适应高斯基智能神经网络模型；(5)对微电子封装目标函数的自适应高斯基智能神经网络模型进行精度验证。若在符合设计要求的精度范围内，则可利用此模型进行匹配和优化；反之须重新设计，构建新的网络模型；(6)利用满足精度和要求的自适应高斯基智能神经网络模型，代替真实的有限元模型，建立多约束的微电子封装热膨胀系数可靠性匹配和健壮优化模型，并进行求解，获得最优匹配的封装器件热膨胀系数集，并验证优化结果。本专利技术进一步设置为：步骤(2)包括以下子步骤：(2.1)根据微电子封装设计要求和材料的特性确定封装内器件材料热膨胀系数变量值的容限范围，将它们的值设置成三个水准：Tl，Tm和Th，分别用1，2，3表示。(2.2)根据确定待匹配和优化的参数和设置的水准，构造参数水准表，构造的表如表1所示。表1(2.3)选用健壮正交表，并进行表头设计。根据参数和设置的水准，选择合适的正交表，选择的方法是：参数的个数小于正交表的列数，参数的水准数等于正交表对应的水准数，在满足以上条件下，选择较小的表La(bc)，其中，L表示正交表，a为总实验的次数，即正交表的行数，b为参数的水准数，c为参数的个数，即正交表的列数。(2.4)将参数及水准安排到所选的正交表相当的列中，形成健壮实验设计组合。三水准的正交健壮实验设计实现了最优水准组合，具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，具有很强的稳定性和健壮性，组合表如表2所示。表2本专利技术还进一步设置为：步骤(3)包括以下子步骤：(3.1)根据微电子封装的结构和其他固定参数，建立封装体有限元的实体模型；(3.2)结合封装体各部件的材料属性，对封装体有限元的实体模型进行网格划分；(3.3)按一定温度循环的标准，把循环的热载荷加载到有限元的每个节点上，在四到六个温度循环周期下，对三水准的健壮实验设计表中每个实验设计点进行有限元计算，求出主要失效部件最大等效的热疲劳应变值，得到完整的三水准的健壮实验设计表。微电子封装主要失效部件热疲劳应变自适应高斯基智能神经网络模型的构建方法为：(a)采用高斯函数构建自适应高斯基智能网络的隐函数：zh=gh(22βh||T-Ch||)=]]>exp[-12βh2(T-Ch)T(T-Ch)]]]>式中，T＝(T1,T2,…,Tn)表示待匹配和优化的封装器件热膨胀系数组成的参数集，n为待匹配和优化的封装器件热膨胀系数的个数。Ch＝(Ch1,Ch2,…,Chn)为第h个隐层高斯基的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据微电子封装结构和热传递的特征，确定待匹配和优化的器件材料的热膨胀系数，并把它们作为优化设计参数，把封装主要热失效部件的热疲劳应变作为优化目标函数；(2)根据确定的匹配和优化的设计变量和优化目标，进行三水准健壮实验设计；(3)对三水准健壮实验设计点分别进行热疲劳应变的有限元分析和计算，形成完整的三水准健壮实验设计表；(4)构建自适应高斯基智能网络的决策判别函数和学习规则，运用完整的三水准健壮实验设计点和对应的热疲劳应变值对自适应高斯基智能神经网络进行学习，基于决策判别函数和学习规则建立微电子封装目标函数的自适应高斯基智能神经网络模型；(5)对微电子封装目标函数的自适应高斯基智能神经网络模型进行精度验证；若在符合设计要求的精度范围内，则可利用此模型进行匹配和优化；反之须重新设计，构建新的网络模型；(6)利用满足精度和要求的自适应高斯基智能神经网络模型，代替真实的有限元模型，建立多约束的微电子封装热膨胀系数可靠性匹配和健壮优化模型，并进行求解，获得最优匹配的封装器件热膨胀系数集，并验证优化结果。

【技术特征摘要】
1.一种微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法，其特征在于，包括以下步
骤：
(1)根据微电子封装结构和热传递的特征，确定待匹配和优化的器件材料
的热膨胀系数，并把它们作为优化设计参数，把封装主要热失效部件的热疲劳
应变作为优化目标函数；
(2)根据确定的匹配和优化的设计变量和优化目标，进行三水准健壮实验
设计；
(3)对三水准健壮实验设计点分别进行热疲劳应变的有限元分析和计算，
形成完整的三水准健壮实验设计表；
(4)构建自适应高斯基智能网络的决策判别函数和学习规则，运用完整的
三水准健壮实验设计点和对应的热疲劳应变值对自适应高斯基智能神经网络进
行学习，基于决策判别函数和学习规则建立微电子封装目标函数的自适应高斯
基智能神经网络模型；
(5)对微电子封装目标函数的自适应高斯基智能神经网络模型进行精度验
证；若在符合设计要求的精度范围内，则可利用此模型进行匹配和优化；反之
须重新设计，构建新的网络模型；
(6)利用满足精度和要求的自适应高斯基智能神经网络模型，代替真实的
有限元模型，建立多约束的微电子封装热膨胀系数可靠性匹配和健壮优化模型，
并进行求解，获得最优匹配的封装器件热膨胀系数集，并验证优化结果。
2.根据权利要求1所述的一种微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法，其
特征在于，所述步骤(2)包括以下子步骤：
(2.1)根据微电子封装设计要求和材料的特性确定封装内器件材料热膨胀
系数变量值的容限范围，将它们的值设置成三个水准：Tl，Tm和Th，分别用1，
2，3表示；
(2.2)根据确定待匹配和优化的参数和设置的水准，构造参数水准表；
(2.3)选用健壮正交表，并进行表头设计；
(2.4)将参数及水准安排到所选的正交表相当的列中，形成健壮实验设计
组合。
3.根据权利要求1所述的一种微电子封装热膨胀系数可靠性匹配优化方法，其
特征在于，所述步骤(3)包括以下子步骤：
(3.1)根据微电子封装的结构和其他固定参数，建立封装体有限元的实体
模型；
(3.2)结合封装体各部件的材料属性，对封装体有限元的实体模型进行网
格划分；
(3.3)按一定温度循环的标准，把循环的热载荷加载到有限元的每个节点
上，在四到六个温度循环周期下，对三水准的健壮实验设计表中每个实验设计
点进行有限元计算，求出主要失效部件最大等效的热疲劳应变值，得到完...

【专利技术属性】
技术研发人员：万毅，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33