嵌入式系统封装功率器件的可靠性建模与仿真

论文摘要

功率器件采用嵌入式封装,可以减小尺寸和成本、增加功能、提高性能。但是由于热膨胀系数不匹配,填充材料与芯片界面会产生一定量的热应力,由此产生芯片翘曲、开裂等问题,其可靠性问题成为阻碍其技术发展的重要原因。本文主要是针对功率器件的可靠性开展研究的,主要研究内容和取得的结论有：（1）引入静态子结构法,对封装集成工艺中的带状模型进行翘曲研究。基于ANSYSAPDL参数化建模与仿真,发现芯片、EMC（Epoxy Mould Component）厚度的变化对封装工艺中带状功率器件翘曲变形影响较大,Prepreg Ez和EMC的弹性模量E的变化对封装工艺中带状功率器件翘曲变形影响较小。在150℃～260℃、175℃～25℃两温度载荷分别作用下,芯片厚度由0.1mm增加到0.4mm时,翘曲度均下降了约66.93%；当EMC厚度由0.1mm增加到0.4mm时,150℃～260℃的温度载荷作用下的翘曲度提高大约4.56倍,175℃～25℃温度载荷作用下翘曲度提高大约4.54倍。取带状模型内部结果,发现封装体内部各结构与带状模型有相同的翘曲趋势。（2）进行功率器件嵌入式封装的热循环载荷下的焊点寿命预测研究。建立了单个的嵌入式封装三维有限元结构,基于Anand模型对在-40℃～125℃、0℃～100℃的热循环载荷下焊点寿命进行了预测,结果发现右下侧角焊点最先失效,裂纹从PCB板侧产生。通过焊点高度参数化模拟发现随着焊点高度的增加焊点的热循环疲劳寿命快速增加,焊点高度增加1倍,其寿命大约可以提高50%。而在40℃～125℃的热循环作用下,焊点合理高度要达到0.2mm以上；在0℃～100℃的热循环作用下,焊点高度高于0.05mm即可。（3）应用Input-D方法,研究了功率器件嵌入式封装板级跌落试验过程的可靠性问题。根据JEDEC标准,建立功率器件嵌入式封装板级跌落试验三维模型进行有限元模拟,结果表明应力波是从基板底部开始传播的,然后扩展到焊点后封装结构上。分析发现U1角焊点靠近PCB那一侧所受应力最大。通过参数化焊点高度,分析其对跌落冲击的影响,发现随着焊点高度的下降,其动态冲击下的跌落可靠性越高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 微电子功率器件封装的趋势和进展
• 1.2.1 一般封装的发展趋势
• 1.2.2 功率器件封装的趋势
• 1.3 嵌入式系统封装
• 1.4 封装可靠性问题
• 1.4.1 焊点可靠性问题
• 1.4.2 可靠性问题研究概况
• 1.5 计算机模拟在电子封装中的作用
• 1.6 本课题研究目的、意义和内容
• 第2章 带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究
• 2.1 前言
• 2.2 分析模型
• 2.2.1 有限元建模
• 2.2.2 有限元模型及边界条件
• 2.2.3 材料属性
• 2.3 子结构法
• 2.3.1 子结构法介绍
• 2.3.2 子结构法基本原理
• 2.3.3 带状模型翘曲的静态子结构分析方法
• 2.4 子结构法与非子结构法比较
• 2.5 DoE参数设计
• 2.5.1 低、高边芯片厚度对热应力及翘曲的影响
• 2.5.2 EMC厚度对热应力及翘曲的影响
• Z对热应力及翘曲的影响'>2.5.3 Prepre E_Z对热应力及翘曲的影响
• 2.5.4 EMC弹性模量E对热应力及翘曲的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 嵌入式系统封装功率器件热循环焊点寿命预测
• 3.1 前言
• 3.2 有限元模型
• 3.2.1 嵌入式系统封装三维模型
• 3.2.2 材料模式及性能参数
• 3.2.3 模型边界条件及载荷条件
• 3.3 焊点热循环寿命预测方法
• 3.4 焊点热循环结果分析
• 3.4.1 焊点失效位置
• 3.4.2 网格疏密之寿命比较
• 3.4.3 不同封装设计之寿命比较
• 3.5 参数化研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 嵌入式系统封装功率器件跌落焊点可靠性分析
• 4.1 前言
• 4.2 跌落试验
• 4.3 算法选择
• 4.3.1 显式动态分析法
• 4.3.2 隐式动态分析法
• 4.4 跌落模拟分析
• 4.4.1 Input-D模拟方法
• 4.4.2 分析模型
• 4.4.3 材料属性及加载方式
• 4.4.4 结果分析
• 4.4.5 参数化研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果