模塑封装工艺的数值模拟

摘要

微电子器件封装完成后器件的热-机械应力和翘曲变形是微电子封装工业关注的问题之一。从器件失效的根源来看,许多热-机械可靠性问题都和模塑封装工艺完成后器件内部的应力和翘曲变形有关;封装完成后器件内部的应力值超过一定范围就会在封装体内产生损伤或缺陷,在后续的生产工艺以及产品的使用过程中的热-机械载荷作用下,这些微小的缺陷或损伤会扩展、汇合而形成宏观裂纹,直接导致器件的失效、引起界面脱层或间接引起其它材料失效,如焊点的裂纹或疲劳失效等。因此,对模塑封装工艺完成后器件的热-机械应力和翘曲变形进行研究是很有必要的。
　　本文考虑树脂固化应力的影响,针对模塑封装工艺完成后器件内部的应力和翘曲变形问题进行了研究。研究内容如下:
　　本文采用一个扩展的基于时间-温度、时间-固化度等效原理的热粘弹性本构关系来描述材料在固化过程中的粘弹性行为;采用示差扫描量热法(DSC)对塑封材料进行实验研究,得到玻璃化转变温度、固化度间的关系以及固化反应动力学模型参数;固化动力学模型的参数将作为有限元软件中新功能模块的输入参数。
　　本文采用参数化建模的方法,建立了PBGA的二维有限元模型,使用有限元软件对其封装工艺进行了数值模拟分析;分析了在固化工艺结束后封装体各个器件上应力应变分布情况和器件在垂直方向的变形,计算出PBGA器件中硅芯片的垂直失效率,分析了作为填充料球状融凝态二氧化硅的百分比高低以及EMC、硅芯片和基板的厚度变化对整体变形的影响。
　　本文建立了HVQFN的三维有限元模型并模拟其封装工艺过程,分析了工艺结束后器件的应力分布和整体变形。分析了芯片内部和EMC内部的应力,通过切片显示找出了危险点,并选取典型路径研究器件内部应力分布的趋势。
　　本文研究结果表明:作为填充料球状融凝态二氧化硅百分比越高,翘曲变形越小;增加EMC的厚度可以降低固化后的翘曲变形程度,硅芯片厚度过薄会使得器件在固化工艺完成后的翘曲变形有所增加,相对较薄的FR4基板可以降低翘曲变形的数值。对三维有限元模型最后的应力状态进行切片分析,能清晰的显示出器件内部节点上的应力分布状况,找出危险应力点。
　　本文的结果对改善封装工艺和提高器件的可靠性有一定的参考价值。

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目录

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

第二章 基础理论与数学模型

§2.1 热应力和热应变

§2.2 热传导理论

§2.3 有限元理论

§2.4 高聚物的力学特性

§2.5 EMC的粘弹性本构关系

§2.6 本章小节

第三章 EMC材料实验与模型

§3.1 EMC的固化反应动力学

§3.2 EMC在固化过程中的DSC实验研究

§3.3 本章小节

第四章 PBGA封装器件的翘曲和应力分析

§4.1 PBGA器件的参数化有限元模型

§4.2 模拟结果分析

§4.3 不同配方的EMC对翘曲变形的影响

§4.4 封装结构参数对翘曲变形的影响

§4.5 本章小节

第五章 HVQFN封装器件的翘曲和应力分析

§5.1 HVQFN的有限元模型

§5.2 模拟结果分析

§5.3 本章小节

第六章 总结与展望

§6.1 本章小节

§6.2 进一步研究的展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果