元器件堆叠装配技术的研究与应用Research and application of the componen

元器件堆叠装配技术的研究与应用Research and application of the components stacked assembly technology

摘要

在信息科技不断进步的今天，小型电子产品的普及使得微电子技术也得到了有力的发展，随着用户要求的提升，产品功能的继承性和空间的利用率等要求都有所提升，元器件的小型化导致高密度封装日渐普及。POP技术作为一种新型的封装技术，其更具灵活性和可扩展性，使得产品的开发到生产间的周期有效缩短，在装配前可以对模块进行单独测试，有助于提升良品率，对于手机、平板电脑等产品的应用较为广泛。在未来的智能手机、平板电脑逐渐普及的情况下，小型花高密度封装技术的应用必然成为普遍现象，而在这一技术条件下，所出现的结构形变、焊点耐热疲劳、元器件位移等问题也会随之出现，POP技术作为小型化密集封装技术的一种，也可能存在此类问题。因此，本文结合平板电脑、超薄智能手机的应用环境为基础，分析POP技术的有效性和可靠性问题。
本文以论证POP技术中的可靠性问题为主，在此基础上提出其应用过程中的优化建议。因此，本文首先介绍了POP技术的基本应用流程，从微电子封装技术可靠性的判断标准出发，确定分析POP装配技术的形变、热循环寿命等问题的主要目标。本此研究，采用了云纹干涉技术进行焊点可靠性分析，通过测试热膨胀系数的方法将问题进行数据层面上的分析与研究。经过分析得出，顶部与底部模块对称中心远端焊点应力较大的特点，并针对性的对焊点人循环的热效应应变和结构特点与材料特点对疲劳寿命的具体影响，以常见智能终端（手机、平板电脑等）的极限使用环境为条件，分析其可靠性，最终提出具体的应用优化建议。

关键词：堆叠装配技术；有限元分析；云纹干涉法；焊点力学；热循环；位移

Abscract

In today's information technology continues to advance, the popularity of small electronic products make the development of microelectronic technology has been strong, with the user requirements, product function, such as inheritance and space utilization requirements are improved, the increasing popularity of the miniaturization of components in high density packaging.POP technology as a new type of packaging technology, its flexibility and extensibility, makes the product development to the production cycle shorten, the module can be a separate test before assembling, is helpful to improve the yield, for mobile phones, tablets and other products are more widely used.In the future under the growing popularity of smartphones, tablets and small flowers the application of high density packaging technology inevitably become a common phenomenon, and under the condition of the technology, the structure of deformation and displacement of solder heat resisting fatigue, components will be emerged, POP technology as the miniaturization of a dense packaging technology, there are likely to be such a problem.Therefore, this paper tablet, ultra-thin smartphone application environment as the foundation, analysis of the validity and reliability problems of POP technology.
Based on the argument, based on the reliability issues POP technology, based on this, advances the optimization Suggestions in the process of its application.Therefore, this article first introduces the basic application of POP technology process, starting from the judgment standard of microelectronics packaging technology reliability, determine analysis POP assembly technology problems such as deformation, thermal cycle life's main goal.This, this study adopts the moire interferometry, solder joint reliability analysis method to test the thermal expansion coefficient through the problem analysis and research on data level.Through analysis, the top and the bottom module center of symmetry distal to the characteristic of solder joint stress, and the heating effect of the targeted for solder joint cycle strain and the characteristics of the structure and material characteristics influence on fatigue life of concrete, with common intelligent terminal (mobile phone, tablet, etc.) the limits of use of the environment as the condition, to analyze its reliability, finally put forward concrete Suggestions on application of optimization.
Key words: Package on Package;The finite element analysis;Moire interferometry.Solder joint mechanics;Thermal cycle;The displacement

目录

摘要 I
Abscract II
一、绪论 1
1.1研究目的及意义 1
1.2研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
1.3研究框架 3
二、理论概述 5
2.1微电子封装堆叠的发展及基本流程 5
2.1.1微电子封装堆叠技术的发展历程 5
2.1.2封装堆叠的基本组装流程 6
2.2微电子封装的可靠性验证参照 7
2.2.1基于理论角度的可靠性问题 7
2.2.2基于实际生产的工艺可靠性考量重点 8
2.3两种分析方法的原理说明 11
2.3.1有限元分析的封装有效性检测方法 11
2.3.2基于云纹干涉的元件位移检测方法 13
三、堆叠装配技术的有效性分析 16
3.1封装堆叠的形变测量 16
3.1.1制栅 16
3.1.2实验系统 17
3.1.3结果分析 18
3.2封装堆叠的焊点热循环疲劳寿命分析 21
3.2.1焊点力学行为 21
3.2.2焊点加速热循环应力应变分析准备 22
3.2.3焊点热循环疲劳寿命的预测方法及预测 23
3.2.3影响焊点热循环疲劳寿命的因素总结 32
3.3特殊环境下封装堆叠技术的可靠性分析 39
3.3.1有限元模型构建 39
3.3.2吸潮-解潮温湿度分布分析 43
3.3.3回流焊条件下的封装堆叠可靠性分析 46
3.4案例对比 49
四、元器件堆叠装备技术的应用优化建议 53
4.1基于焊点热疲劳寿命需求的材料选择优化 53
4.2基于回流焊热载荷条件的结构和工艺优化建议 54
4.3封装体热形变的预防措施建议 55
五、总结 57
参考文献 58
致谢 60

一、绪论

1.1研究目的及意义
PoP是Package on Package的缩写，称为堆叠装配技术，最早由是Amkor提出并发展一种封装技术[1]。PoP技术是一种三维堆叠封装技术，通过采用元器件或者裸芯片垂直叠加的办法，通过基板键合或者金线键合的方式，组成一个新的封装整体。这一堆叠技术允许系统设计者能在线路设计时更容易地利用“Z”轴（垂直）方向的立体空间，因而可以节省更宝贵的“X”轴和“Y”轴方向上的空间，达到封装最小化的目的PoP技术的趋势与技术[2]。

五、总结

本文分析主要完成了以下几个方面的工作：首先，介绍了封装堆叠可靠性的判断方向，说明了模块形变、焊点热疲劳以及特殊温湿度条件对封装堆叠有效性的影响，并将这两点作为判断的相应的分析。其次，在具体分析中通过云纹干涉检测、焊点热循环疲劳寿命监测、回流焊热载荷条件下封装结构内各模块湿度变化以及形变问题的实验，得出了几点结论。1）经过云纹干涉测量了试件塑封料膨胀系数为10.9ppm/°C，用于后续实验；2）经过热循环实验验证了焊点疲劳寿命的预测方法，提供了一个封装堆叠热应力应变的分析模型和具体方法，并经过分析得出了芯片厚度、基板厚度以及材料、塑封料材料对焊点热疲劳寿命的影像，并提出了具体的改良方向；3）在回流焊实验中进行和吸潮、解潮实验，证明了回流焊过程中如果材料已经有吸潮问题，那么在进行回流焊工艺制造时，可能会导致不同模块相连位置的分离，可能导致封装实效。最后，结合前文的分析结果提出了分别针对焊点疲劳寿命需求和回流焊热载荷条件的材料与结构优化建议。
在本次分析中，由于条件等因素所限，无法进行大规模高成本的对比实验，基本都在有限元软件的辅助下结合单一试件和替换材料参数的方法进行分析，缺乏足够的实际对比。另外，在本次POP封装堆叠的可靠性分析中，未能对模块人为物理应力影响下的机械可靠性进行分析。在未来的工作和学习中，笔者将针对这几方面进行改善，以完善研究成果。

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