芯片尺寸封裝（CSP）的熱應(yīng)力及熱失效分析研究.pdf

1、電子器件封裝以尺寸最小化和電互連密度最大化為特征，被譽(yù)為新一代封裝-芯片尺寸封裝(CSP)的產(chǎn)生，雖然間距尺寸和體積很小，但也存在一些問題。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于芯片尺寸封裝的試驗(yàn)研究還很少，基本還處于計(jì)算機(jī)模擬階段。 本文首先總結(jié)了芯片尺寸封裝幾種結(jié)構(gòu)類型和常見的失效機(jī)理，據(jù)此選擇一種特定的芯片尺寸封裝產(chǎn)品-CSP-SOC，利用ANSYS軟件分別建立CSP-SOC有限元2D 1/2截面模型和3D 1/4模型，模擬CSP-SOC封裝在標(biāo)

2、準(zhǔn)工業(yè)熱循環(huán)溫度-40℃～125℃條件下，并運(yùn)用APDL程序命令實(shí)現(xiàn)周期溫度載荷的控制，得到上述溫度循環(huán)條件下產(chǎn)生的熱應(yīng)力應(yīng)變情況。然后從材料、設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行參數(shù)分析，同時(shí)對(duì)2D和3D結(jié)果進(jìn)行線性和非線性分析比較，結(jié)合當(dāng)前已有類似封裝參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果作熱失效、壽命預(yù)測(cè)分析，改進(jìn)并得到一種新的簡(jiǎn)化壽命預(yù)測(cè)方程，為今后的高密度封裝奠定良好的基礎(chǔ)。 研究結(jié)果表明封裝本身由于各材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不同，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)力集中現(xiàn)象，

3、當(dāng)強(qiáng)度低于熱應(yīng)力時(shí)候就會(huì)發(fā)生失效。封裝整體變形位移最大在PCB板上。對(duì)焊球來說，應(yīng)力應(yīng)變最大發(fā)生在靠近外側(cè)焊球上。對(duì)3D模型，由于多考慮了一個(gè)方向，發(fā)現(xiàn)整體彈性應(yīng)變最大靠近焊球與基板結(jié)合處，填膠應(yīng)變最小。整體封裝應(yīng)力應(yīng)變最大發(fā)生在芯片邊緣區(qū)域，靠近環(huán)氧樹脂填充物和填膠，這也證明了CSP-SOC焊球放四周，避免放置芯片的下面的優(yōu)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的合理性。從應(yīng)力應(yīng)變分布結(jié)果和已有類似封裝熱循環(huán)試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果基本一致。對(duì)2D模型，雖不能看出另一方向應(yīng)

4、力應(yīng)變，但從變形位移隨時(shí)間變化圖上，清晰的看出焊球最大變化位移隨時(shí)間在X方向平穩(wěn)上升，Y方向變化由于溫度影響比較明顯，出現(xiàn)陡增陡減后，第三個(gè)循環(huán)后趨于平穩(wěn)。PCB應(yīng)力應(yīng)變?cè)跍囟茸兓_始時(shí)隨時(shí)間變化較大，后趨于平穩(wěn)，這也驗(yàn)證PCB在工作時(shí)能為焊球和基板提供良好的支撐作用。 借助以能量為基礎(chǔ)的疲勞模型和一種簡(jiǎn)化模型對(duì)焊球和封裝整體壽命分析計(jì)算，結(jié)果對(duì)比表明，前者計(jì)算過程較復(fù)雜，但和后者壽命預(yù)測(cè)差別不是很大。改進(jìn)并得到一種簡(jiǎn)化壽命預(yù)測(cè)