薄膜—基底的几个力学问题

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1、维普资讯http://www.cqvip.com7)Jf(／e／。薄膜一基底的几个力学问题余寿文[)、(精华大学．北京．100084)余寿文，1939年生于福建，l955年至1958年就读于上海同济大学蛄构系．1966年毕业于清华大学工程力学研究班固体力学专业．1985年至l987年获联邦德回洪堡美学金，在选姆斯塔特工业大学力学研究所任客座研究员从事研究工作．196o年起，厨任清华大学工程力学系助教、副教授、教授以厦破坏理论研究塞主任、工程力学系系主任．现任清华大学副校长、博士生导师．兼任中回力学学会副理事长，《

2、固体力学学报》副主编，中用高等教育研究会耐理事长、回家自然料学基金力学评议组成员、《力学学报》、《应用力学学报》等刊物嫡委等职．多年来，从事断裂力学、掘伤力学、知观力学、板壳理论、压力容器安全评定、擞电子抒料破环力学、抒料强嘲忆力学机理的研究与教学．f与合作者一起发表学术译著4本，学术论文100书篇-获回掌白然科学三等类(1987)，回掌教委科学技术进步一等奘(1988)、二等美(1986)．攫耍本文介绍了近年微电子薄膜一基底组件的几十力学问题：连接件边界及端部的应力集中和应力奇异性}不同薄膜一基底和界面的组合与

3、相应的破坏模式和力学分析；薄膜与界面的力学参量的测试方法，文末提出了薄膜一基底组件的几个需要进一步研究的力学问题．关量词薄膜一基底．薄膜力学，界面力学，破坏模式，应力奇异性●_。_-一‘。。’⋯近代电子工业迅猛发展，集成度上升，集成系统功能更新迅速，微电子封装工艺及其可靠性的提高，都给力学提出了一系列重大的课题：例如薄膜、基底等复合微电子材料的力学行为与细观力学；相关的应力分析、失效分析与破坏防止对策；热疲劳过程与器件寿命估计；微电子结构设计中力学优化；电子器件与薄膜一基底的强度与韧性的测量与标定等．复合微电子组

4、件(薄膜，基底，封装)生产过程中，由于热学与力学参量的失配，薄膜在各种成型工艺过程中的加热冷却，引起了残余热应力，或热差落应变；集成电路(IC)与集成系统(IS)在使用过程中的发热引起的热应力和交变热循环引起了热疲劳，以及使用过程中引起的性能退化和老化，都是导致IC和IS失效的重要原因．从8O年代起，微电子元器件开始从基体上的单层薄膜几何转变为基体上的多层叠合膜几何．国外的叠合层数已达数百层，国内也达数十层之多．从而实现了从面积型元件至体积型元件，从单层“平房”式的微电子元件结构至多层微电子“摩天大厦”这一巨大变

5、革．上述设计思想的更新导致了微电子封装结构中应力一应变水平的急剧增高，导致了硅基体、聚氨酰脂、良导电金属和陶瓷相之间易于发生缺陷的材料界面的大量引入，导致了在褂膜工艺过程中所必然遇到的反复加热／冷凝的热疲劳过程．这些因素造成了失效的技术动因，把失效力学推上了微电子技术这一舞台．再者，力学的介入不仅可为微电子元件失效提供防范，力学概念的引入还可以正向地推动微电子技术的发展．力学工作者投入微电子技术维普资讯http://www.cqvip.com领域研究已成为9O年代初，引人注目的学科动向之一．在《应用力学评论》Me

6、chanicsUSA1990专刊上也特辟一个栏目来讨论薄膜力学问题．1989年美机械工程师学会新增了专门学术刊物JournalofElectronicPackaging，集中报导电子封装中的微观力学，失效分析，传热等高密度封装中的基础理论问题．在不同的薄膜与基底的材料与构形的条件下，人们观察到不同的破坏形式：(1)薄膜的断裂与龟裂(cracking，fragmentation)；(2)薄膜与基底的脱粘(decohesion)与分层(delamination)；(3)电子封装过程中引起的分离(debonding)和

7、剥落(sp,~lling)i(4)热疲劳或应力腐蚀损伤j(5)多层微电子结构的分层与届曲(buckling)；-⋯-·等等．上述各种破坏方式常常单独或复合发生，导致可靠性的降低．为了解上述的破坏过程，优化Ic与IS的设计，提高产品的可靠度，科学工作者应用连续介质力学、断裂力学、细观力学与实验力学的新成果，对上述问题进行了研究，已开始勾划出薄膜与封装组件力学的雏形．现在对此作一简介与评述．1．薄膜与连接件的边界的应力集中与奇异性分析考察如图1所示的两种不同介质(以下标l厂表示薄膜；S表示基底)，座标如图所示图1h表

8、示厚度，E，，n分别表示弹性模量、泊桑比和热膨胀系数．在外载荷或温度应力的作用下，在薄膜端部0点附近，出现严重的应力集中．这实际是一个特殊的层间的应力问题(端部问题)．分析集中于寻求O点附近的层间剥离力au(x，0)与剪切力(z，0)的值及其分布的规律．f，2P．．．．．．f一图2这一问题的研究可以追溯到Goland与Reissner在文献f4i中对胶合搭接接头的研究．他