无铅面阵列IC封装器件的板级可靠性研究

摘要

随着微电子封装技术的发展,出现了越来越多的微电子封装器件。面阵列器件中芯片尺寸封装(CSP),及球栅阵列封装器件(BGA)在IC封装中占有相当重要的地位。尤其是晶圆级芯片封装(WLCSP)正成为高端IC封装的主流技术。器件的板极可靠性是指 PCB板上所有部分的可靠性问题,而焊点可靠性问题是板级可靠性问题最重要的一部分。实践证明热作用是芯片封装组件失效破坏的主导因素,因此热循环条件下的焊点可靠性研究有着非常重要的意义。另一方面,由于电子工业对铅的禁止,无铅焊料成为当前的热点。为此,本文基于大型有限元软件Marc,对以应用无铅焊料的WLCSP形式的封装器件和目前最常用的PBGA封装器件进行模拟,并在此基础上对多种情况进行对比分析,以此评价各种因素对其可靠性的影响,从而来提高该封装的可靠性。
　　本文首先对无铅焊料的应用现状及目前封装可靠性问题进行了概述,并选用Sn95.5Ag3.8Cu0.7无铅焊料,对其蠕变特性进行了测试,并利用Garofalo-Arrheninus双曲线形公式对试验相关数据进行拟和,得出相关参数,并编制特定用户子程序,使得该模型得以在Marc中实现。随后,建立了PCB板上埋置微孔WLCSP器件和无微孔WLCSP的有限元二维模型,对两种不同结构的WLCSP器件的焊点进行了应力、应变分析和比较,并作了寿命预测和比较。接着,又建立了结构相对较复杂的PBGA器件,对其焊点,芯片进行了应力应变分析,并选用了另外两种焊料 Sn96.5Ag3.5和Sn63Pb37焊料,并对三种不同焊料的焊球的应力应变进行分析对比,同时比较了其在相同热循环加载条件下的热疲劳寿命并比较。最后,分析了其他因素焊点等效塑性应变,等效蠕变应变以及等效应力的影响。主要包括基板厚度,焊点高度和焊盘直径和不同基板材料这几种因素。

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第一章 绪论

§1.1论文研究的背景

§1.2论文研究现状及论文主要工作

第二章 无铅焊料的蠕变特性

§2.1蠕变理论介绍

§2.2 95.5Sn3.8Ag0.7Cu焊料蠕变性能的测试

§2.3试验测试结果分析

§2.3 本章小结

第三章 无铅WLCSP器件的可靠性有限元分析

§3.1 引言

§3.2 CSP器件的介绍[39]

§3.3 WLCSP的有限元模型

§3.4结果分析

第四章 无铅PBGA器件的可靠性有限元分析

§4.1引言

§4.2 BGA封装器件的概述

§4.3 PBGA的有限元模型

§4.4结果分析

§4.5几种不同焊料的焊点可靠性研究

§4.5本章小结

第五章 板级结构参数对无铅焊点可靠性影响分析

§5.1引言

§5.2 几何因素对CSP焊点可靠性的影响

§5.3基板材料对CSP焊点可靠性的影响

§5.4本章小结

第六章 论文总结与展望

§6.1论文总结

§6.2 主要创新点

§6.3 进一步研究的展望

参考文献

附录A SnAgCu有限元用户子程序

附录B SnAg有限元用户子程序

附录C SnPb有限元用户子程序

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