CSP板级封装在跌落冲击载荷下的可靠性研究

论文摘要

半导体技术的高集成度发展和电子设备的小型化、多功能化发展对电子封装提出了更高的要求,促使电子封装逐步走向高密度化,主要体现在器件封装焊料微互连的面阵列、多引脚、细间距和小尺寸。细小的焊料微互连的可靠性问题成为高密度器件封装广泛应用的瓶颈之一。焊料微互连的抗冲击性能是衡量其可靠性的一个重要指标。进入21世纪,由于环境保护的要求,锡铅焊料将逐步被无铅焊料所取代。因此,无铅焊料微互连在跌落冲击载荷下可靠性研究具有重要的实际应用价值,是目前电子封装领域研究的热点之一。本文以芯片尺寸封装为研究对象,采取理论分析、有限元仿真以及实验相结合的方法,首先进行了板级封装的模态分析,其次研究了在跌落冲击载荷下的线路板的动态响应、芯片尺寸封装焊料微互连的断裂特性、微互连的失效模式与机理,最后分析了热周期载荷对无铅焊料微互连抗冲击性能的影响。基于薄板振动理论,采用梁函数组合方法对两对边自由支撑另两对边固定支撑板级封装的模态振型及模态频率进行求解;建立了板级封装的三维有限元模型并进行模态分析。采用电视激光全息干涉技术进行板级封装的模态实验。比较了理论方法、有限元方法和实验方法得到的模态频率,并计算了理论方法和有限元方法求得的模态振型之间的模态置信准则值。结果表明理论分析方法是正确的,有限元模型和模态实验方法也是可行的。为板级封装动态响应分析和焊料微互连应力分析提供了基础。焊料微互连的可靠性与板级封装的动态响应密切相关,采用模态叠加方法对板级封装在跌落冲击载荷下时间域的动态响应进行分析,并与有限元结果和实验结果进行比较,对时间域的动态响应进行快速傅立叶变换,研究板级封装在频率域的动态响应;简化线路板为纯弯曲梁,建立线路板的应变响应与力矩响应之间的关系,根据力矩响应并采用有限元方法对由于线路板弯曲引起的焊料微互连应力进行分析;采用剖样实验和染色实验对无铅焊料微互连的失效机理进行分析。针对焊料微互连的细小,现有的实验方法难以测量其断裂参数,基于板级封装动态响应分析结果,采用界面断裂力学理论和有限元仿真相结合的方法对焊料微互连的裂纹参数进行分析。对基于裂纹张开位移的线性外推方法求解焊料微互连界面断裂参数的可行性、跌落过程应力强度因子和相角的变化、预裂纹长度和预裂纹位置对应力强度因子和相角的影响进行分析。结果表明所采用的分析方法是可行的。焊料微互连在热周期和跌落冲击顺序载荷下的可靠性研究更具有实际意义。采用统计学方法建立了经历不同热周期载荷样品的跌落寿命模型;剖样实验和染色实验分析了顺序载荷下焊料微互连的失效机理和失效模式。研究表明单独的冲击载荷和顺序载荷下焊料微互连的失效机理是不同的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电子封装技术及其发展趋势
• 1.2.1 电子封装技术
• 1.2.2 电子封装发展趋势
• 1.3 面阵列封装技术
• 1.3.1 BGA 封装
• 1.3.2 CSP 封装
• 1.3.3 面阵列封装焊料微互连的无铅化
• 1.4 焊料微互连可靠性研究现状
• 1.4.1 热周期载荷下焊料微互连的可靠性
• 1.4.2 机械力载荷下焊料微互连的可靠性
• 1.5 论文研究意义和主要内容
• 第二章 板级封装模态分析
• 2.1 引言
• 2.2 样片制备
• 2.3 板级封装模态理论分析
• 2.4 板级封装模态有限元分析
• 2.5 板级封装模态实验
• 2.5.1 激光全息干涉测振方法简介
• 2.5.2 模态测试系统
• 2.5.3 模态测试结果
• 2.6 模态分析结果讨论
• 2.7 小结
• 第三章 板级封装动态响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 跌落冲击实验方法
• 3.3 印刷电路板的动态响应特性
• 3.3.1 动态响应理论分析
• 3.3.2 时间域响应分析
• 3.3.3 频率域响应分析
• 3.4 焊料微互连的应力应变响应
• 3.4.1 板级封装的简化
• 3.4.2 焊料微互连应力响应
• 3.5 跌落载荷下焊料微互连的失效分析
• 3.5.1 失效分析实验方法
• 3.5.2 失效分析结果
• 3.6 小结
• 第四章 焊料微互连界面断裂分析
• 4.1 引言
• 4.2 界面断裂力学
• 4.2.1 断裂力学基础
• 4.2.2 界面断裂力学
• 4.3 焊料微互连界面断裂的有限元分析
• 4.4 焊料微互连界面断裂分析结果
• 4.4.1 基于COD 的线性外推法
• 4.4.2 跌落过程界面裂纹应力强度因子
• 4.4.3 预裂纹长度对应力强度因子的影响
• 4.4.4 预裂纹位置对应力强度因子的影响
• 4.5 小结
• 第五章 热周期载荷对焊料微互连抗冲击性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 热周期与跌落冲击顺序载荷实验方法
• 5.3 微互连热周期载荷下的有限元仿真
• 5.4 热周期载荷后微互连的跌落寿命
• 5.5 热周期与跌落顺序载荷下的微互连失效分析
• 5.6 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 博士期间论文、专利及奖励