微电子封装器件热失效分析与优化设计

发布时间：2017-07-19 14:05

  本文关键词：微电子封装器件热失效分析与优化设计

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【摘要】：微电子封装器件凭借其良好的性能,在通讯、交通、国防、宇航以及医疗等技术领域得到了广泛的应用。随着其封装密度的不断增大,其重要性显著提升,其封装结构的失效也往往会造成难以承受的后果。本文在广泛查阅了国内外相关问题的文献后,运用有限元方法重点对微电子封装结构失效的主要发生部位——焊点的热疲劳失效行为进行了分析研究,并提出了优化设计方案。本文选取了一个典型的微电子封装器件,某型号直流-直流功率变换器作为研究模型。结合热弹性力学和粘塑性力学的相关理论运用有限元软件分析了其整体的温度和应力应变情况,同时还重点分析了器件中最易失效的焊点结构在热循环加载条件下的非弹性应变,并对焊点的热疲劳寿命进行了预测。基于焊点热疲劳分析所广泛使用的经典热循环加载形式,本文提出了一种基于瞬态热分析改进的热循环加载形式,并分别使用改进前后两种热循环加载形式对研究模型加载,对比发现两种形式下得出的热疲劳寿命预测结果存在明显差异。本文结合改进后的热循环加载形式分别对使用无铅焊料替代锡铅焊料、使用底充胶加固锡铅焊点以及使用底充胶加固并以无铅焊料替换锡铅焊料三种工艺方法对焊点热疲劳寿命的提升效果进行了定量分析。分析结果显示,对比无底充胶加固锡铅焊点工艺：使用无铅焊点工艺可以小幅(17.72%)提升焊点寿命；使用底充胶加固锡铅焊点的工艺则具有更大的提升幅度(31.83%)；而结合无铅焊料和底充胶加固两种工艺则可获得可观的寿命提升(253.90%),远大于单独使用两种工艺方法提升效果的累积。
【关键词】：微电子封装 焊点 有限元 热循环 热疲劳寿命
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN405
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 1 绪论7-15
• 1.1 本文研究背景和意义7
• 1.2 微电子封装技术7-12
• 1.2.1 微电子封装技术概述7-9
• 1.2.2 微电子封装技术分级9-10
• 1.2.3 常见微电子封装形式10-12
• 1.3 微电子封装热失效分析及其研究现状12-13
• 1.3.1 微电子封装热失效12
• 1.3.2 焊点热疲劳寿命研究12
• 1.3.3 相关问题的研究现状12-13
• 1.4 本文主要研究内容及特色13-15
• 1.4.1 本文的主要研究内容13-14
• 1.4.2 本文的特色14-15
• 2 研究实例的选取及初步分析15-29
• 2.1 研究实例的选取及其参数15-17
• 2.1.1 研究实例的选取15
• 2.1.2 研究实例的参数15-17
• 2.2 实体模型的建立17-19
• 2.3 初步分析的基本原理19-22
• 2.3.1 热力学原理19-20
• 2.3.2 热弹性理论20-21
• 2.3.3 有限元原理21-22
• 2.4 有限元模型的建立22-23
• 2.5 初步分析23-27
• 2.6 本章小结27-29
• 3 常规热循环加载形式下锡铅焊点热失效分析29-39
• 3.1 焊点热失效概述29
• 3.2 焊点的失效机制及原理29-32
• 3.2.1 焊点蠕变.疲劳交互作用原理29-30
• 3.2.2 焊点热疲劳寿命预测模型30-32
• 3.2.3 Anand本构模型概述32
• 3.3 基于Anand模型的焊点疲劳失效常规分析32-37
• 3.4 基于Coffin-Manson经验模型的焊点疲劳寿命预测37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 4 改进型热循环加载形式的分析与设计39-46
• 4.1 传统热循环加载方式的改进39-41
• 4.1.1 加载温度场的改进39
• 4.1.2 温度升高/降低过程历时的改进39-40
• 4.1.3 热循环温度波动幅度的改进40-41
• 4.2 改进后的热循环加载形式的具体设置41-42
• 4.3 两种加载方式得出结果的对比42-45
• 4.3.1 改进热循环加载形式的分析结果42-44
• 4.3.2 基于改进热循环加载形式分析结果的疲劳寿命预测及对比44-45
• 4.4 本章小结45-46
• 5 不同封装工艺方法对焊点热疲劳寿命的影响与分析46-61
• 5.1 无铅焊料概述46-48
• 5.2 无铅焊点寿命预测48-51
• 5.3 底充胶概述51-53
• 5.4 底充胶加固状态下焊点寿命预测53-56
• 5.5 底充胶加固状态下无铅焊点寿命预测56-59
• 5.6 各工艺方法下焊点热疲劳寿命的对比分析59-60
• 5.7 本章小结60-61
• 6 总结与展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-66

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本文编号：563227