桌面欧比特立体封装SIP可靠性研究

1、封装 SIP 可靠性研究（VD1D2G32 封装模块）华南理工大学电子与信息学院2014 年 02 月内容提要一、项目立项背景二、项目研究目的、内容、技术指标和技术路线2.1.研究目的2.2.研究内容2.3.技术方法与路线三、封装 SIP 温度及其热应力分布研究3.1VD1D2G32 有限元分析建模3.1.1VD1D2G32 封装结构模型3.1.2有限元建模3.1.3材料属性3.1.4载荷的施加3.2 仿真结果分析与3.2.1VD1D2G32 封装体温度分布规律分析3.2.2VD1D2G32 封装体热应力分布规律分析3.3 小结四、 结论一、项目立项背景多系统级封装（SIP）已经成为 3D S

2、IP 封装的主流，具有广阔的市场前景。SIP 封装(System In Package,系统级封装)作为将不同种类的元件通过不同技术混载于同一封装内的一种系统集成封装形式，不仅可搭载不同类型的，还可以实现系统的功能。然而，其封装具有更高密度和更大的发热密度，对封装技术具有更大的。因此, 对 SIP 封装的可靠性研究有着十分重要的意义。目前，国内能研发 3D SIP 封装的不多，其封装后的可靠性及其评价成为发展先进封装的关键性问题之一。由于 3D SIP 封装的复杂性，利用有限元分析方法研究复杂封装结构的热-机械应力应变的分布已成为目前研究 3D SIP封装可靠性的重要之一，因此，受欧比特控制工

3、程的委托，华南理工大学电子与信息学院针对该公司的相关三维封装模块采用有限元分析开展了“封装 SIP 可靠性研究。二、项目研究目的、内容、技术指标和技术路线2.1 研究目的本项目通过对三维 SIP 封装的热传导参数分析、热分布模拟仿真、热应力模拟仿真、热冲击模拟仿真和信号完整性仿真等，对封装模块可靠性所重点关注的热分布、应力分布以及信号完整性等问题进行研究，深刻理解封装失效的物理机理，为甲方给出的 SIP 封装结构的可靠性设计提供重要的参考依据。2.2 研究内容（1）SIP 封装模块的热力学分析：主要包括热传导参数分析和热分布分析；（2）SIP 封装模块的热应力及结构应力分析：主要包括热应力分布

4、和热冲击应力分析；2.3技术方法和路线（1）封装模块的热力学分析基于热力学原理，对封装结构的热源、热容量、热阻等热力学参数进行分析；建立封装结构的热力学本构方程，明确边界条件和初始条件；采用有限元分析方法，利用 ABAQUS对 SIP 封装进行建模，模拟封装体的温度分布；分析封装材料和结构对温度分布的影响，探讨封装可靠性设计的可能改进；(2) 封装模块的热应力分析基于热应力-应变的基础理论，建立封装模块热应力分析的本构方程，确立边界条件和初始条件；采用有限元分析方法，利用 ABAQUS对 SIP 封装进行建模，模拟封装模块中的热应力分布；研究相同的载荷条件下，封装材料属性如杨氏模量、热膨胀系数

5、和几何结构对封装体应力应变的影响。三、封装 SIP 温度及其热应力分布研究三维 SIP 封装结构复杂，存在多个生热源，通过功率载荷分析和散热理论能够很好地模拟多模块在实际工作中的温度及应力情况。功率分析过程中需要加载生热率，并且考虑空气对流对散热的影响。本章主要应用 ABAQUS，采用热力学与传热学理论，在考虑散热情况下，对 VD1D2G32封装 SIP 模块加载功率载荷进行数值模拟，并对模块的温度、应力分布情况进行。由于较多，为了简化模型，功率载荷只考虑主要的发热。3.1VD1D2G32 有限元分析建模3.1.1 VD1D2G32 的封装结构VD1D2G32 封装结构如图 3.1 所示。根据

6、欧比特提供的信息，其三维封装结构是将采用 COB 技术贴装到 PCB 基板上，再将多层 PCB 基板堆叠后进行灌封，经过切割成型、表面处理、激光雕刻后实现之间的互连。与PCB 基板之间通过引线键合相互连接。图 3.1 VD1D2G32 封装几何结构图VD1D2G32 各部分的尺寸如表 3.1 所示。表 3.1 VD1D2G32 封装的特征尺寸3.1.2有限元建模如前所述，VD1D2G32 三维封装是将采用 COB 技术贴装到 PCB 基板上，经引线键合工艺与 PCB 板形成互连，再将多层 PCB 板堆叠后进行灌封。由于封装结构复杂，为突出主要研究封装的可靠性，在有限元建模时忽略引线的影响，只对

7、、底板和灌封胶进行有限元分析。VD1D2G32 封装有限元分析的网格模型如图 3.2 所示，网格模型均采用六面体及其正四面体。图（a）整体有限元网格模型图（b）：剥离了塑封料的网络模型图 3.2：VD1D2G32 有限元网格模型基板、材料与器件尺寸MT46V64M1622.2210.161.2mm3底板29.810.950.6mm3塑封胶 129.810.950.9 mm3塑封胶 229.810.950.2mm33.1.3材料属性模型结构中材料分别被认为是各向同性、均匀分布的材料，材料的特性参数由供应商提供或取自文献，具体数值见表 3.3。表 3.3SIP 封装中所用材料的性能材料密度为C3D

8、8R单元。功率载荷下,量主要以热传导的方式向上存在生热率, 使上产生热量, 产生的热四周扩散, 在整个封装体内形成了以为热源的温度梯度，下面所有结果均是在稳定状态取得。模块的温度分布如图 3.3 所示，由于塑封体受温度影响较小，为了便于观察，图示模型皆剥离了塑封体，同时图示模型左上角的数值框可以很方便的看出视图结构中的数值分布以及数值的分布范围上的热量首先传递到塑封料和基板，然后再到外表面通过空气对流快速散发。温度梯度大的地方出现在的四周，而其他部位的温度梯度都较低，这是因为上的生热率均匀分布，使得整体温度变化不大，但四周和塑封料接触，塑封料并没有生热，初始温度较低，与温度较高的接触后温度变化

9、快，从而形成大的温度梯度。由前面加载的载荷可以知道，VD1D2G32 封装体有两个和底板堆叠外面加以塑封而成，这两个是封装体的主要热源，该工作消耗的功率为4.568W，仿真中特意取出的温度分布云图，如图 3.4。通过 ABAQUS仿真结果表明，VD1D2G32 封装体温度最大值位于一层中心位置，最大结温为 123.7oC，同时可以看出温度从中心位置到边缘逐渐降低，封装体表面最低温度是 91.9oC，仿真中看出封装体在热生成率载荷下温度随时间的增大而增大直到达到稳定状态。通过查询 MT46V64M161的 datasheet 了解到该工作的最大结温是150 oC。而仿真结果的最大温度为 123.

10、7oC，小于 MT46V64M161的最高工作结温，满足工作要求，但考虑到器件工作随工作结温的增大而大弧度减少，实际使用中建议使用散热装置，增大同外界的对流。（a）整体温度分布云图（b）剥离塑封胶的温度分布云图图 3.3封装体的温度分布云图图 3.4MT46V64M161 温度云图3.2.2 VD1D2G32 封装体热应力分布规律分析求解功率载荷下的应力分布只需要将前面求得的温度分布作为温度加载条件，更改分析步类型以及网格单元类型即可求出，图 3.6 显示了在加载温度分布载荷后整体的应力云图，在图 3.7 中明显可以看到各应力最大值出现在同塑封料相接触的边角处，且整个封装体应力最大值出现在第一

11、层的边角处，最大值为 64.4Mpa。以为研究对象，如需考虑疲劳可靠性设计，则优先考虑减少第一层的热应力。由于MT46V64M161 是整个封装体的主要热源，所以理论上这两层上的承受的应力及应变较大，仿真中验证了该结论。同时看出这两层上的热应力最大值出现的热源上，各热应力的极小值保持在的正中间，以此点为中心，上的热应力往外递增，即离中心愈远，热应力愈大，这也就导致应力的最大值出现在的四个边角处。对于整个封装结构而言，最大应力值是 64.4Mpa，足以满足力学方面的要求，对封装由于炸裂引的可靠性影响不大，建议优先封装体考虑温度设计。（a）封装体整体应力云图（b）剥离塑封胶后的封装体应力云图图 3

12、.6VD1D2G32 在温度载荷下的应力分布云图图 3.7：MT46V64M161应力云图3.3 小结本章分别研究了 VD1D2G32 在功率载荷下的温度分布及其相应热应力分布相关结论如下：1)封装体由于塑封料和基板的热传导率系数小，模块热扩散受到限制，温度主要集中在上，应要集中在和塑封料接触的界面上。VD1D2G32 封装体中温度最大值是 123.7oC，位于封装体的中心位置。2)MT46V64M1613)热应力最大值是 64.4Mpa，位于第一层MT46V64M161 同其它材料接触的边角上，仍然满足力学方面的要求，对封装由于炸裂引起的可靠性问题影响不大，但对贴片分层和焊点的疲劳和蠕变引起

13、可靠性问题还是有一定的影响。4)建议封装体可以使用适当的散热装置，降低封装体结温。四、 结论通过对三维封装新结构模块VD1D2G32的热传导参数分析，采ABAQUS进行温度分布模拟仿真、热应力模拟仿真，对可靠性所重点关注的温度和应力分布进行了研究，出了如下相关结论与可靠性设计参考意见：为 MT46V64M161，在封装体功率为 2.475W 的1)在封装模块中主要热源情况下，模拟结果显示稳态时封装体中的温度最大值是 123.7oC，位于第一MT46V64M161 的中心位置，通过查询 datasheet 可知模块设计的层热源工作温度基本上满足要求，但对于封装体温度而言相对过高，实际使用中可以通

14、过装备散热装置来降低封装体结温。2)在以上的功率载荷下热应力最大值为 64.4Mpa，位于第一层同其它材料接触的边角处。同样地，该应力对短期可靠性影响不大，但由于疲劳蠕变的作用对长期可靠性还是有一定的影响。4.1可靠性设计的参考意见1)在热载荷条件下，模块中产生的热应力虽然对短期可靠性没有太大影响，但由于疲劳和蠕变的长期作用，可使界面产生开裂、分层等失效模式，对焊点也有一定的影响，从而影响模块的长期可靠性。因此对封装材料的选择和工艺优化值得重视。2)在热冲击载荷下，模块的应力集中主要在与粘接材料和灌封料的界面上，塑封料和基板等其他材料体中的应力相对较小，从而容易在循环热载下在与粘接材料和灌封料的界面处产