无铅塑料球栅阵列封装热失效分析及可靠性研究

摘要

随着人们环保意识的增强，传统型SnPb焊料将会被绿色环保型无铅焊料替代，无铅器件热分析和可靠性问题已经成为国内外微电子封装研究的热点。温度循环实验是研究电子器件实际服役条件下热失效和可靠性的常用方法，有限元分析方法可以全面、方便地得到研究对象的应力、应变解，提高失效分析效率，降低设计成本。
　　 本文利用可程式高低温实验箱，对无铅塑封球栅阵列芯片进行温度循环实验，采用高倍显微镜观察焊球形貌变化、基板裂纹生长，分析芯片失效机制。采用电学性能测试装置测量无铅芯片在温度循环实验前后焊点间电阻值，分析电阻值的变化对芯片性能的影响。实验结果表明：芯片上焊球分布不均匀处焊球形貌变化和基板裂纹萌生的几率大。温度循环实验没有造成芯片电路断路或短路，但会导致芯片上焊点间电阻不成比例增长，使芯片电性能降低，电阻失配，可靠性降低。运用ANSYS有限元软件，对无铅塑封球栅阵列器件进行温度循环载荷下热应力模拟。模拟结果表明，无铅球栅阵列封装器件上的应变、应力最大点均发生在焊球分布不均匀处。焊球与芯片基板、PCB板连接处易产生热疲劳，导致裂纹的萌生与生长，最终导致器件失效。焊球的均匀排布有助于提高器件的可靠性。模拟结果与实验结果一致，证明有限元模拟方法的正确性与可行性。时间历程后处理发现，随时间增加，器件危险点的Y向应力、塑性应变、弹性应变和总应变均呈周期性变化，并在几个温度循环周期后达到稳定。在器件结构相同的情况下，无铅器件所受应力、应变比有铅器件大，大应力和应变可导致焊点断裂、芯片基板裂纹萌生与生长，最终导致器件失效。提高无铅器件的可靠性，需要寻找与无铅焊球材料热匹配的其他材料或者与有铅焊球材料物理特性、电学特性相近的无铅焊球材料。本文的研究对于提高无铅塑封球栅阵列芯片可靠性具有一定的参考意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 微电子封装技术

1.2.1 微电子封装工程的发展趋势

1.2.2 无铅球栅阵列封装技术的发展

1.3 无铅塑料球栅阵列封装的国内外研究现状

1.3.1 国内研究现状

1.3.2 国外研究现状

1.4 本文研究意义及主要研究内容

1.4.1 本文研究目的和意义

1.4.2 本文主要研究内容

第2章 封装材料的本构模型及有限元分析方法

2.1 焊点的力学行为

2.2 统一型Anand方程及其材料参数的确定

2.2.1 统一型Anand方程

2.2.2 Anand方程材料参数的确定

2.3 有限元模拟方法及应用软件介绍

2.3.1 有限元模拟方法

2.3.2 应用软件介绍

2.4 本章小结

第3章 无铅PBGA封装芯片可靠性的实验研究

3.1 实验样品、仪器及实验过程

3.1.1 实验样品

3.1.2 实验仪器

3.1.3 实验规范

3.2 温度循环条件与周期数对焊球的影响

3.2.1 温度循环条件对焊球形貌的影响

3.2.2 温度循环周期数对焊点形貌的影响

3.2.3 易失效焊球位置

3.3 温度循环条件与周期数对芯片基板的影响

3.3.1 芯片基板上裂纹的生长

3.3.2 芯片基板上易产生裂纹位置

3.4 温度循环对焊点间电阻的影响

3.5 本章小结

第4章 无铅塑封球栅阵列封装器件热应力模拟

4.1 无铅塑封球栅阵列芯片的二维有限元模型

4.1.1 简化二维模型

4.1.2 建模过程

4.1.3 设定边界条件及加载温度循环

4.2 有限元模拟结果与分析

4.2.1 器件热应力和应变分布

4.2.2 危险点应力应变动态特性

4.3 本章小结

第5章 焊球分布及材料选择对器件可靠性的影响

5.1 焊球分布对器件可靠性的影响

5.1.1 焊球均匀分布器件的几何构形

5.1.2 模拟结果对比分析

5.2 焊球材料选择对器件可靠性的影响

5.2.1 有铅器件模型的材料参数及本构模型参数

5.2.2 模拟结果对比分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢