褚华斌SiP封装锂电池保护模块可靠性分析课件

褚华斌1吴志伟1陈素鹏1李志博2李国元21-广东省粤晶高科股份有限公司2-华南理工大学SiP封装锂电池保护模块可靠性分析9/21/20231广东省粤晶高科股份有限公司褚华斌1吴志伟1陈素鹏1李志博2李国元2SiP封大纲锂电池保护电路及市场应用简介可靠性分析的必要性分析模型建模湿扩散和湿应力模拟热应力模拟MSL-1试验结果和验证功率载荷模拟分析总结9/21/20232广东省粤晶高科股份有限公司大纲锂电池保护电路及市场应用简介8/8/20232广东省粤晶锂电池电芯＋锂电池保护电路就构成了完整的成品锂电池。保护电路起着过充电、过放电、过电流和温度保护，是锂电池安全运行的伴侣，不可缺少。本项目是将传统的锂电池保护电路通过先进的封装技术SiP封装集成在一个LGA(焊盘网格阵列)微型模块里面，使得外形轻、薄、短、小、可靠性高和综合制造成本更低，主要用作单节锂电池的保护电路，可广泛应用于对外形敏感的各类手持消费电子产品，市场容量无比巨大。锂电池保护电路及市场应用简介8×3.0×1mm30×3.5×2mm9/21/20233广东省粤晶高科股份有限公司锂电池电芯＋锂电池保护电路就构成了完整的成品锂电池。保护电路将传统的完整锂电池保护电路SiP封装成LGA微型模块。LGA外形因子极小，也采用SMT贴装。LGA内部混装了2～4个电阻、1个电容、3只硅芯片（包括IC和功率MOSFET）。LGA高集成度封装，PCB载板和塑封材料热阻高，且内含总电源回路路线，所以功率（热量）密度成倍提高。基于PCB的LGA封装还具有较大的湿敏特性。综以上，本文模拟分析了该模块的耐湿、热环境和功率加载条件下的可靠性。可靠性分析的必要性9/21/20234广东省粤晶高科股份有限公司将传统的完整锂电池保护电路SiP封装成LGA微型模块。可靠性分析模型建模各部分尺寸单位/mm基板8×3.0×0.5芯片10.5×0.5×0.2芯片20.8×0.8×0.2无源元件1.97×0.5×0.3塑封材料厚度0.5粘接材料厚度0.03焊料厚度0.03焊盘厚度0.035模型要素与尺寸9/21/20235广东省粤晶高科股份有限公司分析模型建模各部分尺寸单位/mm基板8×3.0×0.5芯片1相对湿度

相对湿度为1时表示吸湿已达饱和状态，可见在经过84小时后，塑封材料和基板的大部分已达到饱和状态，而粘接层大部分未饱和，只在靠近塑封材料的边角上接近饱和。这是由于粘接层处于芯片和焊盘之间，湿气只能通过与塑封材料相接的部分传进来，因此粘接层的吸湿速率很慢，也造成粘接层的湿气梯度较大。吸湿168小时后，相对湿度最小值出现在粘接层2的中心处，为0.969已经非常接近1，可认为封装体内部已基本饱和。16h@双8584h168h9/21/20236广东省粤晶高科股份有限公司相对湿度相对湿度为1时表示吸湿已达饱和状态，可粘接层中心的相对湿度与时间的关系曲线

9/21/20237广东省粤晶高科股份有限公司粘接层中心的相对湿度与时间的关系曲线8/8/20237广东16h@双8584h168h

可见湿应力随着时间增长而增大，但其分布则基本保持一致。湿应力最大值出现在芯片2下面的焊盘边角上。湿应力较大的地方还分布在塑封材料与芯片相接触的界面上，以及焊料与无源元件、焊盘相接触的界面上，而粘接层与芯片、焊盘的接触界面的湿应力分布则较小。湿应力分布9/21/20238广东省粤晶高科股份有限公司16h@双8584h168h可见湿应力随着时间芯片上湿应力分布

芯片上的湿应力分布如左图所示，芯片1的最大湿应力出现在与塑封材料接触的边角A点上，达到58.4MPa；芯片2的最大湿应力也出现在与塑封材料接触的边角B点上，达到86.9MPa。此微型LGA模块在实际使用时，芯片2是最大的热源，温度最高，所以芯片2上的湿应力分布对器件可靠性有较大影响。湿应力分布主要与材料的吸湿特性和界面分布与面积有关，所以可以从上述方面加以改善。9/21/20239广东省粤晶高科股份有限公司芯片上湿应力分布芯片上的湿应力分布如左图所示，回流焊热应力模拟

通过对回流焊在250℃峰值温度下的热应力仿真，结果显示热应力主要集中在芯片2下方的粘接材料和铜焊盘上。左图为芯片2下方的粘接材料和铜焊盘上的热应力分布，可见在它们的边角上出现最大的热应力，容易引起分层。引起热应力的主要原因是各种材料的热膨胀系数失配，而材料的几何尺寸也对热应力分布有影响。9/21/202310广东省粤晶高科股份有限公司回流焊热应力模拟通过对回流焊在250℃峰值温度实验结果与验证MSL-1可靠性试验前后SAT扫描照片芯片2粘结层截面SEM图都证实了以上的湿热环境模拟结果，分层发生在芯片2下方的铜焊盘边角与粘结料界面处。9/21/202311广东省粤晶高科股份有限公司实验结果与验证MSL-1可靠性试验前后SAT扫描照片芯片2功率加载分析温度分布热应力分布芯片2的应力和与塑封料、粘结料界面的剪切应力分布芯片破裂和界面分层是高水平机械应力下的常见失效模式。因此，通过计算机模拟也分别发现，高功率载荷下芯片2边角处的应力和其界面的剪切应力最大。硅芯片的断裂强度大约是140MPa，所以在各处和各种机械应力作用下，有可能发生芯片破裂和芯片界面处分层。所以可以从芯片面积、基板热沉布线、材料的CTE匹配等方面综合设计缩小热应力影响。9/21/202312广东省粤晶高科股份有限公司功率加载分析温度分布热应力分布芯片2的应力和与塑封料、粘结料总结本文完成了对SiP封装锂电池保护模块的可靠性分析：与普通的MSL-1水平的金属引线框架封装相比，SiP封装LGA微型模块具有较大的热敏、湿敏特性。在湿热环境下，导致的机械应力主要分布在芯片边角与塑封料、基板镀金铜焊盘边角与塑封料的接触界面上。改善材料吸湿特性，减小湿气分布梯度和不同材料间的界面分布与面积将减小湿应力。功率加载模拟分析，模块温度上升，芯片2成为主要热源，由此引起的热应力导致芯片2边角处的应力和其界面的剪切应力最大，将可能导致芯片破裂和界面发生分层。所以可以从芯片面积、厚度、基板热沉布线、材料的CTE匹配等方面综合设计缩小热应力。下一步将充分考虑上述可靠性分析结果，再通过优化模块结构、选择合适的材料、改善基板布线和尺寸等手段