辐照对电子封装中有机基材机械性能的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Irradiation effects on mechanical behaviors of organic substrates in electronic packages

　　摘要：在太空辐射环境中，用于电子封装的有机材料可能会经历热机械性能的辐照诱导变化，这可能会影响封装的可靠性。然而，有机封装基材中不同功能成分的辐照响应及其对封装级别的热机械影响尚不完全清楚。为了研究主要由有机材料组成的电子封装的稳定性，本研究通过实验探讨了Co-60 γ射线辐照对三种代表性有机基材材料（Ajinomoto堆积膜（ABF）、双马来酰亚胺-三嗪（BT）芯材和孔填充树脂（HPR）的热机械性能的影响。观察到的热机械性能变化与形态观察、化学结构分析和孔特性测量结果相结合进行了解释。确定的材料参数 further 被纳入了封装级别的有限元模型中。模拟结果表明，BT性能的变化对封装翘曲的影响最为显著，而含有铜迹线等效层的地方被确定为主要的应力集中区域，这表明辐照有机封装的热机械响应不仅取决于材料性能变化的幅度，还取决于材料的位置及其对等效层刚度的贡献。本研究的主要贡献在于区分了ABF、BT芯材和HPR的特定材料辐照响应，并将实验测量的性能变化与封装级别的翘曲和应力重新分布联系起来。

引言：在太空辐射环境中使用的电子封装不仅需要保持稳定的电气功能，还需要在长时间暴露于电离辐射和温度变化的情况下保持结构完整性。在这些关键任务应用中，有机基材不断受到复杂的辐射场的影响，包括太阳高能粒子（SEPs）、银河宇宙射线（GCRs）和行星辐射带中的捕获粒子。这些辐射源主要由高能质子、重离子、相对论电子和次级光子/γ射线组成[1,2]。先前的研究表明，极端的服务环境和电离辐射可以改变封装组件的微观结构和机械响应，从而引发可靠性问题[3], [4], [5]。尽管微电子学中的辐射效应研究通常集中在半导体器件和焊点上，但基于聚合物的有机基材也会暴露在辐射环境中。这些材料中的辐照诱导的化学和微观结构变化可能会改变弹性模量、强度、断裂应变和热膨胀行为，从而影响刚度的匹配、热膨胀不匹配、封装翘曲和局部应力重新分布。因此，在封装级别的可靠性评估中应考虑有机封装基材的辐照响应。

太空辐射环境是一个混合粒子环境，不同类型的辐射可能导致不同的损伤机制[1,6]。带电粒子如质子和重离子会产生深度依赖的能量沉积和位移相关的损伤，而γ射线辐照主要提供一个电离辐射场[6]。在本研究中，选择Co-60 γ射线辐照作为控制的总电离剂量条件，而不是完全再现完整的太空辐射环境。与带电粒子辐照相比，Co-60 γ射线具有较高的穿透能力[7]，并且可以在本研究中使用的薄有机基材样品中产生相对均匀的能量沉积。这使得可以在相同的暴露条件下比较ABF、BT芯材和HPR的固有电离辐射敏感性。

有机封装基材不是单一的树脂成分，而是一个由不同功能材料组成的异质多层结构。其典型结构包括含有铜迹线的电介质堆积层、提供主要结构支持的芯层以及围绕通孔的局部树脂填充区域。在本研究中研究的有机基材中，Ajinomoto堆积膜（ABF）作为堆积层中的电介质材料，并与铜迹线一起形成多层互连结构。ABF型堆积膜通常是高填充度的环氧基复合电介质膜，其中不同粒度的SiO2填料分散在树脂基质中，而固化系统用于调整加工性、热机械性能和界面粘附行为[8,9]。关于环氧基堆积膜的最新研究表明，固化行为会影响堆积电介质层的网络形成和热机械稳定性[10]。Ding等人[11]进一步表明，固化行为与堆积膜的机械响应和界面行为密切相关。双马来酰亚胺-三嗪（BT）树脂作为芯板的树脂基质，提供主要的结构支持。在实际应用中，BT芯板通常是基于热固性BT树脂的玻璃纤维增强层压板，其机械性能受到树脂基质、玻璃纤维增强和界面状态的共同影响[12]。孔填充树脂（HPR）用于填充芯层中的通孔区域。商业HPR材料通常以树脂基填充浆料的形式提供，其树脂和填料系统应满足通孔填充、固化过程稳定性和尺寸稳定性的要求；具体配方取决于产品等级[13]。因此，ABF、BT芯材和HPR分别代表了有机封装基材的三种典型功能成分：堆积电介质层、结构芯层和局部通孔填充树脂。它们不同的树脂网络、填料系统、空间位置和结构功能可能导致不同的辐照响应以及对封装级别热机械行为的不同贡献。

在微观和宏观层面上，辐照引起的性能演变不能简单的描述为单一的单调退化过程，因为可能会同时发生几种竞争机制。Ferrante等人[14]将一种双组分环氧粘合剂暴露于Co-60 γ射线辐照下，发现聚合物链断裂和新交联的形成可以同时发生，共同影响宏观材料响应。Yu等人[15]通过分析低分子量辐射裂解产物将环氧树脂的微观降解机制与宏观机械性能变化相关联。Zhang等人[16]进一步将γ射线辐照下环氧树脂中的气体演变与化学键断裂联系起来，表明辐射裂解产物和气体释放可能促进孔隙和缺陷的形成。对于BT芯材，Sasuga等人[17]研究了电子束辐照对其高度交联网络结构的影响，并报告了辐照引起的网络分解和松弛行为的变化。Chen等人[18]研究了双酚A/三乙烯四胺环氧树脂的二缩水甘油醚在γ射线辐照下的行为，发现辐照过程中生成了氨基和含氧化羰基的产物，同时结构异质性增加，断裂应变减小，而新生成的氢键可以作为物理交联点，增加模量。Kishi等人[19]进一步证明了环氧网络聚合物的辐照响应取决于固化剂和初始网络结构。Parragh等人[20]表明，辐照温度和气氛通过改变交联和链断裂的相对贡献来影响环氧树脂的老化行为。Scheuerlein等人[21]进一步证明，辐射源、辐照气氛和辐照温度都可以影响环氧树脂系统的热机械和机械性能的保持。这些具体案例表明，应通过综合考虑化学结构演变、孔特性、机械性能变化等因素来评估有机基材的辐照响应。

材料性能的演变很重要，因为封装翘曲和局部应力分布受刚度匹配、热膨胀不匹配以及不同组成层之间的局部结构约束的共同影响。先前的研究表明，通过调整其组成材料的类型和热机械性能，可以显著改变有机基材的结构响应。Wong等人[22]表明，减少堆积膜和铜箔之间的CTE（热膨胀系数）不匹配，并适当控制芯板的CTE，对于抑制FCBGA基材的翘曲非常重要。Suzuki等人[23]开发了一种低CTE的新芯材，确保了制造基材的较少翘曲。Miyatake等人[24]发现树脂系统和填料表面处理技术会影响芯材的热膨胀行为和薄封装的翘曲。除了芯材外，堆积电介质材料也会影响结构响应。Kim等人[25]发现，选择低CTE和高刚度的堆积材料有助于减少翘曲并提高组装可靠性。对于复杂的基材结构，Hutapea等人[26]使用三维单元格模型获得了包含迹线、镀通孔和微通孔区域的有效热机械性能，并随后使用这些性质进行基材翘曲预测。最近，Zhao等人[27]提出了一种基于AI的方法来预测具有不同材料和结构配置的有机基材的翘曲。Ding等人[28]回顾了大规模芯片集成基材的翘曲机制和缓解策略，总结了影响翘曲的关键因素。这些研究表明，弹性模量、泊松比和CTE的变化不仅会改变封装的整体弯曲刚度和翘曲幅度，还会影响不同结构层之间的应力重新分布。因此，应通过考虑性能变化的幅度、受影响材料的位置及其对等效层刚度和局部约束条件的贡献来评估辐照引起的材料性能变化的结构后果。

基于以上考虑，本工作重点关注有机封装基材中材料辐照响应与封装级别热机械行为之间尚不完全明确的联系。在本工作中，选择了ABF、BT芯材和HPR作为代表性的有机基材材料，并使用Co-60 γ射线进行辐照。使用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、汞侵入孔隙测量法和拉伸测试来比较辐照前后它们的形态、化学结构、孔特性和机械性能。测量的材料参数随后被纳入封装级别的有限元模型中。构建了一个未辐照的参考案例、单材料辐照性能案例和组合辐照性能案例，以评估不同材料性能变化对封装翘曲、等效应力分布和热机械响应的影响。本研究旨在阐明ABF、BT芯材和HPR的独特辐照响应，并确定它们对封装级别热机械行为的各自贡献，从而为选择材料、结构设计和在辐照环境中使用的有机基材的可靠性评估提供指导。

材料与辐照条件：选择了Ajinomoto堆积膜（ABF）、双马来酰亚胺-三嗪（BT）芯材和孔填充树脂（HPR）作为有机封装基材的代表性组成材料。ABF、BT和HPR的材料等级分别为GL-102、E?805G和PHP900 IR-10FH。所有三种材料都处于完全固化的状态，在辐照和测试之前没有进行额外的固化处理。根据相应的材料加工规范，

ABF的辐照响应：图3(a)和(b)显示了辐照前后ABF的表面形态。辐照后，ABF表面变得更加粗糙和多孔。观察到更多的不规则孔隙和局部缺陷区域。这表明辐照促进了材料中的局部缺陷演变。如图3(c)所示，辐照后ABF的可达孔隙率从4.05%增加到8.05%，几乎翻了一番。大孔范围内的孔体积贡献也增加了。

结论：本研究考察了Co-60 γ射线辐照对ABF、BT芯材和HPR的影响，并评估了它们对封装级别热机械响应的影响。ABF表现出较高的可达孔隙率，而其测量的机械性能变化相对较小且统计上不显著。BT显示出弹性模量的显著增加和断裂应变的显著减小。

作者贡献声明：Sheng Yang：研究、撰写——原始草稿；Fei Qin：资金获取、监督；Hongli Liu：研究；Changhao Chen：数据管理、资源准备；Jingwen Zang：数据管理、可视化；Shimeng Xu：研究、方法论；Pei Chen：概念化、撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明：作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢：本工作得到了国防稳定支持研究计划（WD23xxxx0102）的支持。

作者：Sheng Yang | Fei Qin | Hongli Liu | Changhao Chen | Jingwen Zang | Shimeng Xu | Pei Chen

北京工业大学数学、统计与力学学院电子封装技术与可靠性研究所，北京，100124，中国