基于倒装焊接的电子封装器件热性能的研究

论文摘要

尺寸小型化与功率高密度化是当今电子封装器件两大主要发展趋势。高热流密度芯片发展要求封装器件具有更好的热耗散能力和更高的热可靠性;电子产品的小型化趋势及便携性要求则是空冷技术发展的助推剂。如何在承受高热流密度的同时保证电子封装器件的热性能是当今热工工程师所面临的重要课题。本研究以加速芯片耗散热的输出、降低工作温度、减少热失配与热应力、提高封装器件的热可靠性能和使用寿命为目标,对空气冲击射流换热特性、焊料的热机械性能进行基础性的实验研究;在此基础上,建立非线性热应力耦合数学模型,并以FC-CBGA封装器件为研究对象,以ANSYS为计算平台,对服役状态下器件温度和应力分布进行数值模拟研究,并对封装器件热可靠性进行评价与预测。主要工作如下:基于数值模拟辅助实验研究理念,针对换热实验系统与热机械性能测试系统,建立了相应数值模型。通过模拟动态测试过程,从数值角度定性与定量分析实验误差及其产生原因,并通过数值模拟辅助分析实验结果。研究表明,在合理选择数学模型和计算方法的前提下,实验数值结合法对发现实验方法与系统的缺陷,评价测试准确性,及定性及定量分析实验数据和解释现象具有裨益。该理念将贯穿于整个研究工作中。对毫米级孔径受限空气冲击射流换热特性进行了较系统的实验研究与理论分析。结果表明受限冲击射流换热性能与其流态与速度分布及空间受限程度密切相关,单孔直（无旋转）冲击射流在驻点区具有很强的局部换热特性;在相同Re下,单孔旋转冲击射流Nu存在明显的峰值外迁现象,因此提高旋转度可有效改善射流换热的均匀性;在相同流量下,由于射流之间的相互干涉和碰撞使驻点问的换热系数不再呈单调变化,多孔冲击射流换热较单孔更为均匀。为顺应焊料无铅化的趋势,对新型无铅焊料96.5Sn3.5Ag的热机械行为进行了探讨。研究表明,采用Anand粘塑性模型可对焊料96.5Sn3.5Ag热机械行为进行正确描述。并在焊料疲劳特性实验研究基础上,结合位错理论、断裂理论、蠕变损伤理论等对焊料疲劳行为进行理论分析,分析表明,软焊料疲劳失效机理与温度密切相关,蠕变损伤与疲劳损伤共同作用导致软焊料疲劳失效。本研究将为新型焊料热机械行为与失效机理研究提供有益思路。外部换热模式与器件内部参量的分布密切相关,故服役状态与均温状态热机械行为存在偏差,因此以服役状态为基准对器件的热机械行为与热可靠性能进行探讨更接近工程实际,其预测结果也更趋安全性。在服役状态下器件的热可靠性能研究涉及多场耦合研究;此外在室温条件下焊料已表现出蠕变等非弹性力学特性,故器件的热可靠性能研究还涉及非线性问题。本文在探讨了非定常温度场与应力场耦合机理的基础上,对耦合热弹塑性问题进行了简化与解耦,提出采用单向顺序耦合方法来求解固体材料内部非定常热应力场。并基于增量理论,对非线性热应力耦合问题及相应的有限元求解方法进行了探讨。基于非线性理论与有限单元法,在对服役状态倒装焊球阵列封装器件温度分布与应力分布进行瞬态数值模拟分析的基础上,对处于多轴应力条件下焊点高温低周疲劳寿命预测方法进行了探讨。在研究中,采用粘塑性模型对焊料热机械行为进行描述,并尽可能地再现了器件内部复杂的组成结构,以便更准确地描述服役条件下器件内部特别是凸焊点的热应力场;子模型方法的引入解决了器件内部组件尺寸级数差异带来的网格划分问题、计算效率问题与计算精度问题;“顺序耦合法”的使用则方便地解决了多场耦合、异相间耦合与同相内耦合等问题。本研究为开发基于倒装焊接的电子封装器件及提高电子封装器件热性能提供了数据与思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 封装器件冷却技术发展概况
• 1.2 冲击射流数值模拟研究概述
• 1.2.1 湍流模式理论研究
• 1.2.2 相关参数对冲击射流的传热与流动影响规律研究
• 1.3 倒装芯片封装器件热可靠性研究概述
• 1.3.1 芯片级封装概述
• 1.3.2 倒装芯片封装器件热疲劳失效问题
• 1.3.3 倒装芯片焊点热可靠性研究现状
• 1.3.4 封装焊料组分研究
• 1.3.5 封装焊料本构模型研究
• 1.3.6 焊料低周疲劳实验研究
• 1.3.7 电子封装焊料热疲劳寿命预测研究
• 1.3.8 封装器件热可靠性数值研究进展
• 1.4 本研究主要任务与内容
• 1.4.1 本研究主要任务
• 1.4.2 本研究主要内容
• 1.4.3 本研究的创新点
• 第二章 小孔径空气冲击射流传热特性研究方案
• 2.1 冲击射流概述
• 2.2 实验测试相关参数分析
• 2.2.1 圆形射流Re和Nu数学描述
• 2.2.2 旋度S的数学描述
• 2.3 非理想等热流边界条件对冲击射流传热实验结果影响探讨
• 2.3.1 加热片厚度对热流分布的影响
• 2.3.2 加热片材料导热系数对热流分布的影响
• 2.3.3 非等热流边界对Nu分布的影响
• 2.4 实验测试系统
• 2.4.1 射流发生装置的设计
• 2.4.2 加热系统的设计
• 2.4.3 电源与测试系统的选型
• 2.5 实验测试过程
• 2.6 数值模拟辅助分析
• 2.6.1 可压缩粘性流动本构方程与控制方程
• 2.6.2 湍流时均控制方程
• 2.6.3 Reynolds应力方程模型（RSM）数学描述
• 2.6.4 近壁区模型的处理
• 2.6.5 近壁区网格化分
• 2.7 本章小结
• 第三章 小孔径受限空气冲击射流流动与传热特性研究
• 3.1 5mm孔径直流冲击射流换热研究
• 3.1.1 曲线非理想性原因探讨
• 3.1.2 实验结果分析
• 3.2 旋转冲击射流换热研究
• 3.2.1 旋转射流Nu分布形态分析
• 3.2.2 射流旋转度S对Nu分布的影响
• 3.2.3 喷射间距Z/d对Nu分布的影响
• 3.2.4 直流射流与旋转射流换热特性比较
• 3.3 多孔冲击射流换热研究
• 3.3.1 孔阵列形式对冲击射流平均换热性能的影响
• 3.3.2 单孔与多孔冲击射流平均换热性能的比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 焊料高温力学行为实验研究
• 4.1 Anand粘塑性模型参数测试过程与实验系统
• 4.1.1 Anand粘塑性模型数学描述
• 4.1.2 Anand模型参数的确定
• 4.1.3 拉伸实验系统
• 4.2 电子封装焊料力学测试系统可靠性评价
• 4.2.1 σ-ε实验曲线
• 0,a,h₀的探讨'>4.2.2 参数s₀,a,h₀的探讨
• 4.2.3 实验测试可靠性评价
• 4.3 无铅焊料本构模型研究
• 4.3.1 σ-ε曲线与参数拟合
• 4.3.2 Anand本构模型对焊料96.5Sn3.5Ag的适用性研究
• 4.3.3 焊料96.5Sn3.5Ag高温性能研究
• 4.4 焊料疲劳测试系统与实验内容
• 4.4.1 疲劳测试系统
• 4.4.2 实验内容
• 4.5 疲劳实验结果及讨论
• 4.5.1 温度与应变幅对滞后回线的影响
• 4.5.2 温度与应变幅对加载力的影响
• 4.5.3 温度与应变幅对疲劳寿命的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于增量理论的非线性热应力耦合有限元研究
• 5.1 温度场与应变场的耦合
• 5.1.1 固体材料热学、力学基本方程
• 5.1.2 温度场与应变场的耦合问题
• 5.1.3 耦合热弹、塑性问题的简化
• 5.2 弹塑性本构关系理论
• 5.2.1 全量理论（形变理论）
• 5.2.2 流动理论（增量理论）
• 5.3 塑性力学基本理论
• 5.3.1 塑性力学基本法则
• 5.3.2 混合硬化材料本构方程
• 5.3.3 考虑温度和蠕变的本构方程
• 5.4 线性力学有限元分析
• 5.4.1 有限元方法求解力学问题的核心理论
• 5.4.2 线性力学有限元分析过程
• 5.5 非线性力学有限元分析
• 5.5.1 非线性有限元方程求解方法
• 5.5.2 包含温度、蠕变效应的力学问题求解
• 5.5.3 常用收敛准则
• 5.6 热传导有限元分析
• 5.6.1 热传导数学描述
• 5.6.2 热传导有限元格式
• 5.7 相关符号与公式
• 5.8 本章小结
• 第六章 流固多场耦合计算技术研究
• 6.1 芯片级封装器件简介
• 6.2 物理模型
• 6.2.1 模型假设
• 6.2.2 模型尺寸
• 6.2.3 材料属性
• 6.2.4 加载条件
• 6.2.5 网格划分
• 6.3 瞬态热应力计算流程
• 6.4 热应力计算算例
• 6.4.1 2D均温算例
• 6.4.2 非均温热应力算例
• 6.5 子模型法与热应力计算改进
• 6.5.1 局部影响定理与子模型
• 6.5.2 子模型方法在封装器件热机械性能分析中的应用
• 6.5.3 子模型分析流程图
• 6.5.4 子模型网格划分
• 6.5.5 算例
• 6.6 多场耦合计算方法及探讨
• 6.7 顺序耦合法在流固耦合计算中的应用
• 6.7.1 流固多场耦合计算流程
• 6.7.2 网格划分
• 6.7.3 算例
• 6.8 本章小结
• 第七章 服役条件下封装器件热可靠性数值模拟辅助研究
• 7.1 多轴力学参数
• 7.1.1 等效应力与等效应变
• 7.1.2 等效剪应力与等效剪应变
• 7.2 多轴负载下高温低周疲劳寿命探讨
• 7.2.1 等效应力范围与等效应变范围
• 7.2.2 疲劳寿命
• 7.2.3 相对寿命
• 7.3 循环服役条件下凸焊点力学行为
• 7.3.1 焊点温度分布
• 7.3.2 焊点应力应变分布
• 7.3.3 焊点敏感区热循环力学行为探讨
• 7.3.4 与均温热循环力学行为的比较
• 7.4 表面换热模式对疲劳寿命的影响
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已完成的主要研究成果