Simulation-based investigation of interface delamination in plastic IC packages under temperature and moisture loading [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mohammad Hossein Shirangi

Hossein Nowamooz

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 19
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 13 Mo

Extrait

Simulation-based Investigation of Interface Delamination
in Plastic IC Packages under Temperature and Moisture
Loading



Vorgelegt von
Mohammad Hossein Shirangi



Von der Fakultät V
Verkehrs- und Maschinensysteme
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
- Doktor-Ingenieur (Dr. -Ing.) -

genehmigte Dissertation



Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. -Ing. habil. Utz von Wagner
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang H. Müller
Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Bernd Michel


Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 16.07.2010

Berlin 2010

D 83

Acknowledgement
I would like to take an opportunity to thank all people who helped and supported me during my
PhD studies from 2006 to 2009 in Reutlingen and Berlin. I must admit that it was my greatest
chance that I was able to do my work at two renowned and prestigious organizations in Germany.
Being employed by the Robert Bosch GmbH in Reutlingen and being allowed to spend half of
the research at Fraunhofer Institute IZM in Berlin, it gave me the greatest opportunities in my
career to improve my personal and technical capabilities. I learned the discipline, teamwork, and
self-confidence by being an employee of the Bosch Group. At the same time I enjoyed being a
member of Micro Materials Center Berlin (MMCB) at Fraunhofer IZM, and learned how the
most famous researchers in electronic packaging industry develop novel techniques.
First of all, I would like to thank my supervisor, Prof. Dr. Bernd Michel, head of Micro Materials
Center of Fraunhofer IZM, for giving me the opportunity to do the major part of my research in
his department. I sincerely thank him for providing motivating, encouraging, and enthusiastic
environment during my pursuit of doctoral research. It was his steady support and inspiring
guidance that brought this dissertation to its fruition. It was a great pleasure for me to conduct my
work under his mentoring.
I would like to express my sincere thanks to my doctoral advisor, Prof. Dr. Wolfgang H. Müller,
from Technical University of Berlin, who is a tremendous mentor. I thank him especially for
revising this thesis and adding value to its content. I am grateful to have had the opportunity to
work under his guidance and direction. I will always reflect on the numerous discussions we had
in his office.
I must confess that if there is anything I miss more, it is the work in the group AE/EIM4 especial-
ly during the collaboration time with my previous advisor Dr. Metin Koyuncu. Apart from sev-
eral technical issues I learned from Metin, working with him was simply enjoyable. I remember
those beautiful days that we were arranging the plan of dissertation. During those discussions, I
learned more from him than he will probably ever fully realize.
I would like to express my sincere thanks to my group leader Dipl.-Phys. Andreas Fischer. Dur-
ing the three-year work in his group, I received all kinds of supports from him. I really enjoyed working in his group and I am thankful for all the time he spent for me especially at the end of
my work in Reutlingen for my employment. I would like also to thank Dr. Cornelia Otto for cou-
rageously undertaking the responsibility of advising a PhD student who is half through his work.
Additionally I would like to thank all the colleagues of the AE/EIM4 group who helped me sev-
eral times with giving me valuable advices. I will do my best not to forget my Swabian dialect
that I owe EIM4. I also want to express my sincere thanks to Dr. Peter van Staa, head of the de-
partment “Development ASIC- & Power Packages” of Robert Bosch GmbH, division Automo-
tive Electronics in Reutlingen. It was for me a pleasure to be a member of his successful team
and I thank him for all the suggestions, comments, and supports.
I would like to thank Dr. Hans Walter from Fraunhofer IZM, for the great support and letting me
do whatever I want in his lab. I want to acknowledge the great efforts of my dear friend Dr. Marc
Dreßler, from Robert Bosch GmbH in Waiblingen. A great part of my work couldn‟t have been
done without his voluntarily supports. I really thank Marc for his patience.
I would like to thank also a very good friend of mine, Prof. Xuejun Fan from Lamar University,
USA. It was my best luck to collaborate with him, who is the absolute expert in the area “mois-
ture in electronic packaging”. I got several positive feedbacks from Prof. Fan that motivated me
during my research. The precious advices that he gave me on several topics together with his
nice personality remain always in my mind. I am very glad that part of my doctorate thesis was
published in his new book on moisture in electronic assemblies.
I also would like to thank all the colleagues and friends of Micro Materials Center for those nice
days we had with each other. Especially I would like to thank Dr. Jürgen Auersperg, Prof. Bern-
hard Wunderle and Dr. Olaf Wittler for giving me advices, whenever I needed.
When I write this acknowledgment, the list of those I want to acknowledge keeps increasing. For
all those who helped me, although their name may not be listed explicitly, my heart goes to you
in gratitude.
Finally, on the personal side, my parents deserve special thanks, for providing continuous sup-
port, admirable endurance and endless faith. I would like to thank them for their unconditional
love.

M. Hossein Shirangi
Berlin, 2010

ii
Zusammenfassung
Grenzschicht-Delamination zwischen verschiedenen Materialien ist eine der größten
Herausforderungen für die strukturmechanische Zuverlässigkeit von Mehrschichtsystemen. Viele
Produkte, wie beispielsweise mikroelektronische Baugruppen, enthalten polymer-basierte
Materialien. Da Polymere Feuchtigkeit aufnehmen, stellen die mit Feuchtigkeit verbundenen
Phänomene erhebliche Probleme für die Zuverlässigkeit dieser Produkte dar und können als eine
Hauptursache für viele vorzeitige Ausfälle betrachtet werden.
In der Halbleiterindustrie haben sich als Verkapselungsmaterialien Epoxid-Moldmassen,
sogenannte Epoxy Molding Compounds (EMCs) etabliert. Die Grenzfläche zwischen EMC und
Kupfer-basierten Leadframes in Plastic verkapselten IC-Packages ist als schwächste Grenzfläche
identifiziert. Die meisten Risse in Plastic Encapsulated Microcircuits (PEMs) beginnen und
vergrößern sich an dieser Grenzfläche. Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung
der Mechanismen, die für die Grenzschicht-Delamination verantwortlich sind.
Die experimentellen und numerischen Untersuchungen dieser Forschung lassen sich in vier
Kategorien unterteilen:
 Die prozessinduzierten Spannungen werden untersucht, darunter Spannungen infolge
Schrumpfung der Epoxid-Moldmasse und Spannungen aus dem Unterschied zwischen den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Grenzschicht-Materialien. Eine numerische
Lösungsmethode wird vorgeschlagen und durch den Vergleich der Verwölbung eines
einfachen Bi-Material Streifens mit den Ergebnissen aus der Finite Elemente (FE) Analyse
verifiziert.
 Es werden Experimente zur Untersuchung der Feuchtediffusion (Absorption, Desorption und
Re-Sorption) mit EMC Proben durchgeführt. Mehrere Probengeometrien und
Alterungsbedingungen werden verwendet, um das ungewöhnliche Verhalten dieser
Materialien in Bezug auf Feuchtigkeit zu verstehen. Zwei der wichtigsten Erkenntnisse sind
die Ermittlung der zweistufigen (dual stage) Feuchtigkeitsaufnahme während der Absorption
und Restfeuchte nach dem Desorptions-Test. Zudem wird die Feuchtediffusion in den EMCs
iii
durch FE-Analyse nachgestellt. Da die Standard FE-Tools nur das Problem der
konventionellen FICK‟schen Diffusion direkt lösen können, werden neuartige
Simulationsverfahren vorgeschlagen und überprüft, um die Nicht-FICK‟sche zweistufige
Feuchtigkeitsdiffusion zu berücksichtigen.
 Die hygroskopische Quellung der Polymere aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme verändert
den Ausdehnungsunterschied zwischen den Materialien und kann so die Zuverlässigkeit von
PEMs verringern. Der Koeffizient der hygroskopischen Schwellung kann experimentell durch
Vorwölbungsmessung der Bimaterial-Streifen ermittelt und in den FE-Code umgesetzt
werden.
 Zur Bestimmung der Haftfestigkeit in Bezug auf Grenzflächenbruchzähigkeit sind
bruchmechanische Experimente durchgeführt worden. Dabei waren die Einflüsse von
Temperatur, Alterung in trockenen und feuchten Bedingungen und Mode-Winkel zu
untersuchen. Die Lagerung eines Cu/EMC Bi-Material Streifens in Feuchtigkeit führt zu einer
Verschlechterung der Adhäsion zwischen EMC und Leadframe. Diese
Adhäsionsverschlechterung kann auf den Bindungsabbau zwischen Polymermolekülen und
Leadframe zurückgeführt werden und ist das Ergebnis der Diffusion von Wasser in die
Grenzfläche. Bei Proben, die sich kurzfristig in einer feuchten Umgebung befanden, ist der
Abbau teilweise durch die Anwendung einer geeigneten Hitzebehandlung revers