（机械电子工程专业论文）芯片尺寸封装（csp）的热应力及热失效分析研究.pdf

江寡k 哮硕士学位论丈摘要电子器件封装以尺寸最小化和电互连密度最大化为特征，被誉为新一代封装一芯片尺寸封装( c s p ) 的产生，虽然间距尺寸和体积很小，但也存在一些问题。当前国内外关于芯片尺寸封装的试验研究还很少，基本还处于计算机模拟阶段。本文首先总结了芯片尺寸封装几种结构类型和常见的失效机理，据此选择+ 种特定的芯片尺寸封装产品c s p s o c ，利用a n s y s 软件分别建立c s p s o c 有限元2 d1 2截面模型和3 d1 4 模型，模拟c s p s o c 封装在标准工业热循环温度一4 0 1 2 5 。c 条件下，并运用a p d l 程序命令实现周期温度载荷的控制，得到上述温度循环条件下产生的热应力应变情况。然后从材料、设计等方面进行参数分析，同时对2 d 和3 d 结果进行线性和非线性分析比较，结合当前已有类似封装参考实验结果作热失效、寿命预测分析，改进并得到_ 种新的简化寿命预测方程，为今后的高密度封装奠定良好的基础。研究结果表明封装本身由于各材料之间的热膨胀系数( c t e ) 不同，会产生热应力和应力集中现象，当强度低于热应力时候就会发生失效。封装整体变形位移最人在p c b板上。对焊球来说，应力应变最大发生在靠近外侧焊球上。对3 d 模型，由于多考虑了一个方向，发现整体弹性应变最大靠近焊球与基板结合处，填胶应变最小。整体封装应力应变最大发生在芯片边缘区域，靠近环氧树脂填充物和填胶，这也证明了c s p s o c焊球放四周，避免放置芯片的下面的优点和结构的合理性。从应力应变分布结果和已有类似封装热循环试验对比，结果基本一致。对2 d 模型，虽不能看出另一方向应力应变，但从变形位移随时间变化图上，清晰的看出焊球最大变化位移随时间在x 方向平稳上升，y 方向变化由于温度影响比较明显，出现陡增陡减后，第三个循环后趋于平稳。p c b应力应变在温度变化开始时随时间变化较大，后趋于平稳，这也验证p c b 在工作时能为焊球和基板提供良好的支撑作用。借助以能量为基础的疲劳模型和一种简化模型对焊球和封装整体寿命分析计算，结果对比表明，前者计算过程较复杂，但和后者寿命预测差别不是很大。改进并得到一种简化寿命预测方程，对比分析寿命预测结果和已有类似寿命试验表明，误差在1 0 ，符合要求。关键词：j 卷片尺寸封装，温度循环，热应力，有限元，焊球，寿命预测江苏大学砸士学位论文a b s t r a c tt h en e wg e n e r a t i o nc o m p u t e r sa n de l e c t r o n i cd e v i c e sa r ec h a r a c t e r i z e dw i t hm i n i m i z e dp a c k a g ep r o f i l ea n dm a x i m u mi n t e r c o n n e c td e n s i t y b ep r a i s e da st h en e wg e n e r a t i o np a c k a g e- c h i ps c a l ep a c k a g e ，w i t hs m a l lp i t c ha n dl i t t l ev o l u m e ，b u ta l s oe x i s t ss o m ep r o b l e m st h et e s ts t u d yo nc h i ps c a l ep a c k a g ei sl i t t l e ，a l s oi nac o m p u t e rs i m u l a t i v ea n a l y s i sp h a s e t h ep a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e st h ed i f f e r e n tt y p e sa n dn o r m a li n v a l i d a t i o no fc h i ps c a l ep a c k a g e h e r e b y , t h ep a p e rs e l e c t sas p e c i a lc s pp r o d u c tc h i ps c a l ep a c k a g e s u b s t r a t eo l l tc h i p ，u s i n gt h ea n s y sb u i l d st h et w od i m e n s i o n1 2m o d e lo fc r o s ss e c t i o na n dt h r e ed i m e n s i o n1 4m o d e lo f w h o l ep a c k a g e ，t h e no nt h ec o n d i t i o no f t h es t a n d a l di n d u s t r yt h e r m a lc y c l e t e m p e r a t u r e 4 0 。c 一1 2 5 ，c o m b i n i n g a p d lc o n u n a n dl a n g u a g e ，c o m p l e t i n g t h ec o n t r o lo f t h e r m a lc y c l et e m p e r a t u r el o a d s i m u l a t i n gt h et h e r m a ls t r e s sa n ds t r a i no f c s i s o cu n d e rt h ea b o v e m e n t i o n e dc o n d i t i o nt h e nc o m p l e t e dt h ep a r a m e t e r sa n a l y s i sf r o mt h em a t e r i a l sa n dd e s i g n ；a n dc o m p a r e dt h et w od i m e n s i o na n dt h r e ed i m e n s i o na n a l y s isr e s u l t s ，t h e nc o m p “ew i t ht h ep r e c e d e n tt e s tr e s u l t ，a n a l y s i z et h ei n v a l i d a t i o na n dl i f ep r e d i c t i o n ，b r i n gf o r w a r dan e wf o r m u l ao i ll i t i jp r e d i c t i o n ，e s t a b l i s hag o o db a s ef o rt h eh i g hd e n s i t yp a c k a g ei 1 1f u t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep a c k a g e ，d u et od i f f e r e n tc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n d e d( c t e ) e n g e n d e r st h e r m a ls t r e s sa n ds t r a i n ，i tw i l lm a k et h ep a c k a g ed i s a b l e dw h e nt h ei n t e n s i o ni sl o wt h a nt h e r m a ls t r e s s a n dt h em a x i m u md c f o r m c dd i s p l a c c m c n to ft h ew h o l ep a c k a g eo c c h f si np c b t os o l d e rb a l l s ，t h em a x i m u ms t r e s sa n ds t r a i no c c u r si nt h eo u t e rs o l d e rb a l l t ot h ef 1 1 r e ed i m e n s i o nm o d e l ，a d d i t i o n a ld i r e c t i o ni sc o n s i d e r e d ，i ti sf o u n dt h a tt h em a x i m u me l a s t i cs t r a i ne x i s t si nt h ei n t e r f a c eo ft h es o l d e rb a l l sa n dp c b a n dt h em i n i m u ms t r a i ne x s i t si nt h eu n d e r f i l lt a p e ，t h ew h o l ep a c k a g es t r e s so c c u r si nt h ee d g ea r e ao f c h i p ，i ti sa l s op r o v e dt h a tt h es o l d e rb a l l sa r ep l a c e da r o u n dt h ec h i pb e t t e rt h a nu n d e rt h ec h i p ，i ti sm o r er e a s o n a b l ea n da d v a n c e d c o m p a r t h gt h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nr e s u l t sw i t ht h es i m i l a rp a c k a g et e s tr e s u l t s ，i ti sc o n s i s t e n tf o ra l l ，t h es t r e s sa n ds t r a i ni s n tr e f l e c t e di nt h e2 dm o d e l b a tf i o mt h ef i g u r eo ft h ed e f o r m e dd i s p l a c e m e n to p p o s i t et ot i m e ，w ec a l ls e et h a tt h em a x i m u md i s p l a c e m e n to ns o l d e rj o i n ti si n c r e a s i n ga l o n gxd i r e c t i o nn o l i n e a r l y ，a n di sl l u c t u a n ta l o n gyd i r e c t i o nd u et os u f l e r i a gf r o mt e m p e r a t u r ei m p a c tb u ti si n v a r i a b l yi l江苏大学硕士学位沦文a f t e rt h r e ec y c l eo ft e m p e r a t u r e t h es t r e s sv a r i a t i o ni sb i g g e r a l o n gw i t ht i m ei nt h et e m p e r a t u r ec y c l i n gm o m e n t ，b u ti ti sb a l a n c e ds u b s e q u e n t l y t h i sm a ys a yt h ep c bp r o v i d e sag o o ds u s t e n t a t i o nf o rt h es o l d e rj o i n ta n ds u b s t r a t ew h e ni sn o r m a ll yw o k i n g i nv i r t u eo ft h ee n e r g y b a s e df a t i g u em o d e la n das i m p l i f i e dm o d e lt oc a l c u l a t et h el i f eo fs o l d e rj o i n ta n dt h ew h o l ep a c k a g er e s p e c t i v e l y c o m p a r i n gt h er e s u l t ，f o r m e rm o d e lc a l c u l a t i n gp r o c e s si sc o m p l i c a t e d ，a n dt h et w or e s u l t sa r ec o n s i s t e n t an e ws i m p l em o d e li sm e n d e da n dg a i n e d ，c o m p a r i n gt h ep r e v i o u ss i m i l a rt e s tl i f ew i t ht h ec a l c u l a t e dl i f e ；t h ee r r o ri s10 o n l yl o w e rt h a ns t a n d a r dd e v i a t i o n k e y w o r d s ：c h i ps c a l ep a c k a g e ，t e m p e r a t u r ec y c l e ，t h e r m a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n t ，s o l d e rb a l l ，l i f ep r e d i c t i o nl l i学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密口指导教师签名：孑为孕2 0 0 6 年f 切j 乡日独创性l 声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：每苇日期：2 0 0 6 年 1 月t 譬日江苏大学硕士学位论文1 1 引言第一章绪论微电子行业发展迅速，带动i c 产业的四大支柱：设计，制造，封装，测试也快速发展。涉及到的学科综合材料、电子、化学、物理、力学、热学、可靠性等为提出更好更适合我们不同的微电子器件和芯片封装提供方便。目前集成电路技术己渗透到工业及社会生活的各个领域，电子工业己成为当今第一大产业。国内的发展状态是注重研制开发i c ，忽视后道的封装，而电子器件的封装技术则是制约集成电路发展的关键环节。电子封装即将各种功能的芯片封装于相应的壳体，为芯片提供保护并保障信号和功率的输入与输出，同时使器件工作中产生的热量传输到外部环境，确保器件稳定、正常地运行【1 1 。在电子器件的生产中，成本的4 0 是用于封装的，而集成电路的失效则超过2 5 是由于封装因素引起的f 2 j 。所以，信息技术的飞速发展，向电子封装提出了高密度，高可靠性的要求。1 1 1 国际微电子封装的发展趋势国际上，微电子封装一方面随着集成电路的发展而发展，不断满足集成电路高集成度、高频率、大功率、低成本的要求【羽。另一方面，微电子封装技术本身不断发展和更新，新的工艺和新的结构不断涌现，使其越来越完美，使其性能和可靠性不断提高。正因为这几方面的驱动，使微电子封装持续发展。目前，国际微电子封装表现出非常好的发展趋势。现在i c 发展水平以i c 集成度和相应的特征尺寸为依据，集成度主要反映i c 规模，特征尺寸( 图1 1 ) 主要反映工艺水平p 】。未来电子封装的工艺技术和发展趋势是引脚数目更多，更高的电性能和热性能，轻、薄、小，便于安装、使用、返修，可靠性更强，性价比更高。微电子封装向高密度方向发展体现在由开始的t o ，d i p 或者s o p 封装，发展到p l c c ，q f p ，p g a ，然后到较大规模的l s i ，v l s i 采用b g a ，c s p ，m c m ，3 d封装1 1 1 ，如表1 所示1 4 l 口发展特点i l 】1 5 】：( 1 ) 高密度和高引脚数目发展，引脚由四边引出向面阵排列发展( 2 )江苏大学硕士学位论文向表面安装技术发展( 3 ) 由陶瓷封装向塑料封装发展( 4 ) 先发展后道封装再发展芯片转移。应用也越来越广泛，起先用于军工和航天计算机军用弋机。雷达，移动通信，计算机，汽车电子，医疗电子和家用电阻等，微电子封装将由有封装向少封装和无封装3 0 00、* 2 5 0o、饔2 0 0 0、，5 0ou vs s o pb g c s pm b g 囤1 1i c 发展特征尺寸的变化方向发展6 l 【 。d c a 技术，特别是f c b 将成为微电子封装的主流形式，现在单芯片和多芯片封装都是2 d 封装，今后将在2 d 的基础上发展3 d 封装技术，以实现电子整机系统功能，让我们解决无源元件的集成化成为迫切的问题【s 】。表1 1 封装技术的演变历程类别2 0 世纪7 0 年代2 0 世纪8 0 年代2 0 世纪9 0 年代2 0 0 02 0 0 6芯片引线键合引线键合引线键合倒装芯片低成本倒装芯互连片封装d i pq f pb g ac s p裸芯片形式组装p t hs m tb g a s m tb g a s m td c a方式无源分立电容分立电容分立电容分立，组合集成元件基板有机有机有机d c a 板s l r m封装3333 11层次元件5 1 05 1 05 1 05 1 0l类型i 1 2 我国微电子发展状况在二十世纪八十年代末，美国和日本把封装向东南亚和南亚转移，到九十年代中期，纷纷来中国投资发展微电子封装，封装产品主流技术己基本成熟，显示出良好的前景。如p d i p ，p q f p 和p s o p ，那是第一次投资热潮。这次投资热潮起自2 0 0 0 年左右有不少2江苏大学硕士学位论吏国际著名的大公司，产品以p b g a ，c s p 和m c m 为主，这确实是一个质的飞跃，由于我国已进人w t o ，微电子封装也要和国际接轨，这是必然的趋势【9 l l m l 。我国集成电路产业相对集中在长江三角洲、京津地区、珠江三角洲地区。著名的封装产业相关的企业有英特尔科技( 中国) 有限公司，日立半导体( 苏州) 有限公司，南通富士通电子有限公司，江苏长电科技股份有限公司，三星电子( 苏州) 半导体有艰公司，上海松下半导体有限公司等1 3 】。但国内自主封装业的主流产品是p q f p ，p s o p ，封装企业已走上良性循环，近几年p q f p ，p s o p 迅速增长，p d i p 逐渐下降【l o l 。2 0 世纪9 0 年代末期，随着信息化步伐的加快，笔记本电脑、手机、数码相机等手持产品的普及，一直在寻找着更轻、更薄、更紧凑、更低成本，同时又有良好的电气性能，高速、高可靠性、高封装密度、易于工业自动化大量生产新的封装技术和封装形式。b g a 到c s p 以其成熟的工艺、较低的制造成本、便利而又最有发展潜力的封装形式诞生，进人了飞速发展时期并在高密度微电子封装技术领域占有一席重要的位置i i lj 【埘。1 2 芯片尺寸封装( c s p ) 及类型介绍1 2 1c s p 的定义c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) ，即芯片尺寸封装。它的面积( 组装占用印制板的面积) 与芯片尺寸相同或比芯片尺寸稍大一些，而且很薄。这种封装形式是由日本三菱公司在1 9 9 4年首先提出来的 t a l 。由于c s p 封装的面积大致和芯片一样，它大大节约了印制电路板的表面积。其外引线为小凸点或焊盘，既可四周引线，也可以底面上阵列式布线，引脚间距为o 5 m m 1 0 r a m 之间。对于c s p ，有多种定义【1 4 l ：( 1 ) 日本电子工业协会把c s p 定义为芯片面积与封装体面积之比大于8 0 的封装。( 2 ) 美国国防部元器件供应中心的j - s t k 0 1 2 标准把c s p 定义为l s i 封装产品的面积小于或等于l s i 芯片面积的1 2 0 的封装。( 3 ) 松下电子工业公司定义为l s i 封装产品的边长与封装芯片的边长的差小于l m m的产品等。这些定义虽然有些差别，但都指出了c s p 产品的主要特点：封装体尺寸小。c s p是在b g a 基础上发展起来的，被业晃称为单芯片的最高形式。c s p 和b g a 很容易区分，球间距小于1 0 m m 的封装为c s p ，球间距大于或等于1 0 r a m 的封装为b g a 。c s p 封装3江苏走学硕士学位论文可以让芯片面积勺封装面积的比超过l ：1 1 4 ，已经相当接近l ：l 的理想情况，绝对尺寸也仅有3 2 r a m 2 ，约为普通b g a 的l ，3 ，仅仅相勺于t s o p 内存芯片面积的1 6 1 1 5 m l 。1 2 2c s p 的分类目前，世界上已有几十家公司可以提供c s p 产品，各类c s p 产品品种多达一百种以上。尽管它们在设计、材料和应用上有所不同，但可将它们分为4 类【17 】：( 1 ) 基于定制引线框架的c s p 。又称作芯片上引线( l o c ) 主要用于管芯扩展和系统封装，以保持封装在p c b 上所占用的面积不变。主要代表产品：南茂科技的s o c ( s u b s t r a t eo nc h i p ) ，m i c r o b g a 和四边无引线扁平封装( q f n ) ，h i t a c h ic a b l e 的芯片上引线的芯片尺寸封装( l o c - c s p ) 。( 2 ) 带扰性中间支撑层的c s p 。主要代表产品：3 m 的增强型扰性c s p ，h i t a c h i 的用于存储器件的芯片尺寸封装，n e c 的窄节距焊球阵，) j ( f p b g a ) 。s h a r p 的芯片尺寸封装，t c s s c r a 的微焊球阵列( g b g a ) ，t ij a p a n 的带扰性基板的存储器芯片尺寸封装( m c s p ) 。( 3 ) 刚性基板c s p 。主要代表产品：i b m 的陶瓷小型焊球阵列封装( m i n i b g a ) 及倒装芯片一塑料焊球阵列封装( f c p b g a ) ，n e c 的三维存储器模块( 3 d m ) 和c s p ，s o n y 的变换焊盘阵列( t g a ) 。( 4 )圆片级再分布c s p 。主要代表产品：倒装芯片技术的u l t r ac s p ，富士通的s u p e r c s p ( s c s p ) ，及w l c s p t l 8 i 等。1 3 特定c s p - - s o c ( s u b s t r a t eo nc h i p )中国台湾省南茂科技公司于2 0 0 3 年顺利获得台湾智慧财产局发明字第2 0 7 5 2 5 号有关c s p s o c 封装技术专利【1 8 l 。此技术可应用于改良动态随机存储器下一代主流产品d d r i i 的f b g a 和c s p 封装。c s p s o c 属于c s p 产品中一种封装方式，一般都是裸芯片封装，用于个人电脑和笔记本电脑的闪存比较多。该封装同时也获得了美国和中国大陆的专利。如图1 2 1 1 9 1 1 2 0 i 所示：创见资讯也领先业界推出迷你笔记型电脑专用的1 7 2 一p i n5 1 2 m bd d r 2 6 6m i c r od i m m 记忆卡，采用原厂先进封装技术所制造的2 5 6 m b ( 3 2 m 8 ) s o c 颗粒，其体积为江苏大学硕士学位论丈图i 2c s p - s o c 封装示意图传统t s 0 p 颗粒的一半，而且散热性更佳，能在尺寸仅4 5 5 m m x 3 0 m m x 0 8 m m 的电路板上嵌入1 6 颗s o c 颗粒，达到5 1 2m b 的高容量【1 8 1 。因其具有高容量、体积小、散热性佳等多项特性，目前已在索尼、松下、j v c 及华硕等迷你笔记型电脑上实机测试通过【博1 。c s p s o c 的封装过程与一般的封装t s o p 过程类似，但c s p s o c 为c s p 产品，其封装流程如下【2 1 1 ：1 、硅片切割：将硅片按尺寸切割划分。2 、贴片：将切割完成的硅片通过填胶倒装贴在基板上。3 、引线键合：将金线连接到芯片焊盘与基板上，使信号能由芯片传到基板上。4 、填充：将基板以上到芯片及中央下侧有引线区域的空间以e m c 填充，保护芯片和金线。5 、放置焊球：在背面的焊盘处先涂上焊剂，再利用植球机将焊球放置到焊盘上。6 、修正成型：加热增加e m c 固化的程度，使其稳定。7 、第一次封装测试，并检测是否有空球，偏出焊盘过大。8 、回焊：利用回焊炉将温度加热到一定温度使焊球熔化，焊接到焊盘上，完成后将多余的焊剂清洗掉。9 、再测试，完成烧结。l o 、在封装上印上标记。1 4 国内外研究现状由温度多次反复作用下引起的损伤或破坏现象，以及热应力应变可靠性分析研究是微电子封装的一个主要关注的问题 2 2 j f 2 3 j 。国内外研究现状如下：国内清华大学做此方面的课题时建立了循环交互模型( 物理模型) ，他们认为封装江苏大学硕士学位论文焊点的热循环中主要存在循环损伤和蠕变损伤( 包括应力松弛) 。在一定条件下，两种损伤交互作用蠕变会加速循环裂纹的形成和扩展，而循环开裂造成的损伤又促进了蠕变的进展，这种交互作用会加剧损伤，使循环寿命大大减少2 4 i 。陈幽海，马菖生【2 5 l 等采用激光云纹干涉法，测量了不同热循环规范下焊点内的残余应变分布及最后失效的的焊点内最大的累积残余应变，结果表明：材料热膨胀系数的不匹配导致焊点中存在很大的剪切变形，而且焊点内的残余应变的分布是很不均匀的；桂林电子科技大学周德俭1 2 6 l 等研究在热循环载荷条件下，由于焊点和基板的热膨胀系数不匹配所产生的阵列对关键的焊点的热位移影响，利用非线性有限元分析，从而得到关键焊点的最大应力应变值，利用低周热疲劳寿命预测公式得到焊点的热疲劳寿命。中国科学院上海微系统与信息技术研究所张礼季，王莉，高霞 2 7 1 等对比了填充胶和未填充胶塑料封装球栅阵列( p b g a ) 器件在4 0 1 2 5 温度循环条件下的热疲劳寿命，采用光学显微镜研究了失效样品焊点的失效机制，并分析了填充胶提高器件热疲劳寿命的机制。实验发现：底部填充胶可使p b g a 样品的寿命从5 0 0 周提高到2 0 0 0 周以上，失效样品裂纹最先萌生于最外侧焊球靠近硅芯片界面外边缘处。国防科技大学褚卫华，陈循1 28 j 等以统一型粘塑性a n a n d 本构方程为基础，采用非线性有限元方法研究了热循环试验过程中高低温端点温度、温度升降速率、高低温保持时间对s n 6 3 p b 3 7 焊点应力分布和塑性应变的影响，荠结合基于塑性应变的疲劳寿命预测c o f f i n m a s s o n 公式分析了热循环试验效率与这些参数之间的关系。台湾y e o n g j y hl i n l 2 9 l 对c s p 产品在热循环下进行可靠性的分析，在f e m 条件下分析模拟环境，观看在温度变化时候出现的疲劳的效应，进行焊球的行为分析，使用韧性合金，采用粘塑性性质模拟，其行为在a n s y s 中属于与速率有关的塑性变形，利用a n a n d s 模型分析模拟焊球的变形，假设温度变化时候，整体的温度皆相同。国外，r e z a g h a f f a r i a n l 3 0 】研究了b g a 和c s p 分别在- - 3 0 1 0 0 ，一5 5 1 0 0 ，- 5 5 1 2 5 三种温度循环条件下的失效机理，研究发现c s p 焊点的失效经常转移到封装整体，非线性热冲击导致的破坏比温度循环大，温度1 0 0 1 2 5 比- - 3 0 一5 5 发生破坏更明显。x i a o w uz h a n g 和s w r i c k yl e e l 3 1 】等研究热疲劳是电子元器件可靠性的关键，由于材料的力学行为和焊点的结构的复杂性，传统的c o f f i n - m a s o n 及其修改公式可能高估了热疲劳寿命，针对上面的缺点，采用双试样片样品测热循环过程中的应力一应变滞后环，这种新的预测方法包括一种焊点修改的连续描述有限元模型。l z h a n g ,r s i t a r a m a n l 3 2 l 等研究w l c s p 中的微型s m d ，分析在- - 4 0 1 2 5 和一2 5 1 2 5 ，6江苏大学硕士学位论文恒温保持时间分别为1 4 m i n 和9 m i n ，分别建立c s p 封装整体和焊点局部模型，基于非线性有限元分析非弹性应变能量分布，利用修改的d a r v e a u x s 公式分析不同焊点的热疲劳寿命，和试验结果对比发现，修改的d a r v e a u x s 公式可以准确的预测寿命，整体模型更加准确。不过存在的问题是公式不能解决不同封装的几何结构差异的影响，实际中的p c b 板材料的性质和所选用的p c b 板的材料有差别( 只考虑室温条件下的标准参考) 。l k u os h o h j i ，h i d e om o i l l 3 3 1 等对c s p 焊点( s n - 3 7 m a s s p b ) 在不同的热循环条件下进行测试，在传统的条件，温度加热到l o o ，微观的粗化会发生导致焊点产生裂纹，热疲劳寿命满足修改的c m 公式，当最大温度为室温且温度的变化范围很小的时候，焊点没有发生微观粗化，且热疲劳寿命不满足c o 伍n m a s s o n 等式。x i a o w uz h a n g1 3 4 j 等采用3 d切片模型分析焊点的可靠性，在热循环条件下，对6 3 s n 3 7 p b 采用与时间和温度相关的蠕变构造关系式，焊点的疲劳寿命采用d a r v e a u x 估计，通过改变封装尺寸研究参数影响，研究发现大芯片在边界处显示最大应力比小芯片的影响大。研究发现底板的厚度也是影响封装的关键因素。p t o w as h i r a p o m l 3 5 l 等认为在c s p 封装中共晶焊点( 所能s n 3 7 叭p b ) 经过功率循环在o c 1 0 0 的条件下的热失效疲劳，空洞和第二次疲劳断裂对于疲劳断裂的增长和方向有很大的意义，采用非线性f e m 方法去评估焊点在强加的热循环条件下的应力和非弹性应变状态，连续的热分析包括塑性和蠕变分析，在3 d 模型下，最大的非弹性应变和等循环次数条件的交界处的焊点的变形比较，一种破坏模型的引入确定焊点的断裂轨迹，有效的预测焊点失效的寿命和焊点失效断裂轨迹的评估。s a t i s hc c h a p a r a l a ! 弘j 等针对w l c s p 没有底部填充胶，研究关键设计参数( 焊点的尺寸，厚度，直径和高度) 对焊点可靠性的影响，研究发现芯片尺寸越大，可靠性降低，因为芯片越大，中性点( d n p )距离越大，使得焊点产生更多的应变。z a n ee j o h n s o n t 3 7 烽分析c s p 在温度循环和加速热循环下的热变形，假定焊点材料为热弹性，建立材料的本构方程，研究发现基于有限元分析得到的粘塑性焊点热疲劳模拟与试验分析得到的可靠性结果接近。1 5 本文研究内容和研究意义1 5 1 论文研究内容基于国内外研究现状，全文共分为五章展开论述：江苏大学硕士学位论丈第一章介绍芯片尺寸封装( c s p ) 几种结构炎型和常见失效机理，以及一种特定的c s p s o c 的封装：制造过程，总结了国内外研究进展和动态。第二章介绍了本文分析使用的一些疲劳模型和a n s y s 分析的理论基础，由分析的有限元法开始，接着介绍非线性分析所使用的a n a n d 。s 模型，可靠性疲劳模型等。对每种类型的模型具体分析其适用情形，以及公式推导和改进。第三章利用a n s y s 及结合a p d l 语言建立c s p s o c 的2 d 和3 d 有限元分析模型，在温度循环载荷下，分析其热应力应变情况等。第四章针对前面的分析结果和前人试验结果进行讨论。分析应力应变等随时间变化关系，利用一个失效反例进行参数分析。基于理论基础和分析结果，对比分析以能量为基础和一种简化寿命模型寿命预测结果，改进简化模型提出一种新的寿命预测方程。第五章总结本文工作和未来展望。1 5 2 论文研究意义越来越多的先进封装形式采用焊点与基板连接的方式，对先进封装的可靠性试验基本没有，可靠性与传统的比较还是个未知数。所以能在今后电子封装的设计开始，先使用a n s y s 进行结构，热应力，可靠性等分析，可以优化设计参数，这样就可以减少制造周期和设计成本，对于产品的特性和使用情况也可有相当的了解。另外对先进封装焊点及封装本身整体热失效机理研究对于循环寿命的预测非常重要，是建立数学模型的基础。预测芯片封装寿命的主要手段，是在模型及其模拟实验数据的基础上建立经验公式。进而提出更好的寿命预测评估方法，为以后高密度和更高级的封装提供好的参照。江苏大学硕士学位论文2 1 引言第二章理论基础对芯片尺寸封装的热应力和热失效进行分析和研究时，可以采用两种方法，一种是利用熟冲击试验，温度循环试验，加速高温疲劳寿命试验等：另一种是借鉴于现在流行的模拟分析软件a n s y s 对c s p 进行模拟分析，综合利用所得线形分析( 弹性应变) 和菲线形分析结果。再结合疲劳寿命分析模型分析改迸设计参数，得到更好的寿命和预测模型。本文利用a n s y s 模拟分析，将利用到的理论、模型，原理一一叙述。2 2 线性分析本文采用a n s y s 软件模拟分析热失效和热应力应爻，所使用的a n s y s 理论公式如下【3 8 】：假设材料的性质均为线弹性，( 仃 = 【dj s “)( 2 1 )其中， 盯) = 应力矩阵：【d 】= 刚性矩阵：p “ = p 卜p “ ：弹性应变矩阵；仁 = 总应变矩阵= 【t 占，t s ，】；譬“ = 热应变矩阵。p 对于2 d 的模型来说为a t a 。口，r 。其中，a t = t 一7 ；温度变化；t 为在方程中将要分析的温度；巧。为应变为零时的温度；口，= ) 【方向的热膨胀系数，若为均质材料，则x 。y 方向的热膨胀系数都相同。而p “ ，对于3 d 模型来说为h 口，口，哆o o o 7 。其中，a t = t 一：温度变化：t为在方程中要分析的温度；7 0 为应变为零时的温度；口，- - - x 方向的热膨胀系数，若为均质材料，三个方向均相同。2 3 非线性分析在热循环试验中，焊点材料在长时间的恒温，恒应力作用下缓慢产掌塑性变形，一9江苏犬学硕士学位论文般部是由热效应引起的，焊点在持续应力作用下，( 即使在远低于弹性极限t 占况下) ，应变随着温度和时f a j 的增加而显著增加，即材料的变形不仅仅由施加的应力决定，而且依赖应力时间和温度。换句话，对于作用在器件下的热载衙时间很长，对某些电子器件可能持续多年，形变的累积最终也会导致器件失效，这种现象叫蠕变 3 9 i 。一般来说蠕变行为分为三个时期3 9 j ：如图2 i t 5 9 l 所示：图2 1 定值应力所产生的蠕变应力图对于蠕变效应，不同种类的材料都有合适的控制方程式，对于s n p b 合金，最常用来描述其稳态和暂态蠕变的方程式为f 4 0 1 ：鲁= 。讣曲( 口孙x p ( 剞，皇拿为稳态应变速率：c 4 为潜在微观结构的常数：g 为剪切模量；t 为绝对温度；f 为实际压力；q 为变形过程中的激活能量；n 为应力指数：n - - = _ i ，对扩散蠕变；n = 2 ，对颗粒边界滑移的超塑性；n = 3 4 ，对断层控制滑移动力学；n = 5 7 ，对断层扩张过程；口= 和外力规律有关的断裂时的应力标准；k = b o l t z m a n n s 系数；舻铷十e x 卜警 亿，儿= 蠕变应变：t = 蠕变时间；y r = 瞬时蠕变应变：b = 瞬时蠕变系数；在使用有限元软件a n s y s 分析模拟时，一般只考虑稳态的蠕变行为，而忽视了暂态的蠕变。为了方便输入参数和进行分析，一般通常先将蠕变行为的实验数据配出这样形式的方程，求出a ，b ，q 。，再进行模拟分析，可用a r r h e n i u s s 法来描述锡块凸点的行为1 4 1 1 1 4 2 1 ：l o江苏大学硕士学位论文d 击c = a m ( 酬”e x p ( 鲁( 2 4 ，k 为b o l t z m a n n s 常数：t 为温度：a ，b ，q 。均为常数。实际上a ，b ，q a 三个常数皆会随着温度的变化而变化，如果温度差值不大的话，可以视为定值。a n s y s 针对粘塑性材料都提供这个方程式的模型，针对不同组成的焊点各参数如表2 1 所示：表2 1 非线性模拟的参数设定1 4 3 16 0 s n 4 0 p b6 2 s n 3 6 p b 2 a g9 7 5 p b 2 5 s n9 6 5 s n 3 s a ga s e e )9 6 2 e 49 6 2 e 42 2 0 e 89 o e 5b ( 1 p s i )6 o e 46 0 e 41 4 e 34 5 e 4n3 _ 33 37 o5 5q a k引1 08 t l o1 3 3 3 08 6 9 02 4a n a n d s 模型在本文中，研究焊点在温度循环下焊点的力学行为表现应该是粘塑性现象，在a n s y s 中属于非线性分析中的材料非线性也可以成为是与速率有关的塑性，对于上面提到的稳态蠕变方程式，在a n s y s 中也提供一种现成的蠕变模型- - a n a n d s 模型，这个模型是a n a n d s 于1 9 8 2 年提出的应用于粘塑性材料的理论，粘塑性材料就是一种应力或应变率与时问相依的材料性质【4 4 1 。即当材料所承受的外力大到使材料所产生塑性变形时，与时间变化率相关的塑性变形。a n a n d s 模型更为复杂，使用者只需要一组常数，即可进行蠕变分析，其非线形应变主要与温度和应力有关的，而应力又与施加的负荷变化率有关，其控制方程方程如下【4 1 1 1 4 5 1 ：儿碲品 s ；曲蚓i亿5 ，s - - - -卤ll a p( 2 6 )( 2 7 )( 2 8 )1j鱼朋pxe三o 咖了一丁j 1 l=b江苏大学硕士学位论文d ，为有效 e 弹性变形率；a 为前指数凶素：盯为有效柯两应力：s 为变形阻力；s 为变形阻力的饱和值：s 为变形阻力对时间的倒数；q 为激活能量：r 为通用气体指数：口为绝对温度； 为应力乘数；m 为应力应变率的灵敏度；i l o 为硬化软化指数；n 为饱和值的应变率灵敏度：a 为硬化( 软化) 应变率的灵敏度；以上即为a n a n d s 模型在a n s y s 中运算方程式，在a n s y s 中使用a n a n d s 模型总共要输入9 个参数，分别为c l 戈9 ，其中除a 需大于等于l 外，其他各常数都要大于0 ，各参数的意义与单位列表2 2 中i 删：表2 2a n a n d s 模型的参数意义与单位常数参数意义单位c ls o变形因子的最初值应力( m p a )c 2q rq ：激活能量能量，量( i o m 0 1 )r ：通用气体常数能量，( 量度) ( k j ( m o l e - 。k ) )c 3a前指数因子l 时间( i s )c 4号应力乘数无单位c 5m应力的应变率灵敏度无单位c 6t l o硬化软化常数应力( m p a )c 7变形阻力饱和值的系数应力( m p a )jc 8n变形饱和值的应变率灵敏度无单位c 9a硬化，软化应变率的灵敏度无单位2 5 疲劳模型通过疲劳模型，我们可以利用a n s y s 分析的结果来预测焊点以及整个封装的寿命，c o f i 日n m a n s o n 公式是最常见的一个疲劳模型，其主要是利用a n s y s 分析得出的塑性变形，在加上修改的一些经验常数就可以的得到整个元件破坏的循环次数。对电子封装来说，依据不同的破坏机理，我们可以将疲劳模型分为五类【4 7 l ：以应力变形为基础、以塑性变形为基础、以蠕变变形为基础、以能量为基础、以损坏为基础。1 2江苏大学硕士学位论文其中，以塑性变形为基础的疲劳模氆最被常用，而以应力为基础的疲劳模型极不常见，一般基于应力一应变模型结合总应变( 塑性或蠕变变形) 循环破坏预测焊点疲劳寿命。合称应力一应变疲劳模型。蠕变已经介绍过，下面针对剩下三个常用的模型进行理论分析：2 5 1 基于应力一应变的疲劳模型首先介绍最常见的c o f f i n m a n s o n 疲劳模型，c o f f i n m a n s o n 模型是基于总应变范围和低周循环疲劳的基本关系建立的，关系如下( 见图2 2 ) 1 “1 ：，1= ，+ 幻= 删；+ 等j( 2 1 5 )dn f 是疲劳循环次数；是总应变；。是塑性应变，t ，是弹性应变；e 是弹性模量，m ，z ，g 和v 是材料常数。这个关系是基于金属或铝合金建立起来的，这些材料常数因材料不同而不同，可以由应变循环试验决定。失效循环数n f图2 2 总应变( 弹性和塑性) 和疲劳失效关系【4 8 】不同的应用条件下，有很多不同的修改的c o f f i n - m a n s o n 模型。这些方法是经验法，说明了在每次循环下破坏的次数，以及和材料寿命的相关破坏。为了使用这个模型，应变仪已经被应用于测量或计算焊点的剪切应变