高密度MCM-L的散热及热机械可靠性研究

高密度MCM-L的散热及热机械可靠性研究

论文摘要

本文结合国内下一代超级计算机中央处理器(CPU)高速度、高密度、高性能封装形式的需要,以某超级计算机CPU拟采用的积层多层有机基板多芯片模块(MCM-L)为研究对象,从散热和热机械可靠性两方面对其进行了较为深入的研究。 所设计的多芯片模块中有七个芯片,每个芯片都通过1268个面阵排列的PbSn共晶凸点倒装焊接在具有叠层通孔的聚酰亚胺积层多层基板上,芯片下填充底充胶,模块的总功耗为90W,芯片的最大热流密度为30W/cm2。 在散热方面,本文拟设计采用双流道铝质水冷板作为该多芯片模块的间接液体冷却手段。为了研究这种水冷板的冷却能力,首先用功率管模拟芯片发热贴装在水冷板上,做了一系列的热测试试验,并采用计算流体力学(CFD)软件对试验过程进行了相应的模拟,对冷板中水的流动、冷板和功率管的温度分布以及系统的热平衡进行了详细的分析。试验和模拟结果的对比一方面验证了CFD模拟的准确性,另一方面推导出了试验中热接触材料的接触热阻(或接触热导)值。然后,通过CFD模拟对多芯片模块在这种水冷板的冷却下的温度分布和热平衡进行了分析,其结果表明水冷板可以使多芯片模块的最高温度达到58.1℃,满足热设计的要求。最后,研究了热接触材料的导热系数和接触热阻、芯片下凸点分布、BGA焊球分布、芯片厚度、芯片之间的间隔和芯片布局以及流体入口的流速和温度等参数对多芯片模块温度的影响。 在热机械可靠性方面,由于含七个芯片的多芯片模块具有结构对称性,为了节约成本,本文以单个具有多端子的倒装芯片焊接在积层多层有机基板上的FCOB封装形式来研究整个多芯片模块的可靠性。首先设计了采用不同芯片尺寸、底充胶材料和基板类型组合的六种单芯片多端子FCOB样品进行热循环、热冲击试验和失效分析,并将各样品的寿命和失效模式进行了比较分析,以研究芯片尺寸、底充胶材料和基板类型对这种单芯片多端子FCOB封装可靠性的影响,然后采用“整体—局部”有限元模拟对热循环条件下,各组样品焊点的位移、等效应力、等效应变以及应变能密度的变化历程进行了详细的研究,模拟结果较好的解释了热循环过程中出现的相关失效现象。最后,结合热循环测试结果和模拟结果拟合了基于焊点应变能密度的Darveaux总体寿命预测模型中的系数,并采用试验设计和响应面方法分析了各结构参数和材料属性的综合影响,对多端子FCOB的热机械可靠性进行了综合优化。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章: 电子封装散热和热机械可靠性概述
  • 1.1 前言
  • 1.2 电子封装技术的发展历程
  • 1.3 电子封装技术的发展趋势
  • 1.4 电子封装中的可靠性
  • 1.5 电子封装的散热
  • 1.5.1 电子封装中的热传输
  • 1.5.1.1 热传导
  • 1.5.1.2 对流和流体流动
  • 1.5.1.3 辐射
  • 1.5.2 电子封装中的散热方法
  • 1.6 电子封装的热机械可靠性
  • 1.6.1 焊点失效机理
  • 1.6.2 焊点的应力应变分析
  • 1.7 本论文的研究工作
  • 第二章: 多芯片模块MCM-L的散热分析
  • 2.1 研究对象
  • 2.2 MCM的散热分析方法
  • 2.2.1 热阻网络解析法
  • 2.2.2 数值模拟法
  • 2.3 空气冷却效果分析
  • 2.4 热测试试验
  • 2.5 热测试试验的CFD模拟验证
  • 2.6 多芯片模块的CFD模拟
  • 2.7 参数的影响分析
  • 2.7.1 热接触材料的影响
  • 2.7.2 凸点和BGA焊球分布的影响
  • 2.7.3 芯片厚度、间隔和布局的影响
  • 2.7.4 流体入口流速和温度的影响
  • 2.8 本章小结
  • 第三章: 多端子倒装芯片封装的热循环实验
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验样品和实验条件
  • 3.3 实验结果
  • 3.3.1 电阻值的变化
  • 3.3.2 Weibull寿命统计
  • 3.3.3 失效分析
  • 3.3.3.1 C-SAM分析
  • 3.3.3.2 金相显微分析
  • 3.4 本章小结
  • 第四章: 多端子倒装芯片封装的热循环的有限元模拟
  • 4.1 引言
  • 4.2 有限元模型
  • 4.3 整体模型结果分析
  • 4.4 局部模型结果分析
  • 4.5 焊点的寿命预测
  • 4.5.1 焊点的寿命预测模型
  • 4.5.2 模型参数拟合
  • 4.6 参数对焊点寿命的影响分析和优化
  • 4.6.1 试验设计
  • 4.6.2 响应面方法
  • 4.6.3 结构参数影响分析和优化
  • 4.6.4 材料属性的影响分析
  • 4.7 本章小结
  • 第五章: 多端子倒装芯片封装的界面断裂力学分析
  • 5.1 引言
  • 5.2 界面断裂力学理论
  • 5.3 界面断裂参量的计算方法
  • 5.3.1 裂纹面位移外推法
  • 5.3.2 修正J积分法
  • 5.3.3 虚拟裂纹闭合法
  • 5.4 焊点/基板焊盘界面裂纹
  • 5.5 底充胶/芯片界面裂纹
  • 5.6 本章小结
  • 第六章: 全文总结及创新点
  • 参考文献
  • 发表论文目录
  • 致谢
  • 作者简历
  • 附件: 学位论文独创性和使用授权声明
  • 相关论文文献

    • [1].MCM封装技术新进展[J]. 电子与封装 2016(03)

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