高低温载荷下环氧灌封结构热应力分析研究

摘要

随着电子技术和封装行业的飞速发展，电子产品功能的不断完善，对灌封器件性能的要求也日益增加。环氧树脂因其良好的介电性能、力学性能、粘接性能被广泛运用电子灌封行业，但环氧树脂固化后脆性大，耐热冲击能力差，使环氧灌封结构在高低温载荷下因内部热应力集中而出现树脂开裂、界面脱粘等问题，将影响灌封结构的完整性，甚至会引起结构的破坏。 目前大多数学者对于封装结构的热应力失效研究主要集中于QFN器件、CSP器件等较为成熟封装结构，有关灌封结构热应力的研究却较为罕见。本文将以环氧灌封结构为研究对象，采用有限元模拟与实验相互验证的方式，开展高低温载荷下两种树脂体系（活性增韧剂改性环氧树脂体系记为体系A，硅微粉填充环氧树脂体系记为体系B）制备的灌封结构热应力研究，对比分析灌封结构的内部失效情况，选出更适合该灌封结构的树脂体系。本文的主要内容如下： （1）制备与测试两种树脂体系浇注体在-40℃~75℃下的力学性能，观察力学性能随温度变化的曲线发现，体系B的强度、模量均大于体系A，但泊松比略小于体系A，并分析两树脂体系力学性能差异产生的原因，为有限元模拟计算提供材料参数基础。 （2）根据灌封模具设计标准，对灌封模具进行脱模及气密性优化设计，满足灌封模具整体要求。简述灌注过程中的重难点，对树脂脱泡条件、灌注真空度等灌注工艺进行合理设计，解决灌封结构制备过程中气泡残留、漏灌等问题，建立标准的灌封工艺规范。 （3）根据灌封结构尺寸及各部分相对位置建立灌封结构热力耦合模型，模拟出两种体系灌封结构在-40℃~75℃温度载荷下界面热应力的分布，结果表明：升温阶段，体系A/可伐界面（A界面）与体系B/可伐界面（B界面）处拉伸/剪切应力相当，均在1.40MPa~1.90MPa范围内；降温阶段，A界面剪切应力达到2.82MPa是B界面的两倍。根据界面热应力分布情况选择合适的内聚力模型模拟两种体系灌封结构界面脱粘情况，结果表明：当温度达到-40℃时A界面脱粘损伤因子高达0.9506，表示界面已完全脱粘失效；而B界面仅为0.0585，界面较为安全。相较而言，B界面高低温可靠性更好。 （4）树脂层热应力仿真计算结果显示，升温阶段两种体系树脂层各处热应力均小于20MPa，树脂无开裂倾向；当温度下降到-40℃，树脂A集中点处等效应力高达103MPa接近于树脂极限强度104.42MPa，表明树脂A有低温开裂的风险。 （5）开展环氧灌封结构高低温实验发现，灌封结构A嵌件底部与树脂交界处出现大量裂纹，且界面出现轻微脱粘现象。此外实验结果与模拟仿真结果平均偏差为28.01％，表明有限元计算方法的准确性与可行性。综合仿真与实验结果得出：树脂体系B制备的环氧灌封结构更适用于高低温变化的工况。 本文以环氧灌封结构为对象，建立了从原材料性能分析、模具制备及工艺优化、有限元模拟分析、高低温实验验证四个部分对两种树脂体系灌封结构进行热应力失效研究。综合仿真与实验结果，选出高低温载荷下使灌封结构可靠性更高的环氧树脂体系。此外本文的研究思路与方法同样适用于类似灌封结构的设计与制备。

目录

声明

第1章 绪论

1.1电子封装技术的发展

1.2常用灌封料

1.3环氧树脂灌封料组分及作用

1.4 环氧灌封结构失效模式

1.5 内聚力模型概念

1.5.1 有限元中内聚力模型的引入

1.6 环氧灌封结构研究现状

1.6.1封装结构界面失效

1.6.2环氧灌封开裂问题研究

1.7研究背景和意义

1.8本文创新点

1.9论文的主要内容与研究思路

第2章 环氧灌封料性能研究

2.1 界面剪切强度测试

2.1.1 界面粘接原理

2.1.2 实验方案设计

2.1.3 实验仪器与材料

2.1.4树脂体系的配比

2.1.5 单搭接试样的制备过程

2.1.6 单搭接剪切强度测试实验

2.1.7 实验结果讨论与分析

2.2 环氧灌封料力学性能温度相关性研究

2.2.1 实验仪器

2.2.2 固化工艺

2.2.3 树脂浇注体的制备

2.2.4 树脂浇注体力学性能温度相关性测试

2.2.5 结果与讨论

2.3环氧灌封料热膨胀系数的测定

2.4 本章小结

第3章 环氧灌封结构制备工艺研究

3.1 环氧灌封结构件介绍

3.2 真空灌封工艺

3.3 灌封模具的设计

3.3.1 模具材料的选用

3.3.2 模具气密性设计

3.3.3 脱模设计

3.3.4 其他设计

3.3.5 模具整体构造

3.4 灌注工艺流程

3.4.1 灌封装置的设计与组装

3.4.2 灌注流程

3.4.3 固化与脱模

3.5 灌注工艺的优化

3.6 本章小节

第4章环氧灌封结构热应力研究

4.1 环氧灌封结构尺寸

4.2 灌封结构有限元模型的建立

4.2.1 ANSYS有限元软件简介

4.2.2 热力耦合单元

4.2.3 材料参数的输入

4.2.4 有限元模型的建立

4.2.5 内聚力模型的引入

4.2.6 载荷的输入

4.3 结果分析与讨论

4.3.1 界面热应力分析

4.3.2 界面脱粘失效分析

4.3.3 树脂层热应力研究

4.4 本章小结

第5章灌封结构高低温实验验证分析

5.1 试验目的

5.2 灌封结构高低温实验

5.2.1 实验设备介绍

5.2.2 应变片布置方案

5.2.3 灌封结构高低温测试

5.3 实验结果分析与对比验证

5.3.1实验结果分析

5.3.2 实验结果与模拟结果对比验证

5.3.3 实验误差分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果