《Investigation on Thermal-Mechanical Reliability and Enhanced Fatigue Life of Indium Thermal Interface Materials for Large-Size Flip Chip Packaging》
题目：《Investigation on Thermal-Mechanical Reliability and Enhanced Fatigue Life of Indium Thermal Interface Materials for Large-Size Flip Chip Packaging》
作者：Yiou Qiu , Zhen Liu, Linzheng Fu, Mingming Yi , Ping Wu, Linjie Liao, Xiaodong Teng, Wenhui Zhu , Senior Member, IEEE, and Liancheng Wang
发表时间：2025
DOI：10.1109/TCPMT.2025.3568526
期刊：IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY
摘要：随着大尺寸芯片热管理需求的增长，铟因其固有的高导热性和良好的延展性，被认为是一种理想的热界面材料（TIM）。对于大尺寸倒装芯片封装，如何提高可靠性，尤其是在温度循环条件下，仍然是一个挑战。本研究以大尺寸倒装芯片封装为研究对象，采用有限元模拟与实验相结合的方法，系统分析了温度循环下铟的蠕变行为和形态演变。在此分析的基础上，使用基于应变的 Coffin–Manson模型预测了铟的疲劳寿命。为了提高铟层在温度循环下的可靠性，采用实验设计（DOEs）模拟方案分析了不同结构参数对疲劳寿命的影响。结果表明，靠近芯片边缘位置的累积塑性应变最大，这与实际测量中观察到的裂纹位置一致。Coffin-Manson模型预测的铟层疲劳寿命与测量结果基本一致。信噪比（SNR）分析表明，铟层厚度对热疲劳寿命的影响最大，而胶粘剂厚度对热疲劳寿命的影响最小。与原始模型相比，优化后的封装结构疲劳寿命提高了135%。
结论：综上所述，本研究以大尺寸倒装芯片封装为研究对象，结合有限元模拟和实验，系统分析了铟在温度循环下的可靠性及改进方法。主要研究结果如下：
1、随着温度循环次数的增加，微孔洞数量逐渐增多，且主要分布在芯片的拐角处。由于温度环境尚未达到熔点，助焊剂挥发的影响并不明显。综合实验和模拟结果表明，观察到的孔洞数量增加主要是由于温度循环下铟层在拐角处的等效塑性应变累积所致。
2、有限元模拟分析表明，在恒定的温度加载速率下，等效应力和等效塑性应变与时间呈线性关系。在保温阶段未观察到温度梯度变化，应变变化率基本保持恒定。在温度循环作用下，芯片边缘附近位置的累积塑性应变最大，这与实际测量中观察到的裂纹位置相吻合。
3、基于应变的 Coffin–Manson模型，预测铟层的疲劳寿命为1258.54，这与800 -1200 的测量结果基本一致。信噪比（SNR）分析表明，铟层厚度对热疲劳寿命的影响最大，而胶粘剂厚度对热疲劳寿命的影响最小。
4、对优化模型的仿真分析表明，最大冯·米塞斯应力为0.064 MPa，与原始模型相比降低了94.69%。最大等效塑性应变为0.3092，与原始模型相比降低了65.41%。等效塑性应变范围为0.018431，比原始模型低49.65%。疲劳寿命为2962.60，比原始模型高135%。
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作者简介：本研究创新性体现在：
（1）结合有限元模拟与实验研究，系统揭示了铟在温度循环下的蠕变行为与形貌演变规律，并基于应变型 Coffin–Manson 模型 对其疲劳寿命进行预测。
（2）利用实验设计与模拟分析方法，评估不同结构参数对铟层疲劳寿命的影响，提出优化方案，使疲劳寿命显著提升 135%。
（3）通过翘曲分析对比模拟与实测数据，验证了模拟模型的准确性，并确认模拟预测的疲劳寿命与实验结果高度一致。