微电子封装中界面应力奇异性研究

论文摘要

在电子封装结构中存在着大量的界面构造,例如焊锡接点中的焊锡材料与Cu垫片界面。由于界面两侧材料性质的不同引起界面端应力奇异性。因此,研究界面应力奇异性对理解焊锡接点的失效有重要意义,引起的失效问题成为电子封装可靠性研究的重要课题。本文采用界面力学理论研究了PCB板与Cu垫；Cu垫与焊锡接点；焊锡接点与金属间化合物构成的界面的应力奇异性。焊锡接点采用不同界面结合角度来反映其形状结构,同时选用Sn3.0Ag0.5Cu, Sn3.5Ag, Sn37Pb三种材料的焊锡接点。利用数值方法对界面特征方程进行求解,得到随着焊锡接点接触角度的增加,其界面特征值减小,应力奇异性表现明显。Sn37Pb材料的界面特征值低于Sn3.5Ag, Sn3.0Ag0.5Cu材料,表明Sn37Pb界面应力奇异性高于其他两种焊料。特征值只反映了界面处的奇异性现象,但当几何形状和载荷较复杂时,难以找到应力分布的解析解。因此,本文采用了有限元方法来研究界面的应力分布。建立了二维板级电子封装力学模型,计算了在静载荷作用下不同材料、形状的焊锡接点界面的应力分布。得到随着焊锡接点接触角的增加,界面端的应力奇异性表现明显。Sn37Pb材料的焊锡接点界面应力奇异性强于Sn3.5Ag,Sn3.0Ag0.5Cu。此外,采用静载荷下的三线性线弹性材料模型和动载荷下的Johnson-Cook材料模型计算焊锡接点界面的应力分布,并与弹性材料模型的应力分布结果进行比较,得到弹性模型在界面端的应力奇异性强于其他两种材料模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 电子封装技术背景
• 1.1.1 集成电路的发展
• 1.1.2 微电子封装技术
• 1.1.3 电子封装的层次
• 1.1.4 表面组装技术
• 1.1.5 球栅阵列连接
• 1.2 电子封装可靠性
• 1.2.1 可靠性
• 1.2.2 电子封装可靠性
• 1.2.3 焊点可靠性问题
• 1.2.4 焊锡接点的失效模式
• 1.3 界面力学在电子封装中的应用
• 1.3.1 界面力学的发展与研究现状
• 1.3.2 界面力学在电子封装中的应用
• 1.4 论文主要工作
• 第2章 双材料界面的应力奇异性
• 2.1 引言
• 2.2 界面的力学模型
• 2.2.1 界面分类
• 2.2.2 界面上的应力奇异点
• 2.3 界面端奇异应力场
• 2.3.1 Dundurs参数
• 2.3.2 平面界面端附近的奇异应力场
• 2.4 本章小结
• 第3章 电子封装中的界面应力奇异性
• 3.1 引言
• 3.2 板级电子封装中的界面力学问题
• 3.3 PCB板与Cu垫界面端的应力奇异性
• 3.3.1 PCB板与Cu垫界面端应力奇异指数求解
• 3.3.2 Cu垫形状对应力奇异指数的影响
• 3.4 焊锡接点与Cu垫界面端的应力奇异性
• 3.4.1 焊锡接点材料的选用
• 3.4.2 焊锡接点与Cu垫界面的Dundurs参数计算
• 3.4.3 焊锡接点的形状
• 3.4.4 焊锡接点界面端奇异指数的求解
• 3.5 金属间化合物层（IMC）的界面应力奇异性指数
• 3.6 本章小结
• 第4章 电子封装焊锡接点的界面应力
• 4.1 引言
• 4.2 电子封装板级结构的有限元模型
• 4.2.1 有限元模型的简化
• 4.2.2 有限元模型的基本参数
• 4.3 焊料和焊球几何形状对界面应力分布的影响
• 4.4 弹塑性变形对焊锡接点界面应力分布的影响
• 4.4.1 焊锡材料的率无关本构模型
• 4.4.2 焊锡接点产生弹塑性变形的界面应力分布
• 4.5 跌落冲击载荷对焊锡接点界面应力分布的影响
• 4.5.1 Johnson-Cook材料模型
• 4.5.2 焊锡接点在跌落冲击载荷下的界面应力分布
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢