QFN器件的湿热应力及在无铅回流焊中的可靠性分析

摘要

塑封电子器件吸湿并导致器件出现层间开裂,一直是电子器件的主要失效形式之一。随着封装器件向小型化、微型化发展,潮湿对电子器件可靠性的影响也越来越大,因此对潮湿引起的器件失效问题的研究显得越来越重要。
　　本文得到国家自然科学基金项目“微电子封装用高聚物的热-机械疲劳损伤研究”资助,针对潮湿引起的器件界面层裂问题,着重对封装材料DMA实验和数值模拟两方面的研究,具体内容主要包括以下几方面:
　　1.本论文以环氧模塑封装材料为主要研究对象,研究它的粘弹性行为。以基于时间-温度等效原理的粘弹性本构关系来描述 EMC材料的粘弹性行为。采用 DMA试验方法对材料的有关参数进行了表征。
　　2.选用QFN器件作为研究对象,首先分析和模拟热传导、潮湿在QFN器件中的扩散行为以及在无铅回流焊过程的解吸附行为,其中计算模型的提出具有一定的创新性;然后建立湿气预处理阶段和在无铅回流焊接过程中的蒸汽压力计算模型,用以描述潮湿对封装可靠性的影响;接着,综合热应力、湿应力和蒸汽压力得到集成应力,描述在无铅回流焊过程中器件内部所受应力的影响。
　　3.最后,采用基于裂纹尖端 J积分判据,对吸湿后的器件在不同位置和不同裂纹长度的初始裂纹进行J积分计算,分析它们对裂纹扩展的影响。
　　全文研究成果,对于深入理解潮湿扩散行为,合理计算蒸汽压力及后续研究中建立界面层裂的控制方程具有重要意义。

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第一章 绪 论

§1.1 论文研究的背景

§1.2 论文研究现状

§1.3 论文主要研究内容

§1.4 小结

第二章 QFN封装简介

§2.1 QFN封装简介

§2.2 QFN封装器件的制造工艺[32]

§2.3 QFN封装器件的特性[33]

§2.4 QFN封装可靠性探究

§2.5 小结

第三章 基础理论与数学模型

§3.1 时－温等效与转化原理

§3.2 高聚物的动态力学表征

§3.3 温度－潮湿在微电子器件中的扩散行为

§3.4 潮湿蒸汽压力的计算

第四章 环氧模塑封装材料特性研究

§4.1 概论

§4.2 模塑封材料的粘弹性本构模型

§4.3 模塑封材料的DMA分析

§4.4 小结

第五章 有限元建模与材料特性

§5.1 QFN几何尺寸及有限元网格划分

§5.2 热传导和潮湿扩散模型建立所需参数

§5.3 应力模拟材料特性

§5.4 载荷加载情况

§5.5 小结

第六章 湿－热环境下对塑封器件的可靠性影响研究

§6.1 热传导和潮湿扩散的有限元计算和分析

§6.2 潮湿蒸汽压力的有限元计算和分析

§6.3 结合热应力、湿应力和蒸汽压力探讨对QFN器件的影响

§6.4 小结

第七章 封装器件裂纹扩展分析

§7.1 断裂力学理论及其在电子封装可靠性中的应用

§7.2 QFN器件的J-积分有限元分析

§7.3 小结

第八章 总结与展望

§8.1 本文主要结论

§8.2 主要创新点

§8.3 进一步研究的展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢