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嵌入式系统封装功率器件的可靠性建模与仿真Reliability Modeng a

发布时间:2019-07-04 12:43 来源:未知 编辑:admin

  嵌入式系统封装功率器件的可靠性建模与仿真Reliability Modeling and Simulation of Embedded System Package Power Devices.pdf

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  浙江工业大学 硕士学位论文 嵌入式系统封装功率器件的可靠性建模与仿真 姓名:顾江海 申请学位级别:硕士 专业:固体力学 指导教师:刘勇;梁利华 201110 浙江工业大学硕士学位论文 嵌入式系统封装功率器件的可靠性建模与仿真 摘 要 功率器件采用嵌入式封装,可以减小尺寸和成本、增加功能、提高性能。但是由于 热膨胀系数不匹配,填充材料与芯片界面会产生一定量的热应力,由此产生芯片翘曲、 开裂等问题,其可靠性问题成为阻碍其技术发展的重要原因。本文主要是针对功率器件 的可靠性开展研究的,主要研究内容和取得的结论有: (1)引入静态子结构法,对封装集成工艺中的带状模型进行翘曲研究。基于ANSYS Mould APDL参数化建模与仿真,发现芯片、EMC(EpoxyComponent)厚度的变化对 oC。260oC、1750C~25 封装工艺中带状功率器件翘曲变形影响较小。在150 oC两温度 载荷分别作用下,芯片厚度由O.1mm增加到0.4ranl时,翘曲度均下降了约66.93%; oC--260 rnnl增加到0.4mm时,150 当EMC厚度由0.1 oC的温度载荷作用下的翘曲度 提高大约4.56倍,1750C-一25oC温度载荷作用下翘曲度提高大约4.54倍。取带状模型 内部结果,发现封装体内部各结构与带状模型有相同的翘曲趋势。 (2)进行功率器件嵌入式封装的热循环载荷下的焊点寿命预测研究。建立了单个 oC~125oC、0oC--一100 的嵌入式封装三维有限元结构,基于Anand模型对在-40 oC的 热循环载荷下焊点寿命进行了预测,结果发现右下侧角焊点最先失效,裂纹从PCB板 侧产生。通过焊点高度参数化模拟发现随着焊点高度的增加焊点的热循环疲劳寿命快速 oC--125 增加,焊点高度增加l倍,其寿命大约可以提高50%。而在40 oC的热循环作 oC-一100 用下,焊点合理高度要达到0.2mm以上;在0 oC的热循环作用下,焊点高度 高于0.05mm即可。 (3)应用Input.D方法,研究了功率器件嵌入式封装板级跌落试验过程的可靠性问 题。根据JEDEC标准,建立功率器件嵌入式封装板级跌落试验三维模型进行有限元模 拟,结果表明应力波是从基板底部开始传播的,然后扩展到焊点后封装结构上。分析发 现U1角焊点靠近PCB那一侧所受应力最大。通过参数化焊点高度,分析其对跌落冲击 摘要 的影响,发现随着焊点高度的下降,其动态冲击下的跌落可靠性越高。 关键词:功率器件,嵌入式系统封装,带状翘曲,热循环,跌落试验 Ⅱ 浙江工业大学硕士学位论文 AND ON THERELIABLITYMoDELINGSIMULATION POWERMODULEBASEDEMBEDDEDDIESYSTEM ON PACKAGE ABSTRACT the in asa thereductionofthesizeand polymer helps Embeddingpowerchip package the ofthefunctionand mismatchofthe cost,and improvement performance.However,the thermal coefficientwillresultin andother dueto expansion chipwarping,crackingproblems thethermal-mechanical issueofthe becomesa stress.Hence,thereliability powerchip major obstacleofthe thesisstudiesthe oftheembedded technologydevelopment.This reliability device thecontentsandconclusionswillbelistedinthe power packaging,and following paragraphs. model static simulation Was to Firstly,thesub·structuringmethodologyproposed strip level ofembeddeddie inANSYS.Thedatafromthe warping powerpackage parametricstudy showedthatthethicknessof andEMChada on in device chip greatimpactwarpingpower the Ezand modulushasno packagingprocess,whilechangingprepreg EMCelastic effects.Thatisto we the thicknessfrom0.1mrnto significantly say,ifchangechip 0.4mm,the from150。Cto level wouldbereducedabout66.98%when rose strip warping temperature 260。Cordecreasedfrom175。Cto25。C.Andthesamecase谢m mould EMC(epoxy about4.56timeswhen risesfrom150。Cto increases component)thewarping temperature 4.53timeswhen decreasesfrom175。Cto 260。C,and temperature sametrends foundintheinternalstructureof calculationresults. Canbe singular packageby three—dimensionalfiniteelementmodeloftheembeddeddevice Secondly,a power is life basedonAnand studiedforthermal a modelis packagedeveloped,andprediction from一40。Cto125。Cand00cto1 this simulation,we cyclingtemperature 00。C.Through foundthatthecornerfailsandthecracks fromitssideofthePCB joint generated panel.By the foundthatthelifeofsolderincreaseswiththe of parametric joint height operation,we solder.For lifeincreasesabout50%whilethe Wasdoubled.The example,thejoint’S height shouldbemorethan0.2mmatthermal from-40。Cto125。C height cyclingtemperature whilealittlebitmorethan0.05mmatthelevelfrom0oCto1000C. methodis totestthe for moduluswith Finally,theinput—D applied reliabilitypower die underboard—leveltest totheJEDEC embedded drop condition.According package for three—dimensionalfiniteelementmodel testofthe embeddeddie standard,a drop power is thesimulationresultsshowedthatthestresswave structure package established,and tothe 1 transmittedfromthesubstratebottomandthenextended Unearthe spot.Besides,the III Abstract alsoshowedthatalower PCB themaximumstress.In simulation panelgot addition,the solder hada heighthigherreliability. joint die in level words:powermodulus,embedded warping, Key systempackage,strip thermal test cycling,drop IV 浙江工业大学硕士学位论文 第1章绪 论 1.1前言 在过去的二十年中,功率半导体技术的研究取得了巨大的进展,特别是随着高功率 封装密度、系统模块和混合设计的增加,推动实现高功率系统模块、功率系统封装(SIP) 和三维功率封装的功能与结构的整合。无论是电子计算机、现代信息产业、汽车电子及 消费类电子产业,还是要求更高的航空、航天和军工产业,都正经历着一场巨变。这是 因为这些领域越来越要求电子产品具有高性能、多功能、高可靠性、小型化、微型化、 轻量化、携带方便,以及大众化普及所要求的低成本等特点。而满足这些要求的基础与 核心是各种大规模集成电路、超大规模集成电路及专用集成电路芯片。要对这些成百上 千个I/0引脚的芯片进行封装,并制成各种用途、要求的电子产品,需要采用焊球阵列 SiP 装模块(3Dmodule)等现代微电子封装技术。 另一方面,芯片产业已成为国民经济发展的关键,而芯片设计、制造和封装测试是 芯片产业发展的三大产业支柱,这已经是微电子封装行业的共识。随着无线通信、汽车 电子和其他消费类电子产品的快速发展,微电子封装技术正面临着多功能、小型化、便 携式、高速度、低功耗、节约能源和高可靠性发展趋势带来的严峻挑战。一些电子产品 也正在发生着日新月异的变化,如市民外出携带笔记本电脑和手机、旅游和休闲途中欣 赏手机电视等。可见便携式和高性能已成为电子整机系统的重要研究方向,这就要求用 于电子整机系统的集成电路也需要多功能、微型化、高效率散热与良好的电特性。功率 电子器件就是其中及其重要的一环lH】。 1.2微电子功率器件封装的趋势和进展 功率半导体器件具有体积小,外壳与电极绝缘,可靠性高,安装方便等优点,在国 内外得到了广泛的应用,并已有不少企业引进相关制造技术并进行了一些自主开发。但 由于各企业对器件设计以及工艺的了解和把握程度不同,导致其产品在技术指标和质量 上存在很大的差异。如何使电力电子装置的效率更高、体积更小、重量更轻、成本更低、 第1章绪论 更加可靠耐用,长期以来一直是各设计者、生产者不断努力和追求的方向。 1.2.1一般封装的发展趋势 为了在一定尺寸的芯片上实现更多的功能,同时避免高密度下2D封装的长程互连 导致的RC延迟,Z方向封装即3D封装成为封装技术发展方向。随着技术的不断发展, 采用3D封装技术能提高封装密度、增强产品性能、提高速度、降低功耗、降低噪声、 实现电子设备的小型化和多功能化,还能使设计自由度提高,开发时间缩短。另外,可 TSV(硅通孔技术)取代引线键合或倒装互连,利 靠性也是其一大优势,可以利用3D 用3D堆叠晶圆级光学元件取代注塑模透镜模组,通过若干层的垂直集成,制造出可靠 性更高的系统。 良好润湿性,在电子封装(及组装)技术中得到了广泛的应用。随着环境保护意识的增 强,铅被国际环境保护机构列入前17种对人体和环境危害最大的化学物质之一。美国 食品与药物管理局的多项研究证实,少量的铅对儿童的生长发育有抑制作用,对生长发 育所需的多种酶系和视神经内分泌都有干扰作用【5】。无铅焊点在相对温和的条件下能够 比Sn.Pb焊点承受更多的热循环,但在比较恶劣的条件下比Sn.Pb焊点只能承受少的热 循环。近年来,随着微电子表面组装技术(SMT)的发展,要求研制面向新世纪的绿色 环保的无铅焊料以取代传统的锡铅焊料成为微电子焊接行业的重大课题。 1.2.2功率器件封装的趋势 随着功率芯片尺寸的缩小,封装外型尺寸也在缩小,芯片的电流密度不断上升,已 经很难在封装级别继续保持热传递能力。当整个封装发展趋势是减小芯片尺寸,作为系 统的一部分,功率封装的功率芯片热耗散更多的依靠印刷电路板。图1.1显示的是单片 功率IC封装的例子。随着封装外型缩小,热传递更多的依靠板和热沉系统,外部散热 则更多依靠裸露的金属层。 2 浙江工业大学硕士学位论文 图1.1 裸露金属的功率IC封装的例子 分离器件功率封装的另一个趋势是增加单位面积电流传送能力:一方面是顾客的需 要;另一方面是芯片尺寸缩小的要求。图1.2显示了低功率MOSFET封装在工业上发展 体公司已经发布的产品技术指标。 FCS S、’’ PQFN(FDMC8878s、● DP 1994199619强 2∞0 20022C) 人敛发布年份 图l-2低功率封装发展的趋势 伴随着更大的电流传送能力的趋势,为了更好的管理散热性能,有两种办法。一个 是从印刷电路板级别加强热管理要求。另一个是封装级别上的多向热耗散,而这对分立 器件功率封装是有利的。 在许多功率变换和功率管理应用中,优化半导体的方案是横向和纵向的综合。这使 IC)的系统级芯片方案 得具有集成功率器件(VDMOS)和控制功能(BCDMOS/cMOS 不切实际。因此,有必要发展功率系统级封装,譬如层叠放置多芯片系统级封装。这里 所定义的系统级封装至少包含了两个芯片,如图1.3所示。一个芯片是VDMOS,另一 个是驱动芯片。而图1-4显示了封装技术发展趋势,嵌入式系统封装因其小的封装尺寸、 第l章绪论 多芯片和高电流密度等特点成为未来电子封装发展的趋势。 (a)侧面(IC)(b)竖向(VDMOS) 图1.3包含2个芯片的SiP模块 1990年 2000年 2010年 2020年 图14封装技术发展趋势吲 1.3嵌入式系统封装 图1—5显示的是嵌入式系统封装的工艺过程[71,它是减小结构尺寸、降低成本、增 加功能、提高性能的有效方法,也是3D封装的主要形式之一。在这种3D封装结构中, 半导体芯片(如功率器件)被埋入到高聚物中,芯片与焊点之间通过再分布的金属化导 线连接,电气性能好,同时整个芯片处于相同的环境中,这对可靠性的提高有重要意义。 in 埋入元件基板封装(chip 式封装的一种途径【8J。嵌入式系统封装出现是在欧盟支持的HIDING DIES(highdensity 浙江工业大学硕士学位论文 ofdiesintoelectronicssubstmtes)项目中,嵌入工艺中能成功地使用涂树脂铜 integration 箔和激光通孔完成堆叠芯片互连。而随后启动的项目HERMES(highdensityintegration for sizeforreducedsizemodulesandelectronic byembeddingreduced systems)进一步 chips 推动了嵌入技术的发展,并使其应用到实际生产中。但是,后来发现通过在晶圆级使用 嵌入式封装技术,由于材料热膨胀系数不匹配,填充材料与芯片界面间会产生一定量的 热应力,由此会产生芯片的翘曲、开裂等问题,使其可靠性降低,应用受到影响。 (d)金属化 (e)形成导线封装可靠性问题 芯片在制造、检测、运输、存储和使用中不断受到各种应力的作用,这些应力虽然 达不到使材料破坏的极限强度,但是由于电子产品的反复多次使用,应力造成的损伤会 不断积累。但是在发生破坏之前,这种损伤很难发现,常规的检测方法也无法检测出器 件的受损伤程度。所以,如何通过准确预测和应力分析得到可靠性保证成为一个重要课 题。 微电子封装的可靠性是保证电子产品整机可靠性的关键,可靠性在现代电子产品中 的地位己可与产品的技术指标相提并论。如何保证和提高各种电子产品的可靠性已成为 国内外电子产业界的共同目标,评估和提高电子封装的可靠性是当前微电子领域研究的 第l章绪论 热点问题。 1.4.1焊点可靠性问题 随着微电子技术的发展,半导体器件从分立走向集成。现在已可将近亿个器件集成 在一块芯片上,封装的尺寸也越来越小,元器件所包含的材料也越来越多,不同的材料 之间高度致密,因此半导体器件和封装体变得越来越复杂,其可靠性问题也日益重要。 例如,1957年美国先锋号卫星因一个价值2美元的器件失效,造成卫星原地坠毁【9】。封 装的可靠性指的是设所计的封装结构满足工艺要求,与设计的预期寿命相符合。焊点通 常为封装结构中最薄弱的地方,研究表明在电子封装及组件的失效中,焊点的失效是主 要原Ntlol,所以通常所说的电子封装的可靠性研究,大多是针对焊点来讨论的。 影响可靠性的因素主要包括:(1)制造工艺条件。对大型复杂电路板,回流焊温度 通常为260℃,这可能会给PCB和元器件的可靠性带来负面影响,但它对小型电路板的 复杂的厚电路板)层压材料,可能会发生分层、层压破裂、Cu裂缝等故障。(3)环境 因素。在热循环条件下,蠕变疲劳会通过损伤积聚效应而导致焊点失效(即组织粗似 弱化,裂纹出现和扩大),蠕变速率是一个重要原因。蠕变速率随着焊点上的热机械载 荷幅度变化,热机械载荷幅度取决于温度范围、元器件尺寸及元器件和基底之间的CTE 不匹配程度。(4)焊接合金。目前主流的无铅合金是Sn-Ag.Cu合金,在民用领域,由 于使用环境没有太大的应力,无铅焊点的机械强度比含铅的要高,但是在军用和航空航 天领域的高低温、低气压等恶劣环境下,由于无铅焊点的蠕变较大,造成比含铅焊点的 可靠性差很多。(5)焊点形态。焊点形态参数主要有焊点高度、焊点几何形状、焊点间 距等,不同的参数对其产生的应力应变值差别很大,从而导致了焊点的热疲劳寿命差异 较大。 焊点最常见的破坏大多都由热循环、跌落导致。电子元器件在使用时,芯片会发热, 热量透过封装材料传递到焊点,使焊点温度升高。由于封装与基板间的热膨胀系数不匹 配,封装体产生翘曲,焊点介于中间会产生相应的应力而变形。当停止使用后,温度降 低,造成与使用时相反的应力。随着封装结构一次次的使用,焊点产生形变,随着使用 次数增加焊点中产生裂纹,经裂纹扩展,形成一断裂面,使电阻值提高,讯号无法通过 焊点传递,最后使元件失效。近年来手机、MP3等手持消费电子产品需求日益旺盛,这 些手持设备很容易发生跌落、冲击事件,而在设备内部的印刷电路板受到瞬态冲击并造 6 浙江工业大学硕士学位论文 成板的瞬态弯曲运动。板的瞬态弯曲运动引起焊点以及其他结合部的瞬态动应力,最终 导致焊点开裂。这不仅带来机械失效,也有可能导致电失效。焊点的开裂既可以在板的 一侧,也可以是在封装的一侧,这种失效是板的设计、结构、材料、厚度及元件尺寸共 同作用的结果。 现代社会的发展对电子器件的可靠性要求越来越高,使用环境更趋恶劣。电子器件 功能多样化及结构小型化,使用功率更大,温度更高,焊点产生的应力应变也更大。因 此焊点的可靠性得到了普遍重视和广泛研究【11-12]。 1.4.2可靠性问题研究概况 影响焊点可靠性的因素很多,现阶段焊点可靠性研究主要集中在下面几个方面:(1) 焊点材料对可靠性的影响,如有铅及无铅焊料、材料属性等对焊点可靠性的影响。(2) 封装尺寸设计变量对可靠性的影响,包含不同焊点尺寸、封装结构等对焊点可靠性的影 响。(3)不同加载形式对焊点可靠性影响,如热循环、热冲击、疲劳、振动、跌落、电 迁移等。伴随着便携式电子产品的广泛应用,虽然焊点力学可靠性的重要性逐渐赶上甚 至超过焊点热学可靠性的重要性,但反映这个领域研究成果的文献却不是很多,对焊点 特别是嵌入式系统封装无铅焊点在跌落过程中力学可靠性的系统的研究更是屈指可数。 在相关文献中,同济大学张伟伟等【l3】运用三维有限元分析法分别对单芯封装器件及 多芯封装器件由于热变形引起的翘曲问题进行了分析;张士元等【14】采用数值分析方法, 并考虑玻璃态转化温度(Tg)对材料性能(弹性模量和热膨胀系数)的影响,研究了尺 寸变化对芯片翘曲的影响。中国科学院上海微系统与信息技术研究所徐高卫掣15】采用粘 塑性有限元焊球模型以及大形变理论研究了三维多芯片组件(3D.MCM)的翘曲形态特 Marc,对EPS/ 征及其成因。桂林电子科技大学牛利刚等(161使用有限元分析软件MSC APlIoS生产的WLCSP器件在热循环条件下的热应力及翘曲变形情况进行了模拟,分析 了器件中各个尺寸参数对其热应力及翘曲变形的影响。Zhao等【l‘7】分析了PoP封装中各 个尺寸参数对翘曲变形的影响。Wen等【181利用有限元设计和析因设计法对倒装芯片封装 进行了参数化分析,通过统计为设计提供参考。Yang等【19】分析了塑料IC封装制造过程 的非线性大变形的有限元分析,同实验结果比较发现不同的塑封结构有不同的翘曲值。 Lin等【2I】用子结构方法研究了带状级PoP封装模型制造工艺过程中的翘曲问题。 传统有铅焊料对人体的健康和环境不利,抗剪强度、抗蠕变和抗热疲劳能力差,熔 7 第1章绪论 点偏低,晶粒在高温下易粗化,不能满足高性能的要求,而无铅焊料在这些方面都有很 大的优势。目前电子行业对无铅软钎焊的需求越来越迫切,无铅焊料已经开始逐步取代 有铅焊料。为了研究焊点材料对可靠性的影响,很多学者【22-241对各种焊料力学性能进行 测试,并根据测试结果提出各种本构方程以描述焊点的力学行为,为建模仿真提供参数。 述焊料的变形行为,Busso等【28。311提出了统一的蠕变.塑性模型,该模型可以很好描述无 学性能,从而具有更高的可靠性。 焊盘尺寸对封装焊点可靠性的影响,讨论最佳焊盘尺寸,并预测对焊点可靠性的影响。 安利全等[401从器件引脚镀层种类、厚度、焊接参数和焊盘设计等几个方面对小尺寸封装 器件焊点可靠性的影响作了分析,给出了提高焊点可靠性的方法,并建立电路板和SOP 焊点的三维有限元模型,对SOP器件焊点在近似试验载荷条件下进行了模拟。林健等【4lJ 采用有限元方法,建立了用于预测SMTSnPb焊料焊点热疲劳寿命的数值模型,并借热 疲劳试验验证了模型的有效性。热疲劳试验结果与有限元模拟预测的寿命结果基本一 致,并研究了焊点形状对热疲劳寿命的影响规律。Liu等【42】用改进的子结构方法对IC封 装热循环中的焊点可靠性进行了分析。 寿命预测是芯片封装可靠性研究的重要内容,通过寿命预测模型可以利用计算机分 析的结果预测芯片封装组件的寿命。目前研究的寿命预测模型有以塑性变形为基础的预 测模型[43451、以蠕变变形为基础的预测模型‘4¨7】、以能量为基础的预测模型[4s巧川以及以 断裂参量为基础的预测模型【5652]等。不同加载形式下焊点寿命预测方法不同,如焊点热 材料的低周疲劳寿命和塑性应变范围之间的经验关系。Kheng等人153】对预测可靠性的寿 命预测模型做了比较完整的整理,针对不同种封装方式,提供多种寿命预测模型,并比 较其适应性与准确性。 对于跌落引起的可靠性问题,国外学者研究较多,但是对于嵌入式系统封装的跌落 研究还很少。AndrewFarris等人瞰】分析了无铅焊料的CSP封装的跌落可靠性,通过加 载不同的峰值加速度、跌落脉冲,比较失效结构的数量和位置,发现有边界键合的可靠 8 浙江工业大学硕士学位论文 讨论了封装位置、跌落方向、封装形式、PCB定位孔数量、PCB弯曲程度、焊点材料、 跌落高度、PCB尺寸和形状、连接面平整性、单元尺寸等因素对模拟结果的影响,提出 了基于垂直于板方向的应力的疲劳寿命预测模型。这是第一个用于跌落测试的疲劳寿命 模型。Liu等人通过试验的方法研究了三种不同的下填料材料对有铅和无铅焊点的跌落 可靠性的影响【56J。 1.5计算机模拟在电子封装中的作用 当今电子工业的主要趋势是制造更加个性化的产品,正朝轻、小、薄、短、快及智 能化的方向发展,同时还要保证产品更加友好、功能强大、稳定可靠、创新及低成本。 随着微型化和集成化的发展,拥有更加友好的界面、多元化功能,并保证低功耗的产品 将刺激市场的增长,而帮助这些产品设计成为可能的一个关键技术就是计算机模拟。 在电子封装工程中,从成膜布线、基板制作、键合连接到封接封装、一直到检查测 定,涉及到大量的结构、工艺、材料等问题,如果样样通过实验、既费时,也需要投入 大量的人、财、物。通过计算机模拟寻求最佳方案,无疑是解决上述问题的捷径之一。 在过去30年里,随着计算机技术与商业软件的发展,计算机模拟在半导体和电子 封装中显得越来越重要。目前,世界上许多大公司都采用计算机对从LSI到FBGA、 MCM、CSP、KGD等各种封装结构进行计算机模拟。它们通常基于结构的几何和材料 属性、边界条件、工程和物理定律来实施的。计算机模拟可以帮助用户:(1)减少反复 试验次数;(2)降低成本;(3)缩短设计、测试和失效分析的周期;(4)加快产品的上 市时间;(5)深入理解微电子封装中的物理、化学、电、机械和热特性。 随着数值计算方法的发展和完善以及计算机技术的突飞猛进,各种针对微电子封装 的热一结构耦合分析的软件也大量涌现出来。有限元法是微电子封装可靠性分析最常用 的方法,通过有限元模型,可以对塑封电子器件的制造工艺工程和各种湿/温度的工作环 境进行模拟。 1.6本课题研究目的、意义和内容 通过文献研究发现,国内外对电子封装的跌落可靠性研究并不充分。国外在这方面 已经开始开展了一定的研究,但是系统的研究某一封装结构的翘曲、热循环、跌落产生 的可靠性问题还很少,尤其是对嵌入式系统封装这一新型封装结构。由于其结构高密度、 9 第1章绪论 多芯片等特点,使得其附加值较高,对其可靠性进行研究,可以给设计、生产、使用提 供参考,从而达到降低成本、提高可靠性的目的,具有巨大的市场价值。另外,嵌入式 系统封装是一种正在发展中的新技术,目前尚不成熟,但它的确是一个有发展前途的方 向,对于像中国这样芯片产业比较落后的国家,可能是一个发展系统级封装芯片的捷径。 未来几年,节能减排、低碳经济势必推动功率半导体市场繁荣。目前,功率器件产 品市场应用率低,市场增长空间巨大。对功率器件的嵌入式封装模型进行研究,有利于 推动中国突破功率器件市场出现“进口替代一现象。 电子工业日新月异的发展对焊料性能的要求不断提高,而禁铅法案的相继出台,对 于无铅材料参数的要求迫在眉睫,电子产品的无铅化使得无铅焊料的可靠性研究日益重 要。综上所述,研究嵌入式系统封装中焊点,特别是对无铅焊点在制造、热循环和跌落 时的可靠性具有重要的意义。相信在不远的将来,功能更加强大、价格更便宜、性能更 加稳定、更环保的封装器件将出现在市场上,更好的服务于广大群众的日常生活。 在实际生产、使用中发现,翘曲、热循环和跌落是导致器件失效的主要原因。基于 此,本文进行了以下研究工作: (1)比较了子结构法和非子结构法的优劣,使用静态子结构法分析了功率器件的 oC--260 嵌入式封装带状模型在150 oC,175oC,-.一25oC下的翘曲情况,通过回代分析了 封装体内部的翘曲情况。最好,分别进行了试验性设计,了解各材料参数对翘曲的影响。 (2)建立了功率器件的嵌入式系统封装三维模型,基于Anand模型的材料本构方 提出的能量法对焊点疲劳寿命进行了预测,并分别在-40℃.125℃、O℃.100℃两种热循 环载荷下,通过改变焊点厚度观察应力及寿命变化趋势,从而获得该嵌入式系统封装合 理的焊点高度。 (3)根据JEDEC标准,对嵌入式系统封装功率器件进行板级跌落试验模拟。建立 板级跌落的三维全模型,应用Input.D的隐式动力学方法,找出O.1mm厚度时最危险封 装体及失效位置,最后通过参数化研究封装体应力变化情况。 lO 浙江工业大学硕士学位论文 第2章 带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究 2.1 前言 目前集成电路技术已渗透到工业及社会生活的各个领域,电子工业已成为当今第一 大产业,电子器件的封装技术是制约集成电路发展的关键环节之一。然而,在实际封装 制造工艺中,带状嵌入式系统封装结构由于各种材料的尺寸和材料性能的差异在较大温 差作用下产生的翘曲问题,已严重影响电子器件的可靠性、焊接性能和成品率,成为电 子封装技术进一步发展的障碍。嵌入式系统封装结构复杂、材料众多,通常所用有限元 法总体求解规模庞大、计算费时,因此有必要应用子结构法来降低方程阶数,提高分析 效率。本章通过建立嵌入式系统封装带状三维模型,应用子结构法进行功率半导体器件 嵌入式系统封装带状模型翘曲模拟。重点研究了嵌入式系统封装中低边芯片和高边芯片 影响。 2.2分析模型 2.2.1有限元建模 带状功率器件模型如图2.1所示,该模型包括4个窗口,每个窗口由16个长度为7 alia、宽度为6illnl和厚度为1.2rnnl的单元组成,每个单元是一个分离的嵌入式系统封 装结构,如图2.2所示。为缩短分析时间,提高分析效率,并主要考虑材料不匹配性对 翘曲的影响,对模型进行了简化处理:(1)考虑结构的对称性,取其1/4模型进行分析; (2)不考虑制造过程中造成的残余应力及应变;(3)假设材料间为理想连接;(4)假 定温度变化时,结构整体温度相同等。经简化处理后,带状模型所含单个封装单元结构 包括:控制芯片(IC mold 材料涂树脂铜箔(RCC)、玻璃纤维(Prepreg)、环氧树脂(EMC,Epoxycompound) 等。 第2章带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究 图2.1 嵌入式系统封装带状模型 (a)单元模型外部结构 (b)单元模型内部结构 图2.2单元模型 另外,假设嵌入式系统封装功率器件的带状模型在常温下为零应力和零位移、无翘 曲变形态,并取常温为零翘曲参考温度。如图2.3所示,功率器件带状模型边角A点, 与其中心点(即坐标原点)的Z值之差,定义为翘曲值。差值为正即为正翘曲,为负即 为负翘曲。 Z Z 图2-3带状模型翘曲定义 2.2.2有限元模型及边界条件 拟;在X、】,方向采用对称约束,选取一个节点约束其Z方向位移,如图2.4所示;热 12 浙江工业大学硕士学位论文 oC降至实际工作温度25oC的变化加载,如表2.1所示。 表2-1热载荷条件 名称 载荷条件/oC 工况l 150~260(升温) 工况2 175~25(降温) 约束该面 的x方向 约束该节 点Z方向 图2.4带状有限元模型及边界条件 2.2.3材料属性 为了提高分析效率,模拟时忽略锡膏的粘塑性性能,所有材料假定为线弹性材料。 除Prepreg是各向异性材料外,其他材料均假定为各向同性材料。主要材料属性如表2—2 所示。 第2章带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究 表2-2材料属性【57l 2.3子结构法 2.3.1子结构法介绍 子结构方法针对大型复杂结构提出,使用子结构方法的思路是首先将结构划分为若 干个较小的互不重叠的部分,每个部分称为子结构,再对各子结构进行内部自由度降阶, 并用经过降阶后的子结构组装原来的大型结构,以降低总体问题的求解规模。这种先局 部后整体的分析方法是科学研究的普遍方法。子结构与外部相连接部分组集而成的大型 结构中并不包含子结构的内部节点信息,而是在进行总体计算以后再回到各个子结构中 进行计算。子结构方法求解的主要步骤如图2.5所示。 分割总系统 总系统(n个自由度) ./ 子结构分析 子结构l 子结构2 子结构N /。 组集总系统 总系统(m个自由度,ren) ./ [圈….[圈/子结构展开 图2-5子结构方法的主要步骤 14 浙江工业大学硕士学位论文 但是无论在静态分析还是动态分析中,要使用静凝聚方法缩减子结构内部自由度都 要求子结构必须是线性的,否则静凝聚无法进行。因此只有线性结构或非线性结构中的 线性部分才能采用子结构方法进行计算。 2.3.2子结构法基本原理 在结构离散为有限元网格后,所有的节点分属两类:一类是内部节点的位移分量, 它在其他子结构中不可能出现,称为内部自由度;另一类是边界节点的位移分量,它在 相邻子结构中也存在称为耦合自由度。在子结构计算过程中将内部自由度有关部分消 去,形成只保留耦合自由度的紧缩子结构刚度矩阵和紧缩子结构载荷矢量,这种处理过 程称为静凝聚【58】。静态结构分析的静凝聚过程如下: 对一个子结构可列出平衡方程 砌=F (2.1) 为建立准备凝聚的子结构的系统方程,通过适当的节点编号,可以将子结构的刚度 矩阵以及相应的节点位移和载荷列阵写成如下分块形式 酬阱鼢 其中%及蜥分别是边界节点位移矢量和内部节点位移矢量,刚度矩阵以及载荷列阵写 成与‰和蜥对应的分块矩阵。 将式(2.2)展开得 ‰%+屯%=C (2-3) k%+毛吩=只 (2-4) 由式(2-4)得 %=蓐1(E一气“。) (2·5) 将式(2.5)代入式(2.3)得 (k一吒《1毛。/4。=c一屯,靠1鼻 (2-6) 可以简单地写成如下形式 聪llD=只 (2-7) 其中聪=k一吒靠1k为子结构的等效刚度矩阵,只=E一吒酊1巧为子结构的等效载荷向 量。 第2章带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究 子结构静凝聚后的系统方程(2.7)式阶数较原来子结构系统方程(2.1)式阶数下 降很多,因此通过组集各子结构的系统方程得到的整个结构的系统方程较原来整体系统 方程阶数大大降低。各子结构组集而成的整体系统中不含子结构内部自由度,通过求解 整体系统方程得到各子结构的耦合自由度后,再分别回到各子结构求解内部自由度。这 样就可以将大型复杂结构简化为一系列相对较小的结构计算的问题进行处理,可以降低 对计算硬件的限制。 对于求解含有大量重复结构的整体系统,采用子结构方法更能体现该方法的优势。 如果将重复结构中的一个部分使用子结构方法进行凝聚,那么整体系统中的其它重复结 构都可以直接使用先前子结构静凝聚的结果,因为这些重复结构除耦合自由度不一样以 外内部自由度的静凝聚过程完全一样,而耦合自由度在静凝聚过程中并不需要确切知 道。所以在有限元计算中采用子结构方法可比常规有限元方法大大减少计算工作量,这 对于大型结构的分析计算具有重要意义。 2.3.3带状模型翘曲的静态子结构分析方法 嵌入式系统封装是当今电子封装发展的一大趋势,尽管其可以有效地缩减封装面 积、进行系统的初步整合,但由于其结构复杂,与单芯片封装相比,其翘曲度、可靠性 与组装合格率控制更具有挑战性,高密度及多种封装材料的介入,使器件的翘曲问题更 加突出。子结构方法是针对线性问题提出的方法,而该功率器件的嵌入式封装模型是典 型的非线性问题。使用子结构方法可以对该模型中的线性部分进行凝聚,那么在迭代过 程中凝聚掉的节点信息不会被反复迭代计算,因此可以节省计算时间。但是,对带状功 率器件的嵌入式封装模型来说,众多的焊点、材料使得计算量大大增加。为此,在应用 子结构分析的过程中,本文对材料进行了线性化处理,重点研究了芯片厚度、EMC厚 型翘曲的影响。但是由于子结构分析在静凝聚过程中仅保留材料的线弹性属性而忽略了 一切非线性属性如随温度变化的弹性模量、热膨胀系数、蠕变本构等,因此计算精度相 当有限,但是对于封装设计、制造有一定的参考价值。具体分析步骤如下: 第一步:获得超单元 (1)建立单元三维模型 (2)添加约束 (3)对结构施加单位温度载荷进行计算 16 浙江工业大学硕士学位论文 第二步:子结构分析 (1)建立非子结构三维模型 (2)在回流焊计算过程中,根据不同的温度加载情况,在升温和降温过程中分别 调用生成的子结构文件进行计算 第三步:根据子结构分析结果,回代入超单元,观察超单元内部各结构计算结果 2.4子结构法与非子结构法比较 为比较子结构法的优劣,分别建立芯片厚度为0.2nlin的子结构和非子结构的三维 oC到260 有限元模型,并加载相同的约束和载荷(150 oc)。计算结果云图如图2-6所 示,计算结果和时间的近似值的比较见表2.3。结果表明:采用子结构法得到了与非子 结构法翘曲值一致,且均为正值;在大致相同的精度下,子结构法计算效率提高了约 78.57%。 (a)非子结构法 (b)子结构法 图2-6非子结构法与子结构法的比较 第2章带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究 ● 表2-3子结构法和非子结构法比较 2.5 DoE参数设计 of 为优化产品和过程设计、降低生产成本、解决制造问题,应用DoE(design 终根据DoE结果对结构、材料及工艺进行优化。每个主要结构尺寸、材料参数分别取4 组数值,具体参数见表2-4。 表2_4带状模型结构、材料参数 2.5.1 低、高边芯片厚度对热应力及翘曲的影响 该嵌入式系统封装器件中,除控制芯片外,还有高、低边两块芯片。芯片厚度不同, 整体翘曲程度不同,在保证其他参数不变的情况下,改变低、高边芯片厚度,研究其对 热应力及翘曲的影响。从图2.7可以看出,带状功率器件封装工艺中翘曲值在两种热载 荷条件下均随着芯片厚度的增加而降低。经计算,两种热载荷条件下,随着芯片厚度从 0.1咖增加到0.4mm翘曲变形均降低了大约66.98%;芯片厚度0.3mill时,翘曲变形 增加开始变得缓慢。从图2.8可以看出,带状功率器件封装工艺中热应力值随着芯片厚 oC 度的增加而提高。经计算,在175oC降到25oC时,热应力提高了大约38.6%;在150 升到260oC时,热应力提高了大约38.92%。 18 浙江工业大学硕士学位论文 9.O 7.O 奄 鬯 = X d 盲 山 j 蒌 痼 R 坦 邂 硬 崧 3.O 1.0 O.1 0.2 0.3 O.1 O.2 0.3 芯片厚度/mm 芯片厚度/mm 图2-7芯片厚度对翘曲的影响 图2-8芯片厚度对热应力的影响 为观察芯片厚度对分立功率器件嵌入式封装模型内各结构的变形及热应力情况,取 超单元1的计算结果进行内部扩展。因为器件失效主要是焊点的失效,所以重点取焊盘 最大变形及热应力值,得到其在不同温度载荷下随芯片厚度变化趋势,如图2-9、2.10 所示。结果发现单元内部焊盘最大变形在两种载荷下均随芯片厚度的增加而减小,而焊 盘最大热应力值均随芯片厚度增加而增加。 220 200 25.O 180 矗 山 墨20.0 窆160 测 R 羁 趟 殿 瘊140 120 100 O.2 O.3 0.4 o.2 O-3 芯片厚度/mm 芯片厚度/mm 图2.9芯片厚度对焊盘翘曲的影响 图2.10芯片厚度对焊盘热应力的影响 19 第2章带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究 2.5.2EMC厚度对热应力及翘曲的影响 在保证其他参数不变的情况下,改变EMC厚度,研究其对带状功率器件热应力及 翘曲的影响。模拟结果显示,翘曲变形随着EMC厚度增加而增加,热应力随着EMC mm增加到0.4min时,温度从175oC降到25oC 厚度增加而减小。在EMC厚度从0.1 的载荷下带状功率器件翘曲变形提高大约4.54倍、热应力降低了大约17.22%,温度从 150oC升到260oC的载荷下带状功率器件翘曲变形提高大约4.56倍、热应力降低了大 约16.82%,在EMC厚度为O.4rain的时候翘曲变形开始减小、热应力开始增加,如图 2.11、2.12所示。 9.O 2.O 奄 奄7.O 簧1.5 X af 昌 塞 {5.0 j四 R 垣 曩1.o 靼 3.O 1.O o.1 o.2 0.4 0.1 0.2 0.4 EMC厚度/mm EMC厚度/mm 1 图2-12EMC厚度对热应力的影响 图2-1EMC厚度对翘曲的影响 为观察EMC厚度对分立功率器件嵌入式封装模型内各结构的变形及热应力情况, 取超单元1的计算结果进行内部扩展,重点取焊盘最大变形及热应力值,得到其在不同 温度载荷下随EMC厚度变化趋势,如图2.13、2.14所示。结果发现:两种温度载荷下 单元内部焊盘最大变形均随EMC厚度增加而增加,在EMC厚度O.4mlTl时开始减小, 而焊盘最大热应力值随EMC厚度增加而几乎不变。 ————————————————j塑曼至些盔避堂焦鲨塞 重 呈20.0 营 j画 鲁 崧 絮 15.O 120 o.1 o.2 o.4 o.8 EMC厚度/mm 0.1 0.2 0.4 0.8 图2—13 一 EMC厚度/mm EMC厚度对焊盘翘曲的影响 图2-14 EMc厚度i子掉盘热应力的影响 2.5·3 Prepreg Ez对热应力及翘曲的影响 功率器件的塑封材料Prepreg是一种各向异性材料,其z向弹性模量对带状功率器 件封装工艺过程中的热应力及翘曲几乎无影响。研究发现,带状功率器件翘曲变形、热 260。C时的翘曲增加了大约4.36%、热应力增加了大约5.27%,从175。C降到25 oC时 的翘曲值增加了大约4.26%、热应力增加了大约6.2%。 8.O 奎6.0 宕 i 趔 餐 斓4.0 m H。I×莹R趟霰 ” 18 Prepreg Ez/GPa E,/GPa Prepreg 图2-15 PrepregE:对翘曲的影响 图2·16 Pr印-r-e-gr.Evl5:对热应力的影响 21 第2章带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究 为观察Prepreg历对分立功率器件嵌入式封装模型内各结构的变形及热应力情况, 取超单元1的计算结果进行内部扩展,重点取焊盘最大变形及热应力值,得到其在不同 Ez增加 大变形两种载荷下均随PrepregEz增加而增加,焊盘最大热应力值均随Prepreg 而增加。 20.O 180 莹 矗 耄18.o 星160 鼹 R 翅 霰 140 6 10 14 18 6 10 14 18 lrepregEz/GPa Ez/GPa Prepreg 图2-17 图2-18 PrepregE:对焊盘翘曲的影 PrepregEz对焊盘热应力的影 响 响 2.5.4 EMC弹性模量E对热应力及翘曲的影响 塑封材料EMC的弹性模量E对带状功率器件封装工艺过程中的热应力及翘曲几乎 无影响。研究发现,带状功率器件封装工艺中随着EMC的弹性模量E的提高翘曲变形 略微降低、热应力略微提高,如图2.19、2.20所示。经计算,从150oC升到260oC时 oC降到25oC时翘曲大约降低 的翘曲大约降低2.35%、热应力大约提高7.22%,175 2.35%、热应力大约提高7.03%。 浙江工业大学硕士学位论文 8.O —‘■’一I)UL~ZOUL +150℃~260℃ +175.C~25℃ +175。C~25℃ ‘b 鲁6.0 ■ - 一 =1.5 d 宣 一 一 ● j 塞 趔 R 钽 颢4.0 曩1.o 16 20 24 28 16 20 24 EMC弹性模量E/GPa EMC弹性模量E/GPa 图2.19EMC弹性模量E对翘曲的影 图2-20EMC弹性模量E对热应力的影 响 响 为观察EMC的弹性模量E对分立功率器件嵌入式封装模型内各结构的变形及热应 力情况,取超单元l的计算结果进行内部扩展,重点取焊盘最大变形及热应力值,得到 在不同温度载荷下随EMC的弹性模量E变化的趋势,如图2.21、2.22所示。结果发现, 两个载荷下,单元内部焊盘最大变形及热应力两种载荷下均随EMC的弹性模量E增加 而变化不大。 22.O 180 20.0 b d g 墨 山 \ 蒌160 蛩18.0 R 毯 赠 霰 140 16.O 14.O 16 20 24 28 16 20 24 捣 EMC弹性模量E/GPa EMC弹性模量E/GPa 图2-21EMC弹性模量E对焊盘翘曲的 图2.22 EMC弹性模量E对焊盘热应 影响 力的影响 第2章带状嵌入式系统封装功率器件的翘曲研究 2.6本章小结 通过数值模拟表明,与非子结构方法相比,静态子结构法在保证精度较高的情况下, 计算效率更高。从DoE计算结果可以发现,芯片、EMC厚度的变化对封装工艺中带状 装工艺中带状功率器件嵌入式系统封装翘曲变形影响较小。其中,芯片厚度由0.1lnnl oC、从175oC降到25oC的翘曲降低了大约 增加到0.4nHn时,温度从150oC升到260 66.98%;EMC厚度由0.1mill增加到O.4mill时,温度从150oC升到260oC的翘曲提高 大约4.56倍,从175oC降到25oC的翘曲提高大约4.54倍。经过超单元内部扩展,功 率器件嵌入式系统封装体内部焊盘

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