PoP堆叠芯片组件的振动疲劳可靠性研究

摘要

随着电子科学技术的发展以及大规模集成电路的普及，微电子技术也逐步形成和发展起来。微电子器件在电子产品中应用广泛，尤其是在各种移动设备中。在生产、运输和使用的过程中，微电子器件不可避免地会受到机械振动的影响，引起封装焊点失效，缩短设备的使用寿命。调查研究表明，封装焊点受应力作用而引起的开裂是微电子器件失效的主要原因。目前针对单层封装结构焊点的振动可靠性的已有一些研究，但是针对新型叠层封装PoP(package-on-package)的研究仍比较匮乏。本文针对PoP组件在振动载荷下的动态特性以及封装焊点的疲劳可靠性进行了测试和仿真研究，主要研究内容如下:
　　本文设计并制作了一块包含不同结构参数的PoP组件样品，采用力锤法对组件进行模态测试。在ME'scope软件中建立组件的模型，导入测试数据进行分析，得到样品在四角螺栓固定条件下前五阶的固有频率和模态振型。利用有限元分析软件ANSYS，建立了PoP组件的有限元模型，并对模型做了合理简化，进行模态仿真分析，得到了前五阶的固有频率和模态振型图。对比模态测试与仿真的结果，误差较小，振型基本一致，验证了模型的正确性，并分析了误差的来源。
　　本文对PoP组件进行了正弦振动的疲劳可靠性测试。通过扫频得到组件的共振频率，验证模态测试的正确性。进行了多组不同频率、量级下的正弦定频测试实验，实验数据采用雨流计数法进行处理，得到不同激励条件下的应变幅值，利用疲劳寿命经验公式和威布尔分布，分析了不同频率大小、量级、芯片位置、焊点个数对芯片焊点可靠性的影响。
　　本文对PoP组件进行了随机振动的疲劳可靠性测试与仿真。基于三带技术和线性疲劳损伤累积准则，处理实验数据，得到各芯片在随机振动激励条件下的寿命。利用ANSYS建立的模型，在模态分析的基础上，进行随机振动分析，得到随机振动下组件的应力应变云图，分析不同芯片焊点的应力变化趋势，找到关键焊点的应变，修正得到其等效应变幅值，利用经验公式计算仿真条件下芯片的焊点寿命。比较实验和仿真的结果，误差不大，变化趋势一致。
　　综上所述，本文主要通过动态特性测试、疲劳特性测试与有限元模拟仿真相结合的方法，分析PoP组件的振动可靠性，为PoP组件的优化设计和可靠性设计提供一定的参考和指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 微电子封装概述

1．2．1 微电子封装技术的发展

1．2．2 3D封装

1．2．3 PoP封装

1．3 微电子封装的可靠性研究

1．3．1 微电子封装的可靠性

1．3．2 微电子封装可靠性的国内外研究现状

1．4 课题主要研究内容和意义

1．4．1 课题研究内容

1．4．2 课题研究意义

第二章 PoP组件样品的制备与模态测试

2．1 PoP组件样品的制备

2．2 模态分析的理论基础

2．2．1 模态分析概述

2．2．2 振动系统分析理论概述

2．2．3 多点激励、单点响应的理论模型

2．3 PoP组件的模态测试

2．3．1 测试方法的确定

2．3．2 拾取点和敲击点的确定

2．3．3 模态测试试验设备

2．3．4 测试原理及过程

2．4 测试数据分析

2．5 模态测试结果

2．6 本章小结

第三章 PoP组件有限元模型的构建与分析

3．1 有限元分析的基本理论

3．1．1 有限元法概述

3．1．2 ANSYS有限元分析软件简介

3．2 PoP组件有限元模型的构建

3．2．1 PoP组件的模型建立与简化

3．2．2 网格划分与约束

3．3 模态仿真分析结果

3．3．1 模态测试与仿真分析结果对比

3．3．2 误差分析

3．4 本章小结

第四章 PoP组件的疲劳特性测试与分析

4．1 测试原理与设备

4．1．1 测试实验原理

4．1．2 电阻应变计的测量原理

4．1．3 测试实验的主要设备

4．1．4 测试系统的连接

4．2 数据处理方法与疲劳可靠性统计

4．2．1 雨流计数法简介

4．2．2 疲劳寿命经验公式简介

4．2．3 威布尔分布统计方法简介

4．3 正弦振动疲劳可靠性测试

4．3．1 正弦振动测试实验设置

4．3．2 正弦定频疲劳测试实验设置

4．3．3 可靠度对比分析

4．4 随机振动测试实验与仿真分析

4．4．1 随机振动疲劳测试实验设置

4．4．2 CDI与三带技术简介

4．4．3 随机振动测试实验与仿真分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果