基于COB技术的多芯片模块可靠性研究

论文摘要

微型化和集成化是电子产品发展的主要趋势,多芯片模块的高密度集成使其成为当前主流的封装形式。一方面,集成度的提高使热密度增大,容易因热膨胀不匹配导致热可靠性问题;另一方面,微电子封装中常用的聚合物材料易从环境中吸收湿气而发生膨胀,导致湿应力的产生,同样会引起湿可靠性问题。因此多芯片模块封装的可靠性研究成为微电子封装的重要课题之一。本文利用ANSYS有限元分析研究温度变化对多芯片模块的可靠性影响,按照美国军用标准MIL-STD-883,给模块加载热循环载荷条件（-55℃+125℃）,对热变形、热应力进行了分析讨论。结果表明芯片上的应力以中心小、边角大的形式分布,应力变化与温度变化相反,低温对模块的可靠性影响较大。在考虑实际芯片的生热率、空气对流散热和辐射散热的情况下,利用ANSYS有限元分析多芯片模块加载功率载荷时的温度及应力分布情况,结果显示应力主要集中在芯片和粘接材料,塑封料相接触的界面上。通过研究材料结构和参数对模块温度和应力的影响,发现粘接材料厚度和塑封料的热膨胀系数是影响热可靠性最为关键的两个因素,在此结论上得出设计优化的建议。本文还研究了多芯片模块在湿热环境下的可靠性问题,按照JEDEC的MSL-1标准,给模块加载高温高湿载荷条件（85℃/85%RH）,分析模块内部的湿气扩散以及湿应力分布,结果显示芯片与其他材料接触的边角上湿应力较大。通过吸湿和回流焊实验,观察到分层正好出现在湿应力较大的位置,证明仿真和实验相符合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微电子封装技术概述
• 1.1.1 微电子封装简介
• 1.1.2 微电子封装演变
• 1.2 多芯片模块（MCM）
• 1.2.1 多芯片模块的结构及优点
• 1.2.2 多芯片模块的分类
• 1.2.3 多芯片模块的应用
• 1.3 微电子封装可靠性
• 1.3.1 微电子封装主要的力学失效形式
• 1.3.2 国内外对力学失效的研究状况
• 1.4 本论文的研究目的及内容
• 第二章 基础理论介绍
• 2.1 引言
• 2.2 热分析理论
• 2.2.1 热力学第一定律
• 2.2.2 热传递的方式
• 2.2.3 稳态及瞬态热分析
• 2.2.4 初始条件及边界条件
• 2.3 湿分析理论
• 2.3.1 湿气扩散理论
• 2.3.2 湿应力理论
• 2.4 ANSYS有限元软件
• 2.4.1 ANSYS软件介绍
• 2.4.2 ANSYS有限元分析流程
• 第三章 多芯片模块在热循环下的可靠性分析
• 3.1 引言
• 3.2 基本假设条件
• 3.3 高低温循环的有限元分析过程
• 3.3.1 设立工作环境
• 3.3.2 定义单元和材料参数
• 3.3.3 几何模型建立
• 3.3.4 划分网格
• 3.3.5 加载求解
• 3.4 结果讨论
• 3.4.1 模块整体的热分析
• 3.4.2 芯片的热分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 多芯片模块在功率载荷下的热可靠性分析
• 4.1 引言
• 4.2 加载载荷
• 4.2.1 生热率计算
• 4.2.2 对流系数计算
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 模块整体的热分析
• 4.3.2 芯片2 的热应力分析
• 4.4 材料结构和参数的影响分析
• 4.4.1 不导电胶的影响
• 4.4.2 导电胶的影响
• 4.4.3 塑封料的影响
• 4.5 设计优化
• 4.6 本章小结
• 第五章 多芯片模块在湿热环境下的可靠性分析
• 5.1 引言
• 5.2 模拟及实验
• 5.2.1 湿扩散及湿应力模拟
• 5.2.2 回流焊应力模拟
• 5.2.3 实验
• 5.3 有限元分析结果与讨论
• 5.3.1 湿气分布
• 5.3.2 湿应力分布
• 5.3.3 回流焊过程模块整体的热分析
• 5.3.4 回流焊过程芯片的热分析
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件