塑封硅器件中介电薄膜的温湿效应分析

随着铜互连以及 low-k电介质在超大规模集成电路中地广泛使用,low-k电介质的机械完整性及其对互连可靠性变得更加重要. 影响介电膜的机械完整性和互连可靠性的因素包括介电膜的工艺制程, 芯片与封装材料的相互影响, 以及环境温度和湿度的影响.本文研究集中于了解环境温度和湿度对塑封硅器件中介电薄膜的可靠性影响. 采用快速温度和湿度实验条件,对塑封硅器件中介电薄膜受水分和温度损伤的敏感性进行了分析. 运用商业有限元(FEA)分析软件, 对水分在塑封材料和硅器件中的扩散过程进行了建模及仔细分析. 并对硅器件周边密封圈的防水分扩散效力进行了研究. 通过这一系列实验与分析,对塑封硅器件中介电薄膜的温湿效应有了完整地了解,并提出和建立了相关的物理模型和经验公式.运用这物理模型和经验公式可对在各种使用环境温度和湿度条件下,塑封硅器件中介电薄膜的可靠性进行评估及分析.     

塑封硅器件中介电薄膜的温湿效应分析

随着铜互连以及low-k电介质在超大规模集成电路中地广泛使用，low-k电介质的机械完整性及其对互连可靠性变得更加重要。影响介电膜的机械完整性和互连可靠性的因素包括介电膜的工艺制程，芯片与封装材料的相互影响，以及环境温度和湿度的影响。本文研究集中于了解环境温度和湿度对塑封硅器件中介电薄膜的可靠性影响。采用快速温度和湿度实验条件，对塑封硅器件中介电薄膜受水分和温度损伤的敏感性进行了分析。运用商业有限元（FEA）分析软件，对水分在塑封材料和硅器件中的扩散过程进行了建模及仔细分析。并对硅器件周边密封圈的防水分扩散效力进行了研究。通过这一系列实验与分析，对塑封硅器件中介电薄膜的温湿效应有了完整地了解，并提出和建立了相关的物理模型和经验公式。运用这物理模型和经验公式可对在各种使用环境温度和湿度条件下，塑封硅器件中介电薄膜的可靠性进行评估及分析。     

界面黏接对软电介质薄膜临界击穿场强影响的试验研究

软电介质薄膜因模量低、可大变形、适应性强等特点,被广泛应用于电气和电子系统中。但由于材料的介电常数较低,通常需要在较高的电场环境下服役。在高电场环境下,软电介质薄膜易产生失稳和电击穿破坏,影响着材料的应用范围和稳定性。本研究针对电极对软电介质薄膜有无约束两种情况对此类器件的稳定性展开了研究：首先定量描述了电极对电介质无约束时,电压加卸载过程中失稳形貌的演化规律;其次讨论了例如氯化锂水凝胶等软电极对薄膜力电失稳的抑制,并利用化学黏接的方式增强水凝胶电极对电介质薄膜的约束,提升了电介质薄膜的临界击穿场强。     

吸收湿气对微电子塑料封装影响的研究进展

微电子塑料封装中常用的聚合物材料因易于吸收周围环境中的湿气而对器件本身的可靠性带 来很大影响, 本文回顾了封装材料中湿气扩散、湿应力及蒸汽压力的产生这3个互相联系过 程的研究情况, 从理论分析、特征参数描述及其实验测定、有限元模拟分析的角度来分别予 以介绍.从已有的理论分析与实验结果中可以看出, 塑封材料吸收湿气会给器件的可靠性带 来诸多影响, 湿气的吸收、扩散、蒸发等过程, 实验测量, 以及由湿气带来的其它相关问题正 成为微电子封装可靠性研究领域中的新热点, 受到越来越多的关注与重视.     

基于辛本征值方法的受约束介电弹性体中褶皱不稳定性的分析

辛弹性力学已广泛应用于弹性学中各种边值问题的精确解、计算表面波模式以及预测多层超弹性薄膜中的表面褶皱。本文展示了辛分析框架还可应用于受约束介电弹性体中的表面褶皱。机械和电位移向量是两个基本变量来描述介电弹性体中机械变形与电场紧密耦合。褶皱的临界电压可以通过引入基本变量的对偶变量来从辛本征值问题中解决。本文采用扩展的W-W（Wittrick-Williams）算法和精确的积分方法,准确而高效地解决制定的辛本征值问题的本征值。通过将褶皱电压和波数与有无表面能的褶皱基准结果进行比较,验证了辛分析的有效性。辛分析框架简洁且适用于其他不稳定问题,如分层电介质弹性体、磁弹性不稳定性以及层压复合结构的微观和宏观不稳定性。     

一种新型介电弹性体仿生可调焦透镜的变焦分析

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.      

THEORETICAL NONLINEAR ANALYSIS OF A BIOMIMETIC TUNABLE LENS DRIVEN BY DIELECTRIC ELASTOMER 1)

介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.     

介电高弹聚合物理论

软材料受刺激会发生变形, 该变形会引起相应的功能, 这种材料称为活性软材料(soft active material, SAM). 本综述主要讨论介电高弹聚合物这一类活性软材料. 当介电高弹聚合物薄膜受到厚度方向的电压作用时, 薄膜厚度减小同时面积增大, 可导致超过100{\%}的应变. 介电高弹聚合物作为转换器被广泛应用, 包括柔性机器人、智能光学器件、盲文显示屏、发电机等. 本文综述了建立在连续介质力学和热力学框架内的、并且基于分子理论描述和经验观测的介电高弹聚合物理论. 该理论耦合了大变形和电势, 描述了非线性和非平衡行为, 如力电失稳和黏弹性. 采用该理论能够通过有限元方法模拟实际构型的转换器, 计算力电能量转换的效率, 给出电致大变形的可行途径. 该理论有助于材料和器件设计.     

具有线性介电常数的Ogden型介电弹性体的本构关系和机电稳定性

应用多材料常数的Ogden弹性应变能函数分析了介电弹性体的力学行为,研究了介电弹性体的机电稳定性.数值结果表明,通过对材料系数(如材料常数比和电致伸缩系数等)的恰当调节可以使得介电弹性体材料或介电弹性体结构更趋稳定.这些有益于深入理解介电弹性体的机电稳定性行为,进而设计恰当的介电弹性体器件.     

不同湿度条件下N、Si共掺杂DLC膜的摩擦学性能研究

采用射频化学气相法沉积了氮、硅共掺杂类金刚石碳膜(N-Si-DLC).用X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、表面形貌仪及扫描电子显微镜等对薄膜结构进行了表征,用球-盘往复摩擦试验机考察了不同湿度(RH为15%,45%和75%)空气中薄膜与316L不锈钢球配副的摩擦学性能.结果表明:与Si-DLC相比,N-Si-DLC膜内sp~2C成分含量较高,N主要以C=N、C≡N、Si-N键形式存在于膜内;膜的内应力低,硬度和杨氏模量较低;含N量少的N-Si-DLC膜显示出更低的摩擦与磨损,其摩擦学性能对湿度的变化表现出较低的敏感性.     

60Si2Mn螺旋弹簧的压缩应力松弛行为与贮存寿命预测

为评价60Si2Mn螺旋压缩弹簧的室温松弛特性,利用InstronE3000K8953型小吨位电子动静态疲劳试验机,对其在不同温度和初始应力水平条件下进行了高温压缩加速应力松弛试验,研究了环境温度、初始应力水平对松弛行为的影响.基于粘弹性体模型,揭示了应力松弛过程中弹性应变向塑性应变的转化特性与塑性应变随松弛时间的变化规律.在对应力松弛前后弹簧丝材金相和TEM微结构进行对比分析的基础上,探讨了应力松弛的微观机制.结果表明,环境温度与初始应力水平对松弛速率具有显著影响.基于应力松弛过程的热激活特性,建立了60Si2Mn螺旋压缩弹簧的贮存寿命预测方程,并对不同应力水平下弹簧的室温和高温贮存寿命进行了合理预测.     

Delamination in patterned films

When the dielectric constant of an insulator in an interconnect is reduced, mechanical properties are often compromised, giving rise to significant challenges in interconnect integration and reliability. Due to low adhesion of the dielectric an interfacial crack may occur during fabrication and testing. To understand the effect of interconnect structure, an interfacial fracture mechanics model has been analyzed for patterned films undergoing a typical thermal excursion during the integration process. It is found that the underlayer pattern generates a driving force for delamination and changes the mode mixity of the delamination. The implications of our findings to interconnect processes and reliability testing have been discussed.     

Cracking mechanisms in lithiated silicon thin film electrodes

The massive cracking of silicon thin film electrodes in lithium ion batteries is associated with the colossal volume changes that occur during lithiation and delithiation cycles. However, the underlying cracking mechanism or even whether fracture initiates during lithiation or delithiation is still unknown. Here, we model the stress generation in amorphous silicon thin films during lithium insertion, fully accounting for the effects of finite strains, plastic flow, and pressure-gradients on the diffusion of lithium. Our finite element analyses demonstrate that the fracture of lithiated silicon films occurs by a sequential cracking mechanism which is distinct from fracture induced by residual tension in conventional thin films. During early-stage lithiation, the expansion of the lithium-silicon subsurface layer bends the film near the edges, and generates a high tensile stress zone at a critical distance away within the lithium-free silicon. Fracture initiates at this high tension zone and creates new film edges, which in turn bend and generate high tensile stresses a further critical distance away. Under repeated lithiation and delithiation cycles, this sequential cracking mechanism creates silicon islands of uniform diameter, which scales with the film thickness. The predicted island sizes, as well as the abrupt mitigation of fracture below a critical film thickness due to the diminishing tensile stress zone, is quantitatively in good agreement with experiments.     

X射线衍射法测量碳化硅单晶的残余应力

为了准确评估晶体的质量、提高器件的使用性能,本文围绕单晶碳化硅材料残余应力方面开展了相关研究工作.首先通过对原有的多重线性回归分析方法加以改进,推导出适用于求解六方晶系单晶碳化硅试样所处应力状态的相关理论.其次,采用该方法对沿着[1010]取向生长的6H-SiC单晶片进行了残余应力检测,同时选用{214}晶面族作为测量衍射面.最后,探究了来源于不同晶面组数的数据进行计算时对残余应力测量结果的影响.结果显示:采用多重线性回归分析方法可以实现单晶6H-SiC的面内残余应力的测定;当给定无应力晶面间距d;的精确值时,该应力结果的误差高于选用5组以上(hkl)晶面数计算得到的残余应力结果的误差;如果d;未知,则随着参与应力计算的晶面组数的增加,平面残余应力的误差结果会逐渐降低并趋于平稳.这表明实验测定的残余应力结果具有较高的精度.另外,为了保证实验测得的应力结果的可靠性,应该选用六组及以上衍射面数通过多元回归分析方法来求解单晶碳化硅试样所处的残余应力状态.     

X射线衍射法测量碳化硅单晶的残余应力

为了准确评估晶体的质量、提高器件的使用性能,本文围绕单晶碳化硅材料残余应力方面开展了相关研究工作.首先通过对原有的多重线性回归分析方法加以改进,推导出适用于求解六方晶系单晶碳化硅试样所处应力状态的相关理论.其次,采用该方法对沿着[1010]取向生长的6H-SiC单晶片进行了残余应力检测,同时选用{214}晶面族作为测量衍射面.最后,探究了来源于不同晶面组数的数据进行计算时对残余应力测量结果的影响.结果显示:采用多重线性回归分析方法可以实现单晶6H-SiC的面内残余应力的测定;当给定无应力晶面间距d;的精确值时,该应力结果的误差高于选用5组以上(hkl)晶面数计算得到的残余应力结果的误差;如果d;未知,则随着参与应力计算的晶面组数的增加,平面残余应力的误差结果会逐渐降低并趋于平稳.这表明实验测定的残余应力结果具有较高的精度.另外,为了保证实验测得的应力结果的可靠性,应该选用六组及以上衍射面数通过多元回归分析方法来求解单晶碳化硅试样所处的残余应力状态.     

加速度计贮存寿命与可靠性的步进应力加速退化试验评估方法

针对加速度计长期贮存环境下贮存可靠性无法准确快速评估的难题,应用步进应力加速退化试验方法快速评估某加速度计的贮存可靠性。首先对加速度计实施故障模式影响及危害性分析和故障树分析,确定敏感应力为温度应力,加速模型为阿伦尼斯模型。其次,对其实施步进应力加速退化试验,并建立数学模型拟合其在各温度应力下性能退化曲线,结合失效阀值求解各样本的伪寿命。通过对各应力水平下样本的伪寿命进行分布假设检验,确定其贮存寿命服从威布尔分布,最终利用加速模型外推正常温度下的寿命分布参数,进行正常温度下贮存期寿命和可靠性指标的评估,得到加速度计在贮存140 160 h(16 a)时的可靠度为0.988。     

Laser heating of multilayer assembly and stress levels: elasto-plastic consideration

Laser heating of multilayer assembly results in temperature profiles, which differ in each layer. Depending upon the material and laser pulse properties, high temperature gradients can occur. This, in turn, results in excessive stress levels in the region irradiated by a laser beam. When the magnitude of stress level exceeds the yield stress of the material, plastic deformation is resulted. In this case, elasto-plastic analysis should be applied when modeling the thermal stresses due to a laser heating pulse. In the present study, time exponentially varying pulse laser heating of four and two layer assemblies is considered. The four layer assembly composes of gold, chromium, gold and silicon while two layer assembly is formed from gold and silicon. The resulting temperature field is obtained numerically using a control volume approach. The elasto-plastic analysis employed to compute the stress levels in the substrate material. It is found that stress levels higher than the yield stress of the substrate material occurs in the surface region. This, in turn, results in plastic zone in this region. The size of the plastic region extends towards the solid bulk as the heating progresses.     

Characterization and modeling of strain assisted diffusion in an epoxy adhesive layer

In this paper a coupled model for strain-assisted diffusion is derived from the basic principles of continuum mechanics and thermodynamics, and material properties characterized using diffusion experiments. The proposed methodology constitutes a significant step toward modeling the synergistic bond degradation mechanism at the bonded interface between a Fiber Reinforced Polymer (FRP) and a substrate, and for predicting debond initiation and propagation along the interface in the presence of a diffusing penetrant at the crack tip and at elevated temperatures. It is now well-known that Fick’s law is frequently inadequate for describing moisture diffusion in polymers and polymer composites. Non-Fickian or anomalous diffusion is likely to occur when a polymer is subjected to external stresses and strains, as well as elevated temperatures and humidity. In this paper, a modeling methodology based on the basic principles of continuum mechanics and thermodynamics is developed which allows characterization of the combined effects of temperature, humidity, and strain on diffusion coefficients as well as on moisture saturation level, from moisture weight gain data. For tractability, the diffusion governing equations are simplified for the special case of 1-D diffusion subjected to uniaxial strain and a uniform strain gradient. A novel test specimen that introduces a uniform strain gradient is developed, and diffusion test data for an epoxy-based primer/adhesive are presented and employed for complete characterization of material constants used in the model.