扇出重佈線互連高分子薄膜之非彈性與疲勞特性研究

系統級多元異質模組整合技術為現今微電子產業研發主要方向之一，其中又以扇出型晶圓級與扇出型面板級電子封裝技術最受重視。扇出型封裝不使用傳統覆晶封裝中之玻纖基板，而以薄膜互連系統取代以提升電性與散熱能力。由於扇出型封裝使用多層且細間距之重佈線互連結構，在受熱機械循環應力作用下，互連層中包括銅導線斷裂、高分子介電薄膜破裂、及高分子薄膜與銅間脫層等皆為扇出型封裝之主要疲勞失效模式。其中銅導線之疲勞斷裂在文獻中有較多的討論，但高分子介電薄膜疲勞破裂及與銅界面脫層部分研究十分有限。為能精確預測扇出型封裝重佈線結構之疲勞可靠度，研究高分子介電薄膜破裂及其與銅界面脫層行為並發展相關定量預測工具乃是一項重要課題。本計劃目標即為發展一套可應用於扇出型重佈線層疲勞可靠度預測之高分子薄膜及其與銅界面疲勞裂紋成長模型，分析薄膜中及材料界面上裂紋受疲勞作用之成長行為。由於聚醯亞胺是目前重佈線層主要使用之介電材料，因此計畫中將以其作為研究載具。聚醯亞胺具有明顯之黏彈性行為，因此除了彈塑特性外，計畫亦將量測並建立其含黏彈特性之本構模型，作為疲勞作用下薄膜非彈性變形損耗能量及相關裂紋成長影響等評估的根據。再分別透過以應變控制與應力控制之聚醯亞胺薄膜疲勞試驗，配合時依性本構模型發展聚醯亞胺薄膜疲勞破裂預測模型。此外，針對聚醯亞胺與銅薄膜界面之疲勞脫層，本計畫將應用先前開發之新型混合模式彎曲試驗裝置，量測混合模式作用下界面裂紋之次臨界成長速率，建構與混合模式相位角及應變能釋放率相關之疲勞脫層成長速率模型，並評估聚醯亞胺與銅材料中非彈性變形對界面脫黏之影響。最後再應用此界面裂紋成長模型配合有限元素數值分析預測在熱應力循環作用下扇出型封裝重佈線結構設計對聚醯亞胺薄膜及界面之疲勞裂紋成長之影響。本計劃執行時程預估共二年：第一年計劃內容為建構聚醯亞胺薄膜之時依性本構模型與相關之破壞力學模型、並量測聚醯亞胺與銅薄膜界面在不同混合模式作用下之臨界應變能釋放率。第二期計畫則包含聚醯亞胺薄膜之疲勞破裂預測模型建立及聚醯亞胺與銅界面之混合模式疲勞脫黏成長行為量測及模型建立。本計劃預期成果為一套定量評估高分子介電薄膜及其與銅界面之疲勞裂紋成長工具。相較於複雜的實驗設計評估，此工具更能夠在研發初期提供封裝材料及設計參數對扇出型封裝結構疲勞可靠度之影響提供快速評估，可有效協助電子封裝及相關產業減少研發之成本及週期。