CBGA在循环载荷下的热弹塑性分析

论文摘要

电子封装就是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。电子封装是连接半导体芯片和电子系统的一道桥梁,随着半导体产业的飞速发展及其向各行业的迅速渗透,电子封装因此在近三十年内获得长足的进步。今日的电子封装不但要提供芯片保护,同时还要在一定的成本下满足不断增加的性能、可靠性、散热、功率分配等功能。其可靠性问题,即在功率循环和热循环中由于电子元件与基板材料之间存在热膨胀失配,使焊点内部产生应力而失效,最终导致焊点失效的问题越来越受到人们的关注。本文的主要内容是采用双尺度的理论分析和有限元非线性求解两种方法,对带有底充胶的CBGA电子封装元件在热循环载荷下的力学行为进行了研究。首先,将均匀化理论和高阶逐层离散层板理论相结合,采用热弹塑性增量理论,考虑焊料的粘塑性行为,建立了CBGA电子封装元件热粘弹塑性非线性力学分析模型及其双尺度增量控制方程；其次,采用瑞利—里兹法,求解了在热循环载荷作用下CBGA宏观、细观的双尺度问题的解析解,与数值分析结果的对照,验证了理论分析的正确性,并就加载速率、材料参数和结构几何参数对焊球应力、应变行为的影响的进行了分析,为CBGA电子封装元件结构的设计提供了理论参考；在数值分析中,利用有限元数值分析软件ANSYS软件,采用3D模型,对CBGA在热循环载荷下的力学行为进行非线性有限元模拟,分析了结构在升温段、保温段、降温段焊球应力应变的变化情况,最后,通过各焊球的应力应变迟滞回线,得出最容易发生失效的焊球,为进一步的CBGA元件可靠性分析提供数值依据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 BGA封装介绍
• 1.3 电子封装的可靠性研究介绍
• 1.4 本论文的主要工作
• 第2章 热弹塑性基本理论
• 2.1 增量理论
• 2.1.1 米赛斯增量理论
• 2.1.2 普朗特流动法则
• 2.1.3 弹塑性强化材料的增量本构关系
• 2.2 焊料的粘塑性本构模型
• 2.2.1 焊料的粘塑性力学行为
• 2.2.2 统一型Anand粘塑性模型
• 2.3 热弹塑性问题的求解方法
• 2.3.1 热弹塑性问题
• 2.3.2 Welson法
• 2.3.3 增量直接迭代法
• 2.4 本章小结
• 第3章 CBGA的三维有限元模拟
• 3.1 有限元法
• 3.1.1 有限元法的基本思想
• 3.1.2 有限元软件ANSYS
• 3.2 三维有限元模拟
• 3.2.1 模型简化假设
• 3.2.2 定义材料属性
• 3.2.3 单元类型
• 3.2.4 划分网格
• 3.2.5 边界条件设置
• 3.2.6 热循环载荷设置
• 3.2.7 结果分析
• 3.3 焊球尺寸变化的影响
• 3.3.1 焊球半径变化的影响
• 3.3.2 焊球高度变化的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 CBGA热弹塑性的双尺度分析
• 4.1 弹塑性控制方程
• 4.2 双尺度分析方法
• 4.2.1 均匀化理论
• 4.2.2 热弹塑性控制方程的双尺度形式
• 4.3 CBGA多层板的高阶逐层离散方法
• 4.3.1 多层板的高阶逐层离散
• 4.3.2 非完全的双尺度形式
• 4.4 本章小结
• 第5章 热循环载荷下CBGA的双尺度解法
• 5.1 里兹法
• 5.2 细观尺度的里兹法
• 5.3 宏观尺度的里兹法
• 5.4 算例分析
• 5.4.1 CBGA材料属性和结构尺寸
• 5.4.2 热循环载荷设置
• 5.4.3 计算结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢