功率模块的三维封装垂直互连可靠性有限元分析
发布时间：2017-08-22 07:33
本文关键词：功率模块的三维封装垂直互连可靠性有限元分析
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【摘要】：功率模块是电力电子系统中最重要的构成组件之一。近年来随着大规模和超大规模集成电路技术、新型电子材料技术和封装互连技术的快速发展,特别是随着系统级封装概念的提出,人们对功率模块的封装技术提出了更高的要求。与平面封装相比,在采用基板间垂直互连技术的三维系统级封装的功率模块中,互连焊点不仅起到电气互连的作用,而且还对叠层结构提供足够的机械支撑,需要承受机械冲击、振动等情况产生的可靠性问题。此外由于封装密度的提高,电路产热更加难以耗散,互连焊点还要承受较大的热失配应力。这些都对互连焊点的可靠性提出了更高的要求。小尺寸、高性能、高可靠性的功率模块封装技术,无论在民用用途还是在航空航天等军用用途中都有着举足轻重的作用。特别是对于可靠性要求更高、环境更加苛刻的航天电子领域,功率模块的三维系统级封装的垂直互连可靠性至关重要。本文利用有限元模拟的方法,基于ANSYS 15.0有限元仿真平台对功率模块的三维系统级封装垂直互连环节的热循环和恒定加速度试验可靠性进行了研究。首先研究了钎料的粘塑性特性,之后基于APDL(ANSYS Parameter Design Language)参数化设计语言对封装结构进行了参数化建模,研究了封装结构在热循环试验中的温度分布、变形规律、应力应变变化规律及焊点寿命预测,同时分析了该结构在恒定加速度试验中的变形规律及应力应变变化规律,最后对三维封装结构进行了设计优化并给出了优化后的结构参数。研究结果表明:在热循环过程中封装结构发生周期性变形,上层焊球主要受到转接板倾斜变形以及上层基板的弯曲变形的作用,中部位置的应力值高于边角位置;下层焊球主要受到转接板倾斜变形以及转接板与DBC(Direct Bonded Copper)基板间热膨胀系数差异的作用,边角位置的应力值高于中部位置。封装互连危险焊点在下层焊球的边角处,应力集中在焊球与DBC基板之间的界面处。双层焊球在每个循环内的最大等效应力值在逐渐提高,高温阶段的应力松弛明显大于低温阶段,高温阶段的塑性应变升高幅度大于低温阶段。恒定加速度试验中封装互连危险焊点在上层焊球的边角处,应力集中在焊球与上层基板之间的界面处。最大等效应力发生在加速阶段结束后,最大等效塑性应变发生在匀速阶段结束后,等效塑性应变能密度在减速阶段结束后达到最高。封装结构设计优化中发现,形状“瘦高”(焊球直径较小、高度较高、焊盘直径较大)的焊球的热循环寿命更高,尺寸较大(焊球直径、焊球高度、焊盘直径均较大)的焊球在恒定加速度试验中的可靠性更好。依此选择了最优化的模型参数,计算结果表明优化的模型的热循环和恒定加速度可靠性得到明显提高。
【关键词】：功率模块 三维封装 垂直互连 可靠性 有限元模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN405.97
【目录】：
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-10
- 第1章 绪论10-20
- 1.1 课题来源及研究的背景和意义10-12
- 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析12-18
- 1.2.1 系统级封装技术12-14
- 1.2.2 基板间垂直互连技术14-15
- 1.2.3 封装互连的可靠性问题15-16
- 1.2.4 封装互连可靠性研究方法16-18
- 1.3 本文研究内容18-20
- 第2章 有限元理论与模型研究20-31
- 2.1 有限元模拟方法简介20-21
- 2.2 钎料粘塑性模型研究与验证21-24
- 2.3 有限元模型的建立24-29
- 2.3.1 模型中材料的单元类型及参数24-25
- 2.3.2 模型简化与模型尺寸25-26
- 2.3.3 APDL参数化建模方法26-27
- 2.3.4 网格划分27-29
- 2.4 本章小结29-31
- 第3章 三维封装结构热循环可靠性有限元模拟31-51
- 3.1 热结构分析数值模拟方法与流程31-33
- 3.2 温度场理论33-36
- 3.2.1 本文涉及到的基本传热方式34
- 3.2.2 单值性条件34-35
- 3.2.3 稳态问题和瞬态问题35-36
- 3.3 热应力的概念36-37
- 3.4 三维封装在热循环下的有限元分析37-49
- 3.4.1 热分析37-39
- 3.4.2 结构变形分析39-41
- 3.4.3 上层焊球热应力分析41-45
- 3.4.4 下层焊球热应力分析45-47
- 3.4.5 焊点寿命预测47-49
- 3.5 本章小结49-51
- 第4章 三维封装结构恒定加速度可靠性有限元模拟51-61
- 4.1 恒定加速度试验方法51-52
- 4.2 恒定加速度试验影响因素52-53
- 4.3 三维封装在恒定加速度条件下的有限元分析53-59
- 4.3.1 恒定加速度有限元模拟条件简化53
- 4.3.2 加速度载荷的施加53-55
- 4.3.3 恒定加速度试验可靠性55-59
- 4.4 本章小结59-61
- 第5章 三维封装结构的设计优化61-76
- 5.1 封装模型参数的设计范围及优化方式61-63
- 5.2 封装结构参数优化63-73
- 5.2.1 焊球直径的影响63-65
- 5.2.2 焊球高度的影响65-67
- 5.2.3 焊盘直径的影响67-69
- 5.2.4 上层基板长度的影响69-71
- 5.2.5 等比例改变焊球尺寸的影响71-73
- 5.3 最终优化结果73-74
- 5.4 本章小结74-76
- 结论76-78
- 参考文献78-84
- 致谢84
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1 David Foggie;Jens Katschke;;晶圆级焊球成功放置的因素[J];集成电路应用;2008年Z1期
2 王国欣;张宗伟;郭晓晓;周小亮;闫焉服;;焊球直径对钎焊球质量影响[J];电子工艺技术;2010年02期
3 张e，
本文编号：717860
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