球栅阵列尺寸封装的有限元法模拟及焊点的寿命预测分析

摘要

目前微电子球栅阵列尺寸封装(BGA/CSP)正成为高端IC封装的主流技术.而焊点可靠性问题是发展BGA/CSP技术需解决的关键问题之一.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.为此,该文基于大型商用有限元软件ANSYS,对BGA/CSP形式的封装进行模拟,并在此基础上对多种情况进行对比分析,以此来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.该文又在焊点本构模型的构建方面作了一个尝试,以此为能对焊球找到一种更好的描述奠定基础.该文首先对芯片封装及其可靠性分析方法及现状进行了概述,并对相关理论方法作了介绍.随后,通过参数化编程建立典型结构的BGA/CSP形式封装的三维模型,对此进行了应力、应变分析,并作了寿命预测.接着,又在上述分析的基础上,比较了同种封装的不同模型(如条形模型,1/4模型,1/8模型)、相同焊球材料的不同本构模型、不同寿命预测模型、不同焊球尺寸及网格密度等方面对寿命预测的影响.最后该文综合了两种典型的焊球本构方程构建了新的本构模型,再通过不同算法(如最小二乘法、遗传算法、试凑法)对焊球材料进行了曲线拟合,并对此作了比较分析.该文针对相关问题,通过FORTRAN语言和ANSYS软件自带的程序设计语言(APDL)作了二次开发,编写了相关程序,从而能够更方便、更高效地利用ANSYS有限元软件来实现芯片封装的模拟分析.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1前言

1.2微电子封装技术

1.2.1微电子封装技术的发展历程

1.2.2微电子封装技术的现状及发展趋势

1.2.3 BGA/CSP封装技术

1.3微电子封装的可靠性问题

1.3.1焊点的可靠性问题

1.3.2焊点可靠性问题的研究方法及现状

1.4焊球材料的力学行为及本构方程

1.5微电子封装的寿命预测模型

1.6本论文研究的目的、意义和内容

1.6.1研究目的和意义

1.6.2研究内容

第二章封装材料的本构理论及寿命预测方法

2.1封装材料的本构理论

2.1.1线性材料的本构模型

2.1.2非线性材料的本构模型

2.2寿命预测方法

2.2.1以塑性变形为基础的寿命预测模型

2.2.2以蠕变变形为基础的寿命预测模型

2.2.3以能量为基础的寿命预测模型

2.2.4以断裂参量为基础的预测模型

2.3寿命预测的分析过程

第三章热循环加载条件下的寿命预测方法

3.1芯片叠层球栅阵列尺寸封装模型

3.1.1条形模型

3.1.2 1/8模型

3.1.3 1/4模型

3.2材料模式及单元类型选择

3.2.1基于Anand本构模型的焊球材料参数设定

3.2.2基于Wong本构模型的的焊球材料参数设定

3.2.3基于Darveaux本构模型的的焊球材料参数设定

3.3模型边界条件及热循环加载条件

3.4寿命预测方法的实现

3.4.1以能量为基础的寿命预测方法

3.4.2以蠕变变形为基础的寿命预测方法

3.5能量密度的提取

3.5.1能量密度提取的程序实现方法

3.5.2程序验证

3.6子模型法

3.6.1子模型法介绍

3.6.2子模型法的分析过程

3.6.3在循环加载中子模型分析的实现方法

3.6.4程序验证

第四章热循环加载条件下的寿命预测结果分析

4.1基于两种不同寿命预测法的结果比较

4.2热循环模拟次数对焊球寿命预测的影响

4.3条形模型、1/8模型和1/4模型的结果比较分析

4.4网格密度对焊球寿命预测的影响

4.5基于三种不同焊球材料本构模型的能量法预测比较

4.6焊球模型尺寸对焊球寿命的影响

第五章综合材料模型的寿命预测

5.1两种常用本构模型的比较

5.2曲线拟合

5.2.1初始参数范围的确定

5.2.2参数的确定

5.3结果比较分析

第六章总结与展望

参考文献

攻读学位期间参加的科研工作与发表的论文

致谢