Underfill reliability and life estimation in microelectronic assemblies

Abstract

Abstract : In order to protect the interconnections in flip-chip packages, an underfill material layer is used to fill the volumes and provide mechanical support between the silicon chip and the substrate. Due to the chip corner geometry and the mismatch of coefficient of thermal expansion (CTE), the underfill suffers from a stress concentration at the chip corners when the temperature is lower than the curing temperature. This stress concentration leads to subsequent mechanical failures in flip-chip packages, such as chip-underfill interfacial delamination and underfill cracking. Local stresses and strains are the most important parameters for understanding the mechanism of underfill failures. As a result, the industry currently relies on the finite element method (FEM) to calculate the stress components, but the FEM may not be accurate enough compared to the actual stresses in underfill. FEM simulations require a careful consideration of important geometrical details and material properties. This thesis proposes a modeling approach that can accurately estimate the underfill delamination areas and crack trajectories, with the following three objectives. The first objective was to develop an experimental technique capable of measuring underfill deformations around the chip corner region. This technique combined confocal microscopy and the digital image correlation (DIC) method to enable tri-dimensional strain measurements at different temperatures, and was named the confocal-DIC technique. This techique was first validated by a theoretical analysis on thermal strains. In a test component similar to a flip-chip package, the strain distribution obtained by the FEM model was in good agreement with the results measured by the confocal-DIC technique, with relative errors less than 20% at chip corners. Then, the second objective was to measure the strain near a crack in underfills. Artificial cracks with lengths of 160 μm and 640 μm were fabricated from the chip corner along the 45° diagonal direction. The confocal-DIC-measured maximum hoop strains and first principal strains were located at the crack front area for both the 160 μm and 640 μm cracks. A crack model was developed using the extended finite element method (XFEM), and the strain distribution in the simulation had the same trend as the experimental results. The distribution of hoop strains were in good agreement with the measured values, when the model element size was smaller than 22 μm to capture the strong strain gradient near the crack tip. The third objective was to propose a modeling approach for underfill delamination and cracking with the effects of manufacturing variables. A deep thermal cycling test was performed on 13 test cells to obtain the reference chip-underfill delamination areas and crack profiles. An artificial neural network (ANN) was trained to relate the effects of manufacturing variables and the number of cycles to first delamination of each cell. The predicted numbers of cycles for all 6 cells in the test dataset were located in the intervals of experimental observations. The growth of delamination was carried out on FEM by evaluating the strain energy amplitude at the interface elements between the chip and underfill. For 5 out of 6 cells in validation, the delamination growth model was consistent with the experimental observations. The cracks in bulk underfill were modelled by XFEM without predefined paths. The directions of edge cracks were in good agreement with the experimental observations, with an error of less than 2.5°. This approach met the goal of the thesis of estimating the underfill initial delamination, areas of delamination and crack paths in actual industrial flip-chip assemblies.

Afin de protéger les interconnexions dans les assemblages, une couche de matériau d’underfill est utilisée pour remplir le volume et fournir un support mécanique entre la puce de silicium et le substrat. En raison de la géométrie du coin de puce et de l’écart du coefficient de dilatation thermique (CTE), l’underfill souffre d’une concentration de contraintes dans les coins lorsque la température est inférieure à la température de cuisson. Cette concentration de contraintes conduit à des défaillances mécaniques dans les encapsulations de flip-chip, telles que la délamination interfaciale puce-underfill et la fissuration d’underfill. Les contraintes et déformations locales sont les paramètres les plus importants pour comprendre le mécanisme des ruptures de l’underfill. En conséquent, l’industrie utilise actuellement la méthode des éléments finis (EF) pour calculer les composantes de la contrainte, qui ne sont pas assez précises par rapport aux contraintes actuelles dans l’underfill. Ces simulations nécessitent un examen minutieux de détails géométriques importants et des propriétés des matériaux. Cette thèse vise à proposer une approche de modélisation permettant d’estimer avec précision les zones de délamination et les trajectoires des fissures dans l’underfill, avec les trois objectifs suivants. Le premier objectif est de mettre au point une technique expérimentale capable de mesurer la déformation de l’underfill dans la région du coin de puce. Cette technique, combine la microscopie confocale et la méthode de corrélation des images numériques (DIC) pour permettre des mesures tridimensionnelles des déformations à différentes températures, et a été nommée le technique confocale-DIC. Cette technique a d’abord été validée par une analyse théorique en déformation thermique. Dans un échantillon similaire à un flip-chip, la distribution de la déformation obtenues par le modèle EF était en bon accord avec les résultats de la technique confocal-DIC, avec des erreurs relatives inférieures à 20% au coin de puce. Ensuite, le second objectif est de mesurer la déformation autour d’une fissure dans l’underfill. Des fissures artificielles d’une longueuer de 160 μm et 640 μm ont été fabriquées dans l’underfill vers la direction diagonale de 45°. Les déformations circonférentielles maximales et principale maximale étaient situées aux pointes des fissures correspondantes. Un modèle de fissure a été développé en utilisant la méthode des éléments finis étendue (XFEM), et la distribution des contraintes dans la simuation a montré la même tendance que les résultats expérimentaux. La distribution des déformations circonférentielles maximales était en bon accord avec les valeurs mesurées lorsque la taille des éléments était plus petite que 22 μm, assez petit pour capturer le grand gradient de déformation près de la pointe de fissure. Le troisième objectif était d’apporter une approche de modélisation de la délamination et de la fissuration de l’underfill avec les effets des variables de fabrication. Un test de cyclage thermique a d’abord été effectué sur 13 cellules pour obtenir les zones délaminées entre la puce et l’underfill, et les profils de fissures dans l’underfill, comme référence. Un réseau neuronal artificiel (ANN) a été formé pour établir une liaison entre les effets des variables de fabrication et le nombre de cycles à la délamination pour chaque cellule. Les nombres de cycles prédits pour les 6 cellules de l’ensemble de test étaient situés dans les intervalles d’observations expérimentaux. La croissance de la délamination a été réalisée par l’EF en évaluant l’énergie de la déformation au niveau des éléments interfaciaux entre la puce et l’underfill. Pour 5 des 6 cellules de la validation, le modèle de croissance du délaminage était conforme aux observations expérimentales. Les fissures dans l’underfill ont été modélisées par XFEM sans chemins prédéfinis. Les directions des fissures de bord étaient en bon accord avec les observations expérimentales, avec une erreur inférieure à 2,5°. Cette approche a répondu à la problématique qui consiste à estimer l’initiation des délamination, les zones de délamination et les trajectoires de fissures dans l’underfill pour des flip-chips industriels.