PBGA封装热可靠性分析及结构优化

论文摘要

封装体的热—力失效问题是影响电子器件可靠性的主要原因。本文采用统一粘塑性Anand本构方程,建立了PBGA封装体有限元数值模拟分析模型,分析了温度循环工作条件下封装体的应力、应变分布规律,并采用频率和温度修正的Coffin-Manson方程预测封装体的热疲劳寿命。数值分析结果为提高封装体的可靠性和优化设计提供了理论依据。具体的内容如下:（1）分析封装体在经历IPC9701标准下的五种不同温度循环加载后,封装体和焊点受到的热应力、应变分布规律,预测封装体热疲劳寿命,比较热循环参数对封装体疲劳寿命的影响。结果发现:不同温度循环条件下,封装体的热应力应变分布相似;焊点是PBGA和PCB互联结构失效的危险点;封装体疲劳寿命与热循环的温差、最高温度和频率有关;危险点的最大剪切塑性应变与热循环最高温和高温保持时间关系密切。（2）对PBGA封装体结构和焊点进行优化研究和设计。PBGA结构优化考虑芯片长度和基板厚度对其可靠性的影响,得到结论如下:增加芯片长度,封装体疲劳寿命增加,有利于提高器件可靠性和减小封装面积与芯片面积的比值;增加基板厚度疲劳寿命降低。焊点优化考虑焊点高度、直径和钎料对其可靠性的影响,结果如下:固定焊点直径,随着焊点高度的增加,PBGA封装体热疲劳寿命增加;固定焊点高度,随着焊点直径变大,热疲劳寿命降低;焊点高度因素对其可靠性的影响大于直径;与含铅钎料Sn63Pb37相比,无铅钎料Sn96.5Ag3.5和Sn3.8Ag0.7Cu能较大程度提高PBGA封装的可靠性。

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 电子封装的定义和功能
• 1.1.2 电子封装的级别
• 1.1.3 电子封装技术的发展
• 1.2 电子封装可靠性概述
• 1.2.1 可靠性
• 1.2.2 电子封装失效机理
• 1.2.3 电子封装可靠性研究现状及发展方向
• 1.3 焊点可靠性研究
• 1.3.1 焊点可靠性概述
• 1.3.2 焊点可靠性研究内容
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 电子封装可靠性数值模拟理论和方法
• 2.1 有限元模拟方法简介
• 2.1.1 有限单元法
• 2.1.2 ANSYS软件简介
• 2.2 焊点力学性能及本构方程
• 2.2.1 焊点的力学行为
• 2.2.2 统一型Anand粘塑性方程
• 2.2.3 材料参数的确定
• 2.3 焊点疲劳寿命预测方法
• 2.3.1 疲劳基本理论
• 2.3.2 电子封装寿命预测模型
• 2.3.3 Coffin-Manson经验方程
• 第三章 PBGA封装模型建立
• 3.1 PBGA结构及其几何模型建立
• 3.1.1 模型的简化假设
• 3.1.2 几何模型的建立
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 材料属性
• 3.2.2 单元选取
• 3.2.3 网格划分与边界条件
• 第四章 PBGA封装热可靠性分析及寿命预测
• 4.1 PBGA封装热可靠性分析
• 4.1.1 热循环后整体模型受力分析
• 4.1.2 焊点应力应变分析
• 4.1.3 温度循环条件对应力应变的影响
• 4.2 不同温度循环条件下的PBGA疲劳寿命预测
• 4.3 热循环参数对PBGA可靠性影响
• 4.3.1 热循环最高温度对可靠性的影响
• 4.3.2 热循环频率对可靠性的影响
• 4.3.3 热循环温差对可靠性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 PBGA封装结构及焊点优化研究
• 5.1 PBGA封装结构优化
• 5.1.1 芯片长度对PBGA可靠性的影响
• 5.1.2 基板厚度对PBGA可靠性的影响
• 5.2 焊点结构及材料优化
• 5.2.1 焊点高度对其可靠性影响
• 5.2.2 焊点直径对其可靠性影响
• 5.2.3 焊点大小对其可靠性的影响
• 5.2.4 无铅钎料焊点可靠性分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果