基于子结构方法的微电子集成电路封装互连焊球可靠性的建模与仿真

摘要

子结构方法作为一种自由度减缩方法非常适合于大型结构的求解，目前已经在多个行业中得到应用。使用子结构方法首先将总体结构划分为若干个子结构，然后对各子结构进行内部自由度降阶，用经过降阶后的子结构组装原来的总体结构进行求解，最后再根据组装结构的求解结果返回到各子结构中进行计算。这种化整为零的方法对于包含大量自由度的结构分析具有极大优势。
　　 封装结构中包含板级、芯片级、晶圆级等多尺度部件，进行焊点可靠性的建模仿真是典型的跨尺度问题。为了得到较为精确的计算结果，在封装结构焊点可靠性分析中需要对焊点进行精细的网格划分，因而与焊点相邻的其它部件网格数目也相应增加，往往致使总体求解规模极为庞大，因此有必要将子结构方法应用到焊点可靠性研究中。
　　 封装热循环中焊点可靠性分析是一种稳态分析，可以使用静态子结构法进行分析。在本文中，首先根据单位温度加载的分析结果将焊球分为关键焊球与非关键焊球两组，对非关键焊球使用静态子结构法进行静凝聚，然后再进行温度循环分析。为了保证计算精度将温度循环范围划分为5个阶段，因此分别在6种温度下对焊点进行静凝聚。结果发现仅仅对非关键焊球使用子结构方法进行计算的情况下，子结构方法比完全非线性方法单元数少11％同时计算机时却节约了35％。
　　 跌落试验分析是焊点可靠性研究的重要内容，按照JEDEC标准进行的跌落仿真倘若建立整个跌落块进行仿真分析计算规模极大，因此很多学者提出了只对板及芯片进行仿真的跌落等效分析方法。大质量法（Large Mass Method）、直接加速法（Direct AccelerationMethod）与输入位移法（Input-D Method）是目前跌落分析的三种等效方法。
　　 本文将三种等效方法进行比对发现直接加速法与输入位移法计算速度相近，而大质量法计算时间较长。有限次跌落并不使板上的芯片同时失效，很多研究表明在跌落试验板靠近角边螺栓孔位置的芯片最易于破坏。为了对跌落试验板靠近角边螺栓孔位置芯片上的焊点进行可靠性研究，本文提出了以上三种等效方法的动态子结构方法，并对三种动态子结构方法计算效率进行了比较。比较的结果与前面一致，仍然是使用大质量法对应的子结构方法计算时间最长，其余两种动态子结构方法计算时间相差不大，但输入位移法对应子结构方法的计算时间稍短。将三种跌落隐式方法与相对应的动态子结构方法进行比较，发现使用动态子结构方法计算单元数为对应的等效方法的1/7，计算时长是对应等效方法的1/3。
　　 最后本文使用输入位移法对应的子结构方法对跌落试验板靠近角边螺栓孔位置芯片的焊点大小、焊点高度、焊点间隔、芯片厚度进行了可靠性研究。结果发现最易于破坏的焊点是芯片最靠近螺栓孔的焊点，最易于失效的位置位于焊点下表面；芯片厚度越大跌落中焊球产生的应力越大；焊点应力随焊点直径和焊点高度的增加而下降，随焊点间距增加而上升。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 前言

1.2 焊点可靠性问题

1.3 焊点可靠性研究概况

1.4 子结构方法

1.5 子结构方法应用概况

1.6 本课题研究意义和内容

第2章 静态子结构法求解步骤与基本原理

2.1 前言

2.2 静态子结构法基本原理

2.3 热循环静态子结构分析方法

第3章 叠层封装结构热循环分析的静态子结构方法

3.1 前言

3.2 分析模型

3.2.1 模型结构尺寸

3.2.2 材料属性

3.2.3 热循环加载条件

3.2.4 单元选择与网格考虑

3.3 热循环的子结构方法

3.3.1 确定关键焊球位置

3.3.2 计算等效弹性模量

3.3.3 子结构方法计算

3.4 计算结果与讨论

3.5 小结

第4章 动态子结构方法基本原理

4.1 前言

4.2 固定界面模态综合法基本原理

4.2.1 子结构物理坐标的模态坐标转换

4.2.2 子结构在模态坐标下的运动方程

4.2.3 模态坐标下的非耦合独立的运动方程

4.2.4 组装广义坐标下的系统方程

4.3 芯片跌落焊点可靠性分析的动态子结构法

第5章 芯片跌落焊点可靠性分析的动态子结构方法

5.1 前言

5.1 跌落试验

5.2 跌落等效隐式分析理论

5.3 跌落模拟分析

5.3.1 分析模型

5.3.2 材料属性

5.3.3 加载方式

5.4 三种等效隐式方法分析比较

5.5 三种等效方法的子结构方法比较

5.6 小结

第6章 跌落芯片及焊点尺寸分析研究

6.1 前言

6.1 分析模型

6.2 不同设计变量对焊点应力的影响

6.2.1 应力随焊球大小的变化

6.2.2 应力随焊球直径的变化

6.2.3 应力随焊球间距的变化

6.2.4 应力随芯片厚度的变化

6.3 小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果