功率载荷下叠层芯片尺寸封装热应力分析

论文摘要

随着信息技术的发展,微电子器件的应用越来越广泛。在使用中,电源开启与关闭会引起芯片温度波动,造成器件各层材料之间出现较大热应力。目前,封装行业对器件热载荷可靠性做了大量研究工作,而对功率载荷的研究很有限。与热载荷相比,功率载荷能真实地模拟芯片发热机制。因此,对功率载荷下芯片封装热应力的研究具有重要理论意义和实际应用前景。本文采用有限元分析软件ANSYS对叠层芯片尺寸封装(SCSP)的热应力分布进行研究。结果表明,在功率载荷条件下,芯片上的最大等效应力为143MPa,接近芯片的断裂强度160MPa,因此是造成芯片破坏的主要因素;芯片上的最大剪应力为65.4MPa,很容易造成芯片与封装材料分层;芯片工作时,其温度可达到412.09K,高温会影响芯片速度和可靠性。分析材料厚度与热膨胀系数对芯片可靠性的影响,结果表明,随着芯片体积增大,芯片温度有所下降,器件的可靠性随之增强;随着塑封料和粘结剂热膨胀系数的增大,芯片应力有所增大。通过对封装材料和结构的研究,优化封装模型,优化后芯片最高温度、最大应力和剪应力分别为408.48K,95.2MPa和35.4MPa,优化设计降低芯片和系统温度,起到提高器件性能和可靠性的作用。对不同工艺水平下的芯片进行功率载荷分析,结果表明,随着工艺水平的提高,器件集成度相应提高,芯片温度逐渐变大;当工艺达到0.13μm时,芯片生热率增大将导致芯片热量严重积累,使芯片性能和可靠性受到严重影响;工艺达到0.15μm时,应力达到足以破坏芯片的程度,需要对封装材料和系统结构重新设计。本文分析0.25μm工艺下的芯片热应力分布。与功率载荷下分析结果比较,热分析加载条件是温度,在载荷温度一致时更加方便;功率载荷分析加载条件是功率,在以热源生热进行应力分析时更精确。本文研究结果为进一步优化材料参数、改善器件性能提供了理论依据,对SCSP封装设计具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 电子封装的作用
• 1.2 微电子封装历史回顾
• 1.3 先进的叠层芯片尺寸封装
• 1.3.1 CSP 的定义
• 1.3.2 CSP 的特点
• 1.3.3 叠层芯片尺寸封装
• 1.4 微电子封装的研究现状
• 1.5 本文研究的目的和意义
• 1.5.1 本课题的目的和意义
• 1.5.2 本课题的研究内容
• 第2章 热分析理论及有限元法简介
• 2.1 热力学第一定律
• 2.2 热传递类型
• 2.2.1 导热
• 2.2.2 对流换热
• 2.2.3 热辐射
• 2.3 三类基本边界条件
• 2.4 有限单元法简介
• 2.5 ANSYS 软件介绍
• 2.5.1 ANSYS 主要特点
• 2.5.2 ANSYS 环境介绍
• 2.5.3 ANSYS 功能简介
• 2.6 ANSYS 软件在微电子封装热应力分析中的应用
• 2.6.1 微电子封装ANSYS 分析
• 2.6.2 热应力问题的有限单元法
• 第3章 功率载荷下叠层芯片封装热应力分析
• 3.1 建立器件模型
• 3.2 生热率和对流系数的测定
• 3.2.1 生热率的计算
• 3.2.2 Quan Li 自然对流系数公式
• 3.2.3 迭代法
• 3.2.4 对流系数计算过程
• 3.3 分析过程
• 3.3.1 建立工作文件名和工作标题
• 3.3.2 定义单元类型
• 3.3.3 定义材料性能参数
• 3.3.4 建立几何模型
• 3.3.5 划分网格
• 3.3.6 热分析求解
• 3.3.7 后处理
• 3.4 结果分析
• 3.4.1 塑封料温度、应力和剪应力分布
• 3.4.2 芯片温度、应力和剪应力分布
• 3.5 本章小结
• 第4章 材料参数对芯片温度和应力的影响
• 4.1 材料厚度的影响
• 4.1.1 塑封料厚度的影响
• 4.1.2 粘结剂厚度的影响
• 4.2 材料热膨胀系数的影响
• 4.2.1 塑封料热膨胀系数的影响
• 4.2.2 粘结剂热膨胀系数的影响
• 4.3 优化器件模型
• 4.4 本章小结
• 第5章 工艺对芯片可靠性影响及热载荷应力分析
• 5.1 工艺对封装尺寸和生热率的影响
• 5.2 工艺对温度和应力的影响
• 5.3 热载荷与功率载荷应力分析比较
• 5.3.1 热载荷应力分析过程
• 5.3.2 热载荷与功率载荷器件应力比较
• 5.3.3 热载荷与功率载荷器件剪应力比较
• 5.3.4 热载荷与功率载荷芯片应力比较
• 5.3.5 热载荷与功率载荷芯片剪应力比较
• 5.4 功率载荷与热载荷应力分析特点
• 5.4.1 热应力分析特点
• 5.4.2 功率载荷应力分析特点
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢