2.5D Chiplet封装结构的热应力研究

开展了一种2.5D Chiplet封装结构的热应力研究，形成了一套适用于先进封装的设计理论方法，从而显著提升Chiplet封装性能和降低成本。根据实际生产要求，选择芯片表面应力、底部填充胶应力和封装翘曲三个关键封装性能作为优化目标。首先建立了Chiplet封装模型，采用COMSOL进行有限元仿真，揭示了底部填充胶材料选型、两芯片间底部填充胶高度、塑封料和芯片高度三个参数对上述封装性能的影响规律。然后通过正交试验设计方法获得仿真数据，并基于极差分析法处理相关数据，分析各参数影响因素对优化目标的影响程度，进而获得2.5D Chiplet封装结构的最优参数。最后将优化后Chiplet封装模型通过仿真进行验证，结果表明该封装结构中芯片表面平均应力减小为93%,底部填充胶峰值应力减小为86%,和封装翘曲减低为96%,从而验证了设计的有效性。     

基于速度载荷法的板级电子封装跌落失效分析

在ABAQUS软件中,建立了板级TSOP(thin small outline package)封装跌落/冲击问题的三维有限元模型.采用速度载荷法,研究了PCB(printed circuit board)、芯片引脚等的动力学响应,分析了不同支撑条件对仿真结果的影响,并结合板级TSOP封装跌落破坏实验对TSOP封装芯片的焊点失效机理进行了研究.实验结果表明,芯片的惯性力和芯片安装部位PCB的弯曲变形对焊点应力都有较大影响,焊点应力峰值出现在冲击后2ms到3ms之间,这与PCB跌落变形过程中中心部位和碰撞面"二次碰撞"所产生的芯片安装部位弯曲变形密切相关,TSOP封装芯片引脚部位的瞬时拉应力和剪切应力是导致焊点失效的主要原因.     

芯片电子封装翘曲的非线性有限元分析

针对芯片电子封装翘曲主要是由各种部件材料性能与几何尺寸不匹配,以及封装过程中温度分布不均匀性引起的问题,在只考虑材料属性的前提下,将不同的基板材料和环氧模塑封装材料(Epoxy Molding Compound,EMC)进行组合,运用有限元软件MSC Patran/Nastran研究不同组合工况对封装翘曲的影响.研究表明,当封装材料与基板材料的属性相差较大时,会发生大的向上翘曲;当两者材料属性相差较小时,向上的翘曲值较小;但当两者材料属性过于趋近时,会发生向下翘曲的情况.     

随机振动载荷下电子箱PCBA焊点疲劳寿命分析

电子箱在力学载荷环境下,振动引起的高周循环疲劳应力会造成箱体中电路焊点失效,影响电子箱整机可靠性;针对一种印制电路板组件焊点进行整机级振动试验,通过建立电子箱整机有限元模型,进行与试验状态一致的随机振动试验仿真分析,提取焊点上的应力、加速度响应水平;基于Basquin模型,建立了PCBA疲劳寿命预测模型,将几种不同振动载荷下的焊点响应结果代入到预测模型,计算得到电子箱在不同振动载荷下的寿命分析结果,得到电子箱PCBA焊点的应力-寿命（S-N）曲线;结果表明,在工况随机振动条件下电子箱PCBA焊点具有足够可靠性,随着振动激励增大,焊点疲劳寿命显著缩短,该方法可用于电子箱整机级PCBA焊点随机振动疲劳寿命分析。     

MEMS器件贴片工艺研究

贴片工艺是MEMS封装中的关键工艺。根据残余应力理论,应用有限元方法和试验技术研究了贴片胶杨氏模量和热膨胀系数对贴片应力和芯片翘曲的影响。结果表明:杨氏模量和热膨胀系数是影响贴片应力和芯片翘曲的重要因数。杨氏模量越大,贴片后产生的应力越大,引起芯片的翘曲越大,但杨氏模量大到一定数值后,应力不会再增大,反而对应力具有一定的隔离作用;热膨胀系数越大,贴片后产生的应力越小,引起芯片的翘曲越小,反之,引起芯片的翘曲越大。在满足粘接强度和工艺条件下,选用软胶有利于减小应力和芯片翘曲。     

基于NoC的众核处理器可靠性仿真分析研究

随着半导体制造工艺的发展,众核芯片上的晶体管密度不断增加,随之而来的寿命可靠性问题日益严重。为了准确评估芯片的可靠性,本文提出了一种基于蒙特卡洛方法的系统级可靠性仿真框架,并在此基础上研究了NoC通信架构对可靠性的影响。实验结果表明,如果不考虑众核芯片的NoC通信结构,系统级可靠性评估的相对偏差最高可达到60%左右。     

基于模态应力恢复的轿车发动机舱盖焊点疲劳寿命分析

建立汽车发动机舱盖焊点有限元模型,并将分析结果与试验模态对比,验证该有限元模型的准确性.分别采用准静态法和模态应力恢复法得到焊点的应力-时间历程;基于Palmgren-Miner线性损伤累积准则和S-N曲线对比评估焊点疲劳寿命,并在模态应力恢复方法中考虑截止频率和结构阻尼对焊点疲劳寿命的影响.与虚拟台架试验的对比结果表明：准静态预测的焊点寿命大于试验寿命,截止频率为200 Hz且结构阻尼为0.06的模态应力恢复结果与试验结果较吻合.基于模态应力恢复法优化设计的发动机舱盖通过耐久路试.     

冲击硅微机械加速度传感器的封装与封装性能分析

给出了一种压阻式冲击硅微机械加速度传感器的器件封装结构并对其封装的性能进行了分析.加速度传感器的封装采用可伐合金做管壳,采用环氧粘合剂将芯片粘结在金属基板上,采用金丝连接芯片铝焊点和管脚,使用环氧灌封胶充填管壳内空余的区域,来缓冲芯片受到冲击时承受的冲击应力.用ANSYS软件对封装后的器件进行了模态分析.分析结果表明,封装后加速度传感器敏感结构--悬臂梁敏感方向上的模态频率与封装前基本相同,封装后器件管壳三个破坏方向上的模态频率足够大.因此,封装不影响加速度传感器的测试性能并有良好的抗冲击能力.用霍普金森杆对封装后器件进行了冲击破坏实验.实验结果表明,引线从芯片铝焊点处脱落是冲击破坏的主要形式.     

冲击载荷下BGA焊点应有限元模拟

从动力学角度分析了PBGA组件在高加速度冲击载荷下的响应.采用解析法与有限元分析相结合的方式考察了PBGA组件的结构参数和材料特性等因素对焊点应力的影响,并运用参量分析法比较了这些因素对焊点应力的影响程度.分析结果表明:在冲击载荷下,焊点位置对焊点应力的影响最大,应力峰值出现在PBGA器件的最外端焊点上,而焊点高度、BGA模量以及PCB模量对焊点应力影响较小.增大焊点直径或减小焊点模量均可有效减小焊点的应力,选择适当的PCB厚度也可降低焊点的应力.     

不同温度规范对微电子封装可靠性影响的研究

使用Ansys有限元软件建立三维BGA封装模型,考虑在不同的保温时间和升降温时间情况下焊点的力学行为,并通过Darveaux的失效模型来计算并比较封装体的疲劳寿命。结果表明:对于焊点在温度循环过程中的疲劳寿命来说,保温时间的影响比升降温时间的影响大,保温时间超过20min之后对寿命的影响就很小了,说明温度循环测试的关键不应该在升降温时间而应该在保温时间上。     

质子交换膜燃料电池电堆结构封装支撑件振动可靠性仿真

为计算某质子交换膜燃料电池电堆封装支撑件的疲劳寿命,用CATIA建立该质子交换膜燃料电池电堆的CAD模型;用HyperMesh对该CAD模型进行网格划分;将得到的有限元模型导入MSC Patran中,确定输入载荷谱和边界条件并进行应力载荷计算,对该结构封装支撑件进行振动可靠性仿真．结果表明无论在一般路面还是在强化路面条件下,该封装支撑件满足整车对其寿命的要求．该仿真结果可为质子交换膜燃料电池电堆悬置系统的设计提供参考．     

飞机腐蚀搭接板的应力分析

为降低由于铝合金腐蚀产生的膨胀作用引起的枕垫效应对飞机搭接板应力的影响,利用非线性有限元法分别对不同铆钉弹性模量、不同搭接板弹性模量和不同搭接板泊松比下的腐蚀搭接板进行仿真分析.结果表明：枕垫效应对搭接板应力的影响随着铆钉弹性模量的增大、搭接板弹性模量和泊松比的减小而减小.     

微波功率放大器芯片的热分析

建立适当模型对微波功率放大器芯片的单个晶体管进行温度分析,仿真结果表明,最高温度高于晶体管正常工作温度。从封装上采取措施,对芯片-粘接材料-基板这一基本结构进行分析,最后解决了温度过高问题。     

直曲增强型负泊松比超材料的力学性能与减振研究

负泊松比超材料结构作为一种新型智能材料与结构,精确计算超材料结构在大应变下的非线性力学性能对其在工程中的潜在应用具有重要意义.本文在弧形内凹负泊松比结构中加入直杆,设计了一类直杆增强型直曲耦合内凹超材料结构;利用能量法推导出了曲边内凹蜂窝结构的横/纵向等效泊松比与等效弹性模量的解析表达式,讨论结构各参数对结构等效泊松比与等效弹性模量的影响.考虑几何非线性大变形,建立了曲边内凹负泊松比结构的有限元模型,并与线性模拟结果对比,验证了解析表达式的正确性.结果表明,等效泊松比与等效弹性模量均随变形增大而变化,且变形越大差异越明显,大变形下须考虑几何非线性;利用谐响应分析计算结构的加速度级和加速度振级落差,凸显所设计超材料结构的减振性能;分析结构整体减振性能,发现其随层数增加逐渐增大;不随频率变化,在低频范围内对激励产生的响应能够起到抑制作用.因此,合理的设计超材料微结构对结构的低频振动具有很好的抑制作用,对负泊松比超材料减振结构设计具有一定的参考意义.     

新型埋入式板级封装技术

越来越多的高密度、多功能和小型化需求给封装和基板都带来了新的挑战,很多新的封装技术也应运而生,包括引起众多关注的埋入式封装技术.在本文中,我们首先对埋入封装技术的优势、挑战以及发展现状进行了介绍.然后通过将功能性有源器件埋入到有机基板中的尝试说明了设计、制造和测试埋入式封装这一新兴技术的可行性.制定一个切实可行的解决方案,有利于降低制造成本和市场的产品开发周期.我们提出的这种埋入式板级封装技术,与传统的封装和基板工艺都兼容.此外,本文设计了将功能性的MOSFET有源芯片埋入到有机基板中的板级封装模块结构,对该模块进行了热机械仿真分析,找到了最大应力点,优化了工艺设计.最后,结合传统的基板工艺,制备了埋入式板级封装样品,并完成了埋入式板级封装模块的电阻通断测试和功能测试,验证了该工艺设计的可行性.     

梯度负泊松比蜂窝材料的冲击动力学性能分析

借助非线性有限元程序LS-DYNA,基于功能梯度材料的概念,改变蜂窝胞壁厚度,建立了具有密度梯度的内凹六边形负泊松比蜂窝材料模型.分析对比了均匀负泊松比蜂窝材料和梯度负泊松比蜂窝材料在不同面内冲击速度下的变形模式、动态响应和能量吸收特性.研究表明,梯度负泊松比蜂窝材料的动态响应和能量吸收能力受梯度、胞元内凹角度和冲击速度的影响.如果能适当选取各项参数,就可使材料在降低初始应力峰值的同时保持良好的能量吸收能力.因此,具有密度梯度的负泊松比蜂窝材料在结构防护方面具有良好的应用前景.     

测试封装应力用压阻式应变计阵列

集成电路封装应力是影响芯片生产的成品率和可靠性的关键因素.针对目前广泛采用的PQFP封装模式,介绍了利用压阻式应变计阵列测试集成电路封装应力的原理、应变计的制造及标定方法.     

间隙对厚板小孔冲裁质量的影响

冲裁间隙是厚板小孔冲裁（t＞4,d/t≤1）过程中影响孔断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗等的重要工艺参数之一。冲裁间隙的大小对光亮带、断裂带、毛刺、翘曲和斜角等都会产生不同的影响。冲裁过程的变形力、最终得到的孔的质量及模具的寿命等都与间隙有很大的关系。间隙过小时,塑性剪切区中的拉应力小,静水压应力大,而压应力大使板料塑性好,裂纹的产生受到抑制,从而使光亮带增大,塌角和翘曲等较小,但所需剪切力和冲裁力也较大,导致凸、凹模刃口应力增大。同时,板料对凸、凹模的侧压力和侧向摩擦力也随间隙减小而增大,导致凸、凹模侧壁磨损加剧。因而适当增加间隙,可减轻不利影响。但当间隙过大时,材料中的拉应力就将增大,模具的刃磨寿命反而降低。本文采用仿真模拟和现场实验相结合的方法,分析了厚板小孔冲裁间隙对冲裁力、孔径和废料等的影响,得到最佳相对冲裁间隙。     

测试封装应力用压阻式应变计阵列

集成电路封装应力是影响芯片生产的成品率和可靠性的关键因素。针对目前广泛采用的PQFP封装模式，介绍了利用压阻式应变计阵列测试集成电路封装应力的原理、应变计的制造及标定方法。     

焊点模拟方法对疲劳仿真寿命的影响

为改善焊点疲劳仿真寿命分布的合理性,基于盒状样件,讨论焊点的模拟方法对疲劳仿真寿命的影响,并进行疲劳仿真结果与试验结果的对比分析.结果表明,梁单元焊点模型和ACM焊点模型受网格尺寸的影响较大;而nugget焊点模型受网格尺寸影响相对较小,即使在焊点周边的网格尺寸一致性不好的情况下,该模型也能给出相对合理的寿命分布结果.