高可靠性电子封装中防潮薄膜技术的研究

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1、中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文高可靠性电子封装中防潮薄膜技术的研究姓名：黄卫东申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：罗乐20030701摘要在高可靠性电子封装中，为了抵御高温高湿的极端气候，防潮薄膜技术有着极其重要的作用。本文着重从实验和模拟两方面研究了有机／无机双层膜防潮技术相关的材料筛选、工艺优化、防潮性能等，首次提出了硅酮加氮化硅双层膜结构的技术方案，并将该技术应用于先进的倒装焊(FCOB)封装的水汽敏感性研究。此外，首次深入研究了近室温沉积的PECVD氮化硅薄膜的性质和防潮性能，并有效

2、地应用于有机发光器件(OLED)的封装。通过对有机和无机防潮镀层材料的研究和筛选，确定了硅酮加氮化硅双层膜结构的技术方案；通过对硅酮涂敷工艺的优化，得到了表面光滑平整无气泡的硅酮涂层；通过对氮化硅沉积参数的优化，得到了防潮性能优良、台阶覆盖一致、大面积沉积均匀和在水汽及热冲击下稳定性良好的氮化硅薄膜；通过对在硅酮表面沉积氮化硅工艺的优化，得到了外观平整性能优良的硅酮／氮化硅双层防潮膜结构。通过对在FR4基板上用引线键合和顶充胶封装的湿度传感器的进一步测试，研究了在不同温度湿度条件下研究无防护、氮化硅薄膜防护、硅酮涂层防护

3、、硅酮涂层加氮化硅薄膜防护四种情况下的水汽扩散过程；采用体扩散模型和ANSYS有限元软件对实验测出的水汽扩散曲线进行了拟合，从而计算出水汽的扩散系数、扩散激活能和水汽浓度在封装体内的分布及随时间的变化。氮化硅薄膜和硅酮涂层防护的效果相近，虽有所改善但不理想；这是由硅酮的聚合物结构和氮化硅薄膜的台阶覆盖性能所决定的。硅酮加氮化硅薄膜双层防护的样品表现出了优异的防水性能，这是由于～方面硅酮本身可以阻挡水汽，另一方面硅酮又使得顶充胶的台阶平滑化，可沉积出厚度均匀而致密的氮化硅防水膜。将有机／无机双层膜防潮技术的研究结果应用于倒

4、装焊样品的水汽防护，比较了无防护、氮化硅薄膜防护、硅酮涂层防护和硅酮涂层加氮化硅双层膜防护四种情况下水汽对倒装焊可靠性的影响。实验结果表明：虽然水汽的侵入会逐渐降低芯片与环氧基材料界面的粘合强度，但水汽的单独作用对倒装焊可靠性影响不大。当底充胶材料吸收少量水汽时，不会导致胶／芯片界面的分层。温度高达240。C时，温度的单独作用对倒装焊可靠性影响也不大，硅酮涂层加氮化硅双层膜防护的倒装焊芯片可以通过JEDEC水汽敏感一级标准。水汽和温度(特别是高温)的联合作用将严重影响倒装焊可靠性。无防护样品、氮化硅薄膜防护样品、硅酮涂层

5、防护样品在JEDEc水汽敏感一级标准评测中失效。如果样品中水汽含量特别高，即使经历的温度不是很高，也有可能出现分层等问题。无防护的倒装焊样品经过85。C／85％RH环境下1000小时后，水汽含量已经非常高，随后的热冲击最高温度只有125℃，仍然出现了少量的分层。PECVD氮化硅薄膜的往质，如密度、折射率、成分和化学键台，均随着沉积温度和射频功率而变化。当沉积温度从20℃增加到180℃时，PEcvD氮化硅薄膜的密度、折射率和Si／N比相应增加，而沉积速率和H含量相应减少。当射频功率从10W增加到30W时，PECVD氮化硅薄

6、膜的沉积速率、密度、折射率和Si／N比相应增加，而H含量相应减少。水汽渗透实验发现，即使沉积湿度降低为50℃，所沉积的氮化硅薄膜仍然具有良好的防水性能。研究结果可以有效地应用于OLEO的封装。实验表明，氮化硅薄膜封装后的OLED的寿命比未封装的提高了超过两个数量级。关键词：防潮技术，敷形涂层，等离子体化学气相沉积，倒装焊，有机发光器件茎壅塑蔓————AbstractHuangWeidong(Major：MaterialPhysicsandChemistry)DirectedbyProfLuoLeMoisture．resi

7、stantcoatingtechnologyisofgreatimportance南rhighreliabifityelectronicmodulesappliedinextremelyhigh—temperatureandhJ【gh-humidityenvironment．hathisthesis，allorganic／inorganicdual-layermoisture—resistantcoatingtechnologyincludingthematerialselection，processoptimizati

8、onandmoisture．resistantabilitywasstudiedbybethexperimentandsimulation．Thenthedual—layercoatingtechnologywasappliedintheresearchonthemoisturesensitivitylevelofa