结合有限元分析和相场模型的先进封装技术中玻璃通孔的热机械断裂研究

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Coupled Finite Element Analysis and Phase Field Modeling of Thermomechanical Fracture in Through-Glass Vias for Advanced Packaging

TGV结构铜玻璃界面热机械断裂机理及加热速率调控研究，采用有限元-相场耦合模型揭示加热/冷却过程中径向/环向裂纹的主导作用，发现6.5℃/min以下加热率抑制径向裂纹但无法阻止冷却期环向裂纹，8.7℃/min以上则引发多阶段损伤累积。

　　

摘要：

玻璃通孔（TGV）结构已被证明是先进封装应用中具有前景的互连解决方案，然而铜和玻璃之间的热膨胀系数（CTE）不匹配会在热加载过程中导致严重的应力集中和断裂。本研究开发了一种耦合的有限元和相场建模框架，用于模拟经过退火处理的填充铜的TGV结构的热机械断裂行为。模拟结果成功捕捉到了各种裂纹扩展路径，并与实验结果高度吻合，揭示了不同的失效模式：加热过程中由环向应力引起的径向裂纹，以及冷却过程中由径向应力引起的环向裂纹。系统地研究了加热速率对裂纹形成机制的影响，揭示了应力积累与铜蠕变过程中的应力松弛之间的竞争作用的关键性影响。对于所研究的TGV配置，低于 ℃/min 的加热速率可以有效抑制加热过程中的径向裂纹，但无法防止冷却过程中的环向裂纹；而高于 ℃/min 的加热速率会导致双阶段损伤，且损伤程度显著增加。这些发现表明加热速率是影响TGV制造可靠性的关键控制参数，并为基于TGV的先进封装结构的设计优化提供了定量依据。