芯片尺寸封装（CSP）的热应力及热失效分析研究

摘要

电子器件封装以尺寸最小化和电互连密度最大化为特征，被誉为新一代封装-芯片尺寸封装(CSP)的产生，虽然间距尺寸和体积很小，但也存在一些问题。当前国内外关于芯片尺寸封装的试验研究还很少，基本还处于计算机模拟阶段。 本文首先总结了芯片尺寸封装几种结构类型和常见的失效机理，据此选择一种特定的芯片尺寸封装产品-CSP-SOC，利用ANSYS软件分别建立CSP-SOC有限元2D 1/2截面模型和3D 1/4模型，模拟CSP-SOC封装在标准工业热循环温度-40℃～125℃条件下，并运用APDL程序命令实现周期温度载荷的控制，得到上述温度循环条件下产生的热应力应变情况。然后从材料、设计等方面进行参数分析，同时对2D和3D结果进行线性和非线性分析比较，结合当前已有类似封装参考实验结果作热失效、寿命预测分析，改进并得到一种新的简化寿命预测方程，为今后的高密度封装奠定良好的基础。 研究结果表明封装本身由于各材料之间的热膨胀系数(CTE)不同，会产生热应力和应力集中现象，当强度低于热应力时候就会发生失效。封装整体变形位移最大在PCB板上。对焊球来说，应力应变最大发生在靠近外侧焊球上。对3D模型，由于多考虑了一个方向，发现整体弹性应变最大靠近焊球与基板结合处，填胶应变最小。整体封装应力应变最大发生在芯片边缘区域，靠近环氧树脂填充物和填胶，这也证明了CSP-SOC焊球放四周，避免放置芯片的下面的优点和结构的合理性。从应力应变分布结果和已有类似封装热循环试验对比，结果基本一致。对2D模型，虽不能看出另一方向应力应变，但从变形位移随时间变化图上，清晰的看出焊球最大变化位移随时间在X方向平稳上升，Y方向变化由于温度影响比较明显，出现陡增陡减后，第三个循环后趋于平稳。PCB应力应变在温度变化开始时随时间变化较大，后趋于平稳，这也验证PCB在工作时能为焊球和基板提供良好的支撑作用。 借助以能量为基础的疲劳模型和一种简化模型对焊球和封装整体寿命分析计算，结果对比表明，前者计算过程较复杂，但和后者寿命预测差别不是很大。改进并得到一种简化寿命预测方程，对比分析寿命预测结果和已有类似寿命试验表明，误差在10％，符合要求。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.1.1国际微电子封装的发展趋势

1.1.2我国微电子发展状况

1.2芯片尺寸封装(CSP)及类型介绍

1.2.1 CSP的定义

1.2.2 CSP的分类

1.3特定CSP-SOC(substrate on chip)

1.4国内外研究现状

1.5本文研究内容和研究意义

1.5.1论文研究内容

1.5.2论文研究意义

第二章理论基础

2.1引言

2.2线性分析

2.3非线性分析

2.4 Anand's模型

2.5疲劳模型

2.5.1基于应力-应变的疲劳模型

2.5.2能量为基础疲劳模型

2.5.3疲劳损坏模型

2.6本章小结

第三章CSP-SOC在热循环条件下的有限元模拟分析

3.1引言

3.2 ANSYS在电子封装的应用和模拟

3.2.1 ANSYS在电子产品中的热分析应用

3.2.2热循环模拟试验介绍

3.3建立CSP-SOC分析模型

3.3.1分析参数与材料参数选择

3.2.2 CSP-SOC模型的建立

3.4 2D和3D分析结果

3.4.1 2D分析结果

3.4.2 3D分析结果

3.5本章小结

第四章结果分析与讨论

4.1引言

4.2热失效及变形分析

4.3 2D和3D应变随时间变化分析

4.3.1非线性收敛分析

4.3.2热应力应变与时间关系分析

4.4参数变化分析

4.5模型分析与寿命预测

4.5.1以能量为基础的模型分析

4.5.2改进的寿命预测模型

4.5.3一种简化模型预测寿命的提出

4.6本章小结

第五章结论与未来展望

5.1结论

5.2未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间撰写和发表的论文