计算机分子模拟在电子封装技术专业中的应用

秦红波+潘开林+栾兴贺+冯闯+肖经+张平+杨道国

摘要：电子封装是电子工业的基础，电子封装技术专业是电子、机械和材料等多学科交叉的技术领域。本文介绍了电子封装技术，然后针对高等院校电子封装技术专业学生普遍感觉半导体、固体物理、封装材料等课程抽象难学、教师感觉难教的情况，提出引入计算机分子模拟软件“Materials Studio”进行辅助教学，并列举了教学案例。

關键词：电子封装；计算机分子模拟；Materials Studio；辅助教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）20-0187-02

电子封装是将构成电子产品的各种晶体管、裸芯片、引线、电路、基板和其他封装材料等按照规定或设计的要求合理密封、布置、固定和连接，实现与外部环境隔离、屏蔽及保护，最终组装成电子产品的整个工艺过程，是电子工业的基础。随着电子产品和设备的轻薄化、小型化和多功能化，电子产品的制造和加工技术也日新月异、快速发展，其中电子封装扮演着极其重要的角色。电子封装技术是高度交叉的技术领域，涵盖了电子、机械、材料、力学、化工、物理、可靠性等学科内容。目前，哈尔滨工业大学、北京理工大学、桂林电子科技大学、上海大学、清华大学、哈尔滨理工大学、北京工业大学、大连理工大学、华南理工大学、北华航天工业学院等三十余所高校陆续开设了电子封装技术本科专业或研究生课程及研究方向。电子封装技术课程体系涵盖半导体器件与物理、微制造与微加工、电子材料、微连接、可靠性等。

电子封装技术的发展，与固体物理、半导体和封装材料密不可分。电子工业中，结型场效应晶体管（JFET）、硅平面工艺、集成电路（IC）、互补金属氧化物半导体（CMOS）技术等电子工业领域的重大发明，都与材料固体物理、半导体及封装材料的重大突破和发现有关。固体物理是研究固体或材料的结构、排列方式及其组成粒子（包括原子、离子、电子等）之间相互影响及作用规律的科学。在材料科学中，原子的晶格参数、空间点阵、原子排列等微观结构直接决定了材料的宏观性能。学好固体物理和材料微观结构相关课程的内容不仅要有清晰的概念，还要有扎实的晶体学、量子力学、量子化学和数学基础。计算机分子模拟是以计算机为平台，集量子力学、量子化学、分子动力学和计算材料学等形成的新型科学。分子模拟研究领域包括物理﹑材料﹑生物和化学等学科体系，大量的研究已经充分证明了分子模拟的科学性和准确性。计算机分子模拟使抽象的量子力学、固体物理、材料微观结构知识等内容具体化、形象化，从而促进学生对相关知识点的理解和掌握。计算机分子模拟已经逐渐成为与实验方法并重的强有力的研究手段。特别是近年来，随着PC平台综合性能的巨大提高，计算机分子模拟在PC平台的优异表现更是方便了课程的教学和学习。Materials Studio是美国Accelrys公司近年来专为固体物理和材料科学领域开发的材料计算软件。与传统材料计算软件相比，Materials Studio界面友好，能直观、方便地建立材料3D原子和分子模型。Materials Studio内置强大的模型库，几乎实现了元素周期表全覆盖，可对各种材料的微观和宏观性质以及相关化学及物理过程进行深入研究。无论是成分设计、结构优化、性能预测，还是复杂的第一性原理计算和分子动力学模拟，都可以在对应的模块下通过简单的操作和设置得到可靠的模拟结果，并可输出直观、形象的图像和动画用于课堂教学。Materials Studio与电子封装技术专业密切相关表现在以下几个方面。

一、固体物理和半导体材料

半导体、金属、陶瓷等固体材料性能，直接决定封装工艺和可靠性。Materials Studio不但可以提供可视化的3D分子、晶体或非晶结构图像，而且可以提供先进的计算和模拟方法，尤其是进行密度泛函计算（Dmol3模块）和密度泛函平面波赝势方法（CASTEP模块）。Materials Studio为深入研究固体材料的物理和化学性能并进行材料设计提供了有效的解决方法。在微电子制造和封装过程中，Materials Studio软件可模拟和分析化学气相沉积过程中反应剂的化学性质；可以研究分子、原子或离子在固体或材料表面及内部的扩散行为；可以研究半导体等材料的缺陷和掺杂结构对材料性能的影响；可以基于聚合态研究固体材料的力学、光学、电学和磁学性质。此外，Materials Studio作为一种先进的量子力学计算程序，可研究这些固体材料的物化性能、表面性质、表面化学、电子结构、缺陷性质（如空位、间隙原子或替换原子等）、位错运动、电荷密度。在半导体材料设计中，利用Materials Studio可以探索半导体等材料的电子结构以及电学性能，通过分子模型设计可以有效地预测其性能，为试验制备提供指导。如通过掺杂Al、In等元素并控制其成分，可对GaN和SiC等半导体的物理性能进行调控。

二、电子封装微互连

在电子封装微互连中，生成金属间化合物（IMC）是软钎焊能够实现金属互连的根本原因。微观组织对互连焊点的可靠性有决定性作用，而微观组织中不同的相（包括IMC相颗粒）则取决于焊接和服役过程中的界面反应和界面材料原子的相互扩散。研究表明，互连焊点界面上和焊点钎料体内部的IMC是影响焊点可靠性最为关键的因素之一。在焊接过程中，锡基钎料与Cu/Ni基板或焊盘发生界面冶金反应生成Cu6Sn5/Ni3Sn4两种IMC相，而IMC的电子结构和物理性能对焊点的完整性和可靠性有着极为关键的影响。因此，研究Cu6Sn5和Ni3Sn4的电子结构和物理性能具有十分重要的意义。基于Materials Studio密度泛函理论，可直观、形象地研究Cu6Sn5和Ni3Sn4体系的结构稳定性、弹性性能，并计算得到两种金属间化合物的晶格常数、合金生成焓以及弹性常数，得到两种IMC的体模量、剪切模量、弹性模量和泊松比等物理参量，并比较了它们的力学和物理性能。

三、先进封装材料

如今，微电子器件特征尺寸和电子封装加工及制造工艺已经达到了纳米尺度。纳米功能材料和元器件微纳结构是当今世界微电子制造和电子封装研究领域中最富有活力的领域，对社会发展和国民经济具有极其重要的影响。元器件的微型化、多功能化、智能化和高集成封装等要求是刺激纳米功能材料快速发展的动力之一。计算机分子模拟软件Materials Studio提供了多种技术和方法来研究电子封装纳米功能材料及其微观结构，例如原子/分子水平的第一性原理计算技术、介观尺度的材料模拟技术和线性标度量子力学方法。Materials Studio的这些技术和方法可以帮助研究人员和广大师生构建材料的纳米团簇、分子模型和周期性原子结构模型，并能够实现分子组装与自组装、化学反应、催化作用、扩散与吸附等行为进行研究和观察，能够对包括金属、陶瓷、聚合物和半导体材料等多种材料在内的对象进行全面系统地计算和结构分析，能评估和预测由量子力学因素引起的纳米尺度特殊的物理与化学特性，比如高韧性纳米陶瓷、高强度纳米金属/纤维以及高性能异相复合材料等，从而可以帮助我们认识新规律、提出新概念、开发先进封装材料。

四、结论

由于电子工业的快速发展，电子封装技术专业已经成为当前中国电子制造领域紧缺的专業。随着数学、量子力学、量子化学和计算材料学等学科和计算机技术的快速发展，计算机分子模拟与材料性能预测在电子工业新材料和新型器件的设计及开发中有着降低成本和提高效率的作用。Materials Studio分子模拟基于数值模拟及成熟数学方法通过计算机仿真实现材料成分、结构、性能及工艺等的模拟，最终实现新材料不同尺度范围下物理和化学性能预测，并且能够提供可控且可视化的原子或分子模型三维图像和动画演示。在电子封装专业教学中，可在封装材料、半导体材料、微电子等课程的课堂和实验中通过分子模拟软件Materials Studio进行辅助教学，使抽象的知识理论和概念变得直观而形象，加深学生对教学内容的认识，激发学生的创造力和想象力，培养学生的学习兴趣，提高科研能力。

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