底部填充物对CSP-LED芯片抗跌落性能研究
发布时间：2021-04-06 22:00
为了提高芯片级封装发光二极管（CSP-LED）焊点疲劳寿命,利用有限元仿真软件ABAQUS模拟计算了CSP-LED芯片在跌落冲击载荷下焊点的塑性应变,并研究了裂纹拓展趋势。以焊点失效前跌落次数为指标,利用Coffin-Manson经验公式计算焊点寿命,研究了底部填充物对CSP-LED芯片在不同冲击载荷下焊点寿命的影响。结果表明,随着冲击载荷增大,焊点疲劳寿命减少,使用填充物能使芯片焊点寿命提高4～6倍,其影响通过跌落实验和仿真结果的对比得到了验证。
【文章来源】：微电子学. 2020,50(05)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
仿真模型封装结构剖视图
碰撞过程中地面产生的形变相对于PCB基板的形变来说十分微小,对计算结果影响很小,所以进行数值模拟时,将地面视为刚体,限制其六个方向的自由度。数值模拟的研究重点在于受冲击载荷后焊点的应力应变变化,所以在仿真过程中焊点使用的是弹塑性模型,其他部分均视为弹性体。为了模拟焊点裂纹的产生和拓展,在焊点与基板和焊点与蓝光芯片接触的两个面上分别设置一层厚度为0.01 mm的Cohesive粘性单元。Cohesive单元由ABAQUS软件提供,是基于损伤力学模型的用于分析裂纹拓展的单元。应用该单元模拟材料失效的原理基于Traction-separation描述方法[10],基于该描述方法的常用本构模型是双线性本构模型,如图3所示。可以看出,在材料达到强度极限之前,Cohesive单元经历线弹性阶段,此时单元应力与两端的分离位移成正比;在材料达到强度极限后,单元开始刚度退化。使用Cohesive单元时,ABAQUS软件使用刚度下降率(SDEG)参数来表征单元破坏情况。当SDEG值从0到1逐渐增大时,表示单元刚度逐渐退化;当SDEG值大于等于1时,表示单元完全破坏失效,即产生裂纹。图中,t表示损伤起始应力,di表示损伤起始位移,df表示损伤失效位移。
封装时,通过控制锡膏点涂的量来控制焊点的高度,封装后通过千分尺测量灯珠高度来间接测量焊点高度。数值模拟时焊点设置的高度是0.05 mm,所以取焊点高度为0.05 mm的灯珠模组,根据表1的实验条件进行自由跌落。底部填充物的填充方法是在LED灯珠周围涂抹填充物。根据毛细力的驱动的原理[12],液态主要成分为环氧树脂的聚合物会沿着灯珠与PCB基板的缝隙前进,逐渐填满整个缝隙。以灯珠失效不亮之前的跌落次数作为评价焊点寿命的指标,自由跌落结果统计得到的实测焊点寿命如图6所示。对比图6和图5可知,实测的焊点寿命与仿真结果趋势基本一致,均随着跌落高度增加即冲击载荷增加,疲劳寿命减少;使用了底部填充物后,焊点寿命都显著提高。但是,仿真结果的焊点寿命会比实际测量的略高。以130 cm的跌落高度为例,无底部填充物时,实测寿命为14次,仿真结果为16次,两者相差2次,误差为12.5%;有填充物时,实测寿命为87次,仿真结果为99次,误差为12.1%。仿真结果比实测寿命高,可能的原因是,焊点由锡膏经过加热固化后,在与PCB板和蓝光芯片的接触面上残留气泡、杂质或者锡膏与焊盘的热膨胀系数不匹配而产生初试裂纹,造成应力集中。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于表面能理论的倒装芯片封装下填充流动研究[J]. 杨家辉,姚兴军,章文俊,方俊杰. 半导体技术. 2018(01)
[2]大功率白光LED封装结构和封装基板[J]. 方军,花刚,傅仁利,顾席光,赵维维,钱凤娇,钱斐. 半导体技术. 2013(02)
[3]倒装芯片封装中非牛顿流体下填充的数值仿真[J]. 姚兴军,张关华,王正东,章文俊,周鑫延. 半导体技术. 2013(01)
[4]无铅焊点在跌落冲击载荷下动态特性研究[J]. 周新,刘芳,周海亭,赵玫,赵峻峰. 噪声与振动控制. 2007(04)
[5]冲击载荷下BGA焊点应有限元模拟[J]. 张杰,杨平. 传感技术学报. 2006(05)
[6]电子封装焊点可靠性及寿命预测方法[J]. 李晓延,严永长. 机械强度. 2005(04)
本文编号：3122227
【文章来源】：微电子学. 2020,50(05)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
仿真模型封装结构剖视图
碰撞过程中地面产生的形变相对于PCB基板的形变来说十分微小,对计算结果影响很小,所以进行数值模拟时,将地面视为刚体,限制其六个方向的自由度。数值模拟的研究重点在于受冲击载荷后焊点的应力应变变化,所以在仿真过程中焊点使用的是弹塑性模型,其他部分均视为弹性体。为了模拟焊点裂纹的产生和拓展,在焊点与基板和焊点与蓝光芯片接触的两个面上分别设置一层厚度为0.01 mm的Cohesive粘性单元。Cohesive单元由ABAQUS软件提供,是基于损伤力学模型的用于分析裂纹拓展的单元。应用该单元模拟材料失效的原理基于Traction-separation描述方法[10],基于该描述方法的常用本构模型是双线性本构模型,如图3所示。可以看出,在材料达到强度极限之前,Cohesive单元经历线弹性阶段,此时单元应力与两端的分离位移成正比;在材料达到强度极限后,单元开始刚度退化。使用Cohesive单元时,ABAQUS软件使用刚度下降率(SDEG)参数来表征单元破坏情况。当SDEG值从0到1逐渐增大时,表示单元刚度逐渐退化;当SDEG值大于等于1时,表示单元完全破坏失效,即产生裂纹。图中,t表示损伤起始应力,di表示损伤起始位移,df表示损伤失效位移。
封装时,通过控制锡膏点涂的量来控制焊点的高度,封装后通过千分尺测量灯珠高度来间接测量焊点高度。数值模拟时焊点设置的高度是0.05 mm,所以取焊点高度为0.05 mm的灯珠模组,根据表1的实验条件进行自由跌落。底部填充物的填充方法是在LED灯珠周围涂抹填充物。根据毛细力的驱动的原理[12],液态主要成分为环氧树脂的聚合物会沿着灯珠与PCB基板的缝隙前进,逐渐填满整个缝隙。以灯珠失效不亮之前的跌落次数作为评价焊点寿命的指标,自由跌落结果统计得到的实测焊点寿命如图6所示。对比图6和图5可知,实测的焊点寿命与仿真结果趋势基本一致,均随着跌落高度增加即冲击载荷增加,疲劳寿命减少;使用了底部填充物后,焊点寿命都显著提高。但是,仿真结果的焊点寿命会比实际测量的略高。以130 cm的跌落高度为例,无底部填充物时,实测寿命为14次,仿真结果为16次,两者相差2次,误差为12.5%;有填充物时,实测寿命为87次,仿真结果为99次,误差为12.1%。仿真结果比实测寿命高,可能的原因是,焊点由锡膏经过加热固化后,在与PCB板和蓝光芯片的接触面上残留气泡、杂质或者锡膏与焊盘的热膨胀系数不匹配而产生初试裂纹,造成应力集中。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于表面能理论的倒装芯片封装下填充流动研究[J]. 杨家辉,姚兴军,章文俊,方俊杰. 半导体技术. 2018(01)
[2]大功率白光LED封装结构和封装基板[J]. 方军,花刚,傅仁利,顾席光,赵维维,钱凤娇,钱斐. 半导体技术. 2013(02)
[3]倒装芯片封装中非牛顿流体下填充的数值仿真[J]. 姚兴军,张关华,王正东,章文俊,周鑫延. 半导体技术. 2013(01)
[4]无铅焊点在跌落冲击载荷下动态特性研究[J]. 周新,刘芳,周海亭,赵玫,赵峻峰. 噪声与振动控制. 2007(04)
[5]冲击载荷下BGA焊点应有限元模拟[J]. 张杰,杨平. 传感技术学报. 2006(05)
[6]电子封装焊点可靠性及寿命预测方法[J]. 李晓延,严永长. 机械强度. 2005(04)
本文编号：3122227
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