系统级封装器件在热-机械、湿热应力影响下可靠性分析

摘要

周围环境中的热、湿因素影响是微电子封装器件的主要失效模式之一。目前业内针对热-机械应力、湿热应力影响下的可靠性分析主要集中在单芯片元件上,针对具有广阔发展前景的系统级封装器件所做的研究并不多见。本文在国家自然科学基金项目“微电子封装中的界面层裂失效和界面强度可靠性设计方法”的资助下,针对系统级封装器件在热、湿因素影响下的一系列可靠性问题进行了探究。主要内容包括:
　　1.为了预测系统级封装器件无铅焊点疲劳寿命,采用蠕变剪切试验获得Sn96.5Ag3.5无铅焊料蠕变特性试验数据。利用Garofalo-Arrheninus双曲线形公式对试验数据进行拟合,得出相关参数,并编制特定有限元用户子程序。
　　2.选用CSP外形的系统级封装器件进行温度循环条件下的有限元仿真。分析了芯片所受热应力大小、封装体的翘曲程度、焊点所受应力/应变情况。计算了系统级封装器件焊点疲劳寿命并与单芯片器件PBGA焊点疲劳寿命进行比较。
　　3.比较了不同放置环境下,系统级封装器件内部不同材料界面间湿气扩散情况;比较了恒温解吸潮及无铅回流焊解吸潮过程后器件内部的潮湿度分布。使用一种新颖的湿热因素直接耦合的方法计算湿、热合成应力并与单纯考虑热应力的情形进行对比。
　　4.考察了不同顶部芯片悬置长度及不同芯片厚度比情形对顶部芯片应力集中的影响。分析并比较了不同PCB基板厚度、EMC高度、芯片尺寸下系统级封装器件的焊点疲劳寿命。
　　研究结果表明:(1)具有微孔的复杂 FR-4基板可以缓解系统级封装器件在使用中产生的翘曲问题,但微孔的存在使焊点所受的应力/应变增大。其焊点寿命低于组装于无微孔 FR-4基板的系统级封装器件焊点。芯片数目的增多,使系统级封装器件相比单芯片PBGA器件焊点寿命有所降低。(2)叠层芯片间的芯片粘结剂在湿气扩散及解吸潮过程中存在较多水分,有可能在无铅回流焊阶段随着水分蒸发产生蒸汽压而导致界面分层开裂现象的发生。同等载荷条件下的湿热合成应力是单纯热-机械应力的约1.3~1.5倍。(3)选择相对较小芯片悬置比及相对较大的芯片厚度比的芯片堆叠方式可以有效的缓解顶部芯片的应力集中现象。PCB基板厚度、EMC高度、芯片尺寸变化对焊点的塑性应变影响较为明显,对于焊点蠕变应变影响较小。
　　本文研究成果总结出可能影响封装可靠性的一些因素与规律,对系统级封装器件的设计提供一定的参考依据。

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第一章 绪 论

§1.1 课题研究背景和意义

§1.2 论文研究背景及现状

§1.3 论文研究内容及其创新工作

§1.4 学位论文结构及研究路线

第二章 系统级封装技术简介

§2.1 系统级封装技术介绍

§2.2 系统级封装器件制造流程

§2.3 系统级封装可靠性探究

§2.4 本章小结

第三章 基础理论与数学模型

§3.1 热——机械应力理论

§3.2 温度－潮湿在微电子器件中的扩散行为

§3.4本章小结

第四章 叠层封装SIP芯片热应力分析及焊点寿命预测

§4.1 Sn96.5Ag3.5焊料蠕变性能测试

§4.2叠层系统级封装器件的有限元模型

§4.3结果分析

§4.4本章小结

第五章 潮湿扩散及湿热应力对系统级器件可靠性的影响

§5.1有限元模型与材料特性

§5.2吸潮过程的有限元计算和分析

§5.3解吸潮过程的有限元计算和分析

§5.4综合考虑湿、热应力情况下系统级芯片可靠性分析

§5.5本章小结

第六章SIP堆叠方式最佳化探究及结构参数对焊点寿命的影响

§6.1芯片悬置比对芯片应力的影响

§6.2芯片厚度比对芯片应力的影响

§6.3封装结构参数对焊点寿命的影响

§6.4本章小结

第七章 全文总结与展望

§7.1 本文主要结论

§7.2 进一步研究的展望

参考文献

附录A 有限元用户子程序

附录B EMC粘弹性材料参数

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢