热循环载荷下球栅阵列电子封装非线性有限元破坏分析

论文摘要

利用三维有限元模型对球栅阵列电子封装（PBGA）进行焊球蠕变及胶层界面破坏有限元分析。首先对PBGA-FM封装进行模拟计算,从结果可以看到高水平应力主要分布在靠近芯片边缘下面的焊球上。为了减少计算量,将模型有效简化,从简化模型的分析结果可以看到,位于靠近封装中心位置以及靠近芯片内侧的焊接球上产生了非常高的非弹性应变和应力。通过与二维模型结果的比较,可以得出应用三维有限元模型可以更好的模拟热循环载荷下封装焊球的应力/应变分布情况。同时也讨论了三维封装模型基板刚度值的变化及PCB不同约束条件下,对焊球应变和应力的影响。对于热循环载荷下,PBGA界面破坏的有限元数值分析。我们首先找到了胶层高应力值位置主要处在芯片与基板之间,同时也考虑了焊球对于胶层应力的影响。应用二维、三维有限元模型对PBGA的计算,并对数值结果进行了比较。文章分别对焊球为线弹性与粘弹性特性对粘弹性胶层材料的影响进行了讨论。通过对模型的变形趋势可以看到,胶层与基板之间由于不同材料之间热膨胀系数的不同产生了内部应力。文章也给出了热循环温度下胶层材料以及焊球材料的高值应力分布的区域。从数值结果证明,焊球粘性对胶层应力分布的影响很小,因此如果仅仅把胶层作为研究对象,可以将焊球假设为线件特件。同时本文对焊球形状对胶层的影响也有讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1.1 BGA封装的发展史
• 1.2 BGA的应用
• 1.3 BGA的优缺点
• 1.4 塑封BGA的发展趋势
• 1.5 市场前景
• 1.6 BGA集成电路封装面临的可靠性问题
• 1.7 有限单元法（Finite Element Method，FEM）
• 1.8 Sn-Pb（锡铅合金）焊料的应用
• 1.9 电子封装SnPb焊点可靠性研究内容
• 1.10 本人工作简介
• 第二章 有限元理论及研究方法
• 2.1 有限单元法的基本思想
• 2.2 求解热应力的有限元法
• 2.3 焊球的力学行为及其本构方程
• 2.3.1 SnPb经验公式
• 2.3.2 SnPb焊点热循环寿命预测方法——Coffin-Manson经验方程
• 2.4 界面破坏的有限元理论与方法
• 2.5 断裂力学及其在电子封装界面分析中的应用
• 2.5.1 断裂力学基础
• 2.5.2 裂纹的基本形式
• 2.5.3 裂纹扩展的判据
• 2.5.4 能量释放率判据
• 2.5.5 能量释放率计算方法
• 2.6 ABAQUS软件介绍
• 2.6.1 ABAQUS/Standard 6.5新特性
• 2.6.2 ABAQUS各模块简介
• 2.6.3 ABAQUS的分析步骤
• 2.7 ABAQUS软件在微电子封装热应力分析中的应用
• 2.7.1 热传导和热应力问题
• 2.7.2 热疲劳问题
• 第三章 数值计算
• 3.1 焊球蠕变破坏有限元分析
• 3.2 热载荷
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 焊球的应力应变分布
• 3.3.2 PCB约束的影响
• 3.3.3 基板刚度的影响
• 3.4 界面有限元分析
• 3.4.1 PBGA封装的界面破坏分析
• 3.4.2 焊球蠕变性状的影响
• 3.4.3 焊球形状对胶层的影响
• 3.4.4 焊球对粘结层的影响
• 3.4.5 封装高应力值区域的二维有限元分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢