3D封装芯片焊点可靠性有限元分析

选择工业中广泛使用的Sn,Sn3.9Ag0.6Cu钎料作为三维封装芯片键合焊点材料,采用ANSYS有限元软件建立三维封装模型,基于Garofalo-Arrhenius本构方程,进行?55 ~ 125 °C热循环模拟,并通过田口法探讨封装结构和工艺参数对焊点的可靠性影响. 结果表明,Cu柱与焊点接触处是整个结构的薄弱区域,在IMC焊点阵列中最右列第二个焊点处出现最大应力. 通过田口法,结合有限元模拟结果,获得了4个因子对S/N的贡献度由大到小依次为:焊点阵列、焊点高度、芯片厚度、焊点材料. 其中焊点阵列的影响最大,其次是焊点高度、芯片厚度,焊点材料影响最小. 基于优化设计,获得了最优的匹配组合为3 × 3阵列,焊点高度0.02 mm,芯片厚度0.2 mm,焊点材料Cu₆Sn₅.     

三维封装铜柱应力及结构优化分析

文中利用有限元模拟软件ANSYS对三维立体封装芯片发热过程中整体应力及局部铜柱的应力情况进行了分析,并对三维封装的结构进行了优化设计.结果表明,最大应力分布在铜柱层,铜柱的应力最大点出现在铜柱外侧拐角与底部接触位置.以铜柱处最大应力作为响应,进行了结构参数优化,采用三因素三水平正交试验方法,分别使用铜柱直径、铜柱高度、铜柱间距三个影响因素作为变化的结构参数.结果表明,铜柱直径的变化对等效应力影响最大,铜柱间距次之,铜柱高度影响最小.且发现随着铜柱高度、铜柱间距、铜柱直径的不断增大其铜柱外侧拐角与底部接触位置的最大等效应力不断减小.     

基于田口法的高密度倒装微铜柱凸点热失效分析

采用有限元模拟法,分析在热循环载荷条件下高密度倒装芯片封装微铜柱凸点的失效行为,并以微铜柱凸点的最大累积塑性应变能密度作为响应,采用3因素3水平的田口正交试验法分析倒装芯片封装的主要结构参数和材料属性对其热失效行为的影响.结果表明,距离封装中心最远处的微铜柱凸点是封装体中的关键微凸点,热疲劳导致的裂纹易在该微铜柱凸点的基板侧焊料外侧形成.底部填充胶的线膨胀系数对微铜柱凸点热失效的影响最大,影响适中的是底部填充胶的弹性模量,最弱的是芯片厚度.     

基于田口法的CSP器件结构优化设计

为提高芯片尺寸封装(CSP)器件的焊点可靠性,基于田口法,采用Garofalo-Arrhenius稳态本构方程和有限元法,对CSP器件焊点热循环载荷下的应力应变分布进行有限元模拟. 考虑焊点材料、焊点高度、芯片厚度、基板厚度四个控制因素,借助田口法,采用正交表L9(34)安排试验,研究发现影响焊点可靠性的主要影响因素为焊点材料和焊点高度. 经过田口试验法优化得到的最佳方案组合为焊点材料Sn3.9Ag0.6Cu,焊点高度0.29 mm,芯片厚度0.1 mm,基板厚度0.17 mm. 该最优方案和原始设计方案相比,蠕变应变能密度降低65.4%,信噪比提高了9.22 dB. 结果表明,CSP器件焊点可靠性得到显著提高.     

功率循环载荷下BGA焊点应力与应变分析

建立了球栅阵列封装(ball grid array, BGA)焊点有限元分析模型，基于ANAND本构方程，分析了BGA焊点在功率循环载荷下应力与应变的分布情况，并搭建试验平台，完成了功率循环载荷下BGA封装器件应力与应变的测量试验，验证了仿真分析的可行性.选取焊点高度、焊点直径、焊盘直径和FR4基板厚度完成了正交试验分析，通过非线性回归分析得到高拟合度的BGA焊点功率循环应力量化评价模型.结果表明，BGA焊点结构参数对焊点应力影响大小排序为焊盘直径、FR4基板厚度、焊点直径和焊点高度，焊盘直径对BGA焊点应力影响显著，焊点直径、焊点高度和FR4基板厚度对BGA焊点应力影响不显著；最优参数水平组合为焊点高度0.39 mm、焊点直径0.42 mm、焊盘直径0.34 mm和FR4基板厚度0.8 mm，最优水平组合下BGA焊点应力与应变明显降低.     

基于正交设计的WLCSP柔性无铅焊点随机激励应力应变分析

对晶圆级芯片尺寸封装(wafer level chip scale package, WLCSP)柔性无铅焊点进行了随机振动应力应变有限元分析. 以1号柔性层厚度、2号柔性层厚度、上焊盘直径和下焊盘直径四个结构参数作为关键因素,采用正交表设计了16种不同结构参数组合的柔性焊点,获取了16组应力数据并进行了方差分析. 结果表明:焊点内最大应力应变随1号柔性层厚度和2号柔性层厚度的增加而减小;在置信度99%时,下焊盘直径和上焊盘直径对应力具有高度显著影响,在置信度95%时1号柔性层厚度和2号柔性层厚度对应力具有显著影响;各因素对应力影响排序为:下焊盘直径影响最大,其次是上焊盘直径,再次是1号柔性层厚度,最后是2号柔性层厚度.     

热循环载荷下POP堆叠焊点应力分析与优化

建立叠层封装(packaging on packaging,POP)堆叠焊点有限元模型,基于ANAND本构方程,分析了热循环载荷下焊点应力分布状态及热疲劳寿命;基于灵敏度法分析了POP封装结构参数对焊点热应力的影响显著性;基于响应面法建立POP堆叠焊点热应力与结构参数的回归方程,并结合粒子群算法对结构参数进行了优化.结果表明,焊点与铜焊盘接触处应力最大,该处会率先产生裂纹,上层焊点高度和下层焊点高度对POP堆叠焊点热应力影响较为显著;最优结构参数水平组合为上层焊点高度0.35 mm、下层焊点高度0.28 mm、中层印刷电路板厚度0.26 mm,优化后上、下两层焊点的最大热应力分别下降了0.816和1.271 MPa,延长了POP堆叠焊点热疲劳寿命.     

热循环条件下高密度互连点的应力应变分析

采用多线性随动强化材料模型和粘塑性材料模型,模拟填充胶和无铅钎料的材料性质,建立高密度倒装芯片封装的有限元模型;基于热循环条件下封装体中互连点的应力应变分析,探讨其可靠性,通过试验对分析结果进行验证。结果表明,封装体中边角焊点承受最高的等效应力,为最易失效焊点;以最易失效焊点为代表,最大塑性剪切应变分布在该焊点的芯片侧,呈现出由外侧向内侧减小的分布特征,表明裂纹倾向于在外侧形成,向内侧扩展,试验结果验证了这一分析。此外,文中通过对塑性应变演变规律的分析,探讨了互连点的失效机理。     

纳米Ti颗粒对三维封装Sn互连材料组织与性能影响

Sn作为三维封装芯片堆叠瞬时液相键合主要互连材料之一,本文研究了纳米Ti颗粒对三维封装Sn互连材料组织和性能的影响。结果表明：微量的纳米Ti颗粒可以提高Sn膏在铜基板表面的润湿铺展面积,显著增加Sn焊点的拉伸力和剪切力,但是过量的Ti纳米颗粒会恶化焊点的力学性能。基于Ti纳米颗粒含量优化分析证实纳米Ti颗粒的最佳添加量为0.1wt.%左右。对Cu/Sn/Cu和Cu/Sn-0.1Ti/Cu三维封装模拟件进行分析,发现Cu/Sn-0.1Ti/Cu焊点界面金属间化合物的厚度明显小于Cu/Sn/Cu,证实0.1wt.%可以显著降低金属间化合物的生长速度。 基于有限元模拟,发现0.1wt.%Ti可以显著降低三维封装互连焊点的应力-应变,提高三维封装互连焊点的可靠性。     

基于响应曲面法的BGA焊点结构参数优化设计

球栅阵列(ball grid array package,BGA)封装因其成本低、电气性能好而被广泛应用于集成电路产业中.文中建立了BGA三维模型，将等效应力作为响应目标，选取焊点直径、焊点高度、焊点间距、芯片厚度作为设计因子，采用响应曲面法设计了25组不同水平组合的焊点结构参数进行仿真计算，并基于遗传算法分析对焊点结构热振可靠性进行了优化.结果表明，焊点间距对BGA结构热振可靠性有重要影响；优化方案组合为焊点直径0.28 mm，焊点高度0.20 mm，焊点间距0.40 mm.经过优化验证分析，该优化方案较原始设计方案等效应力降低了11.92%，实现了BGA器件焊点参数优化目的.     

接头形式对陶瓷/金属连接残余应力的影响

采用有限元数值模拟方法研究了用AgCuTi钎料并添加Kovar中间层对氧化铝陶瓷/不锈钢进行钎焊连接接头残余应力的分布情况,分析接头形式对残余应力的影响.结果表明,采用等壁厚直接对接接头时,接头最大等效应力高达600 MPa以上,而将不锈钢壁厚减半后再进行对接时,接头最大等效应力可以降低近200 MPa;两种情况下最大等效应力均出现在靠近连接界面的陶瓷中,断裂易在此位置发生.考查了各应力分量对最终残余应力的贡献,结果显示轴向应力和剪切应力在靠近界面的陶瓷侧有较大残余拉应力是造成接头强度降低的主要因素.     

Distribution Features of the Residual Stress For T-Joints by Laser Welding

The residual stress of T-joints for SUS304 stainless steel by YAG laser welding was measured by the method of hole-drilling,and the effects of heat treatment and hardness distribution of weld joints on the distribution of residual stress for T-joints were analyzed.The results showed that the maximum of longitudinal residual tensile stress for T-joints was about 140MPa.The maximum of residual stress was not more than 40MPa after heat treatment,the peak of residual stress reduced obviously.The gradient of residual stress distribution was also reduced significantly.Strain hardening phenomenon occurred for T-joints,and the hardness of weld and heat affected zone was both higher than the hardness of base metal,the peak of hardness occurred in the fusion line.The effect of strain hardening phenomenon of weld and heat affected zone on the residual stress distribution of T-joints for SUS304 stainless steel was obvious,which made longitudinal residual tensile stress become higher.     

低应力柔性CCGA焊点设计及其可靠性预测

为提高大芯片面阵列封装的可靠性、降低工作载荷下钎料焊点内部的应力集中程度,基于力学原理对陶瓷柱栅阵列（ceramic column grid array,CCGA）封装结构进行了柔性互连设计和焊点形态设计.采用有限元方法研究了该低应力柔性CCGA互连结构在剪切载荷下的力学行为.结果表明,互连结构的峰值应力和峰值应变由设计的铜质的锥形漏斗体承担,性能薄弱的钎料及钎料/铜柱界面不再处于互连结构的应力应变集中位置,焊点内部应力应变较传统CCGA焊点降低显著;预测该低应力柔性CCGA互连焊点将具有更高的可靠性.     

基板材料对QFP焊点应力应变影响的数值模拟

采用粘塑性有限元法,针对三种不同基板材料,对Sn3.8Ag0.7Cu焊点的应力及应变进行分析.结果表明,FR-4基板对应焊点的最大应力集中在焊点最内侧的尖角处;LTCC基板对应焊点的最大应力集中在焊点最外侧的尖角处;PTFE基板对应焊点的最大应力集中在焊点和引线交界的尖角处.三种基板材料中,FR-4基板对应焊点的残余应力最小,LTCC基板对应焊点残余应力最大,PTFE基板对应焊点居中.运用Anand方程计算得出Sn37Pb钎料的分析结果和Sn3.8Ag0.7Cu钎料对应的结果具有相同的规律.对基板厚度进行的优化模拟计算结果表明,基板厚度为0.8mm时对应焊点的残余应力最大.     

基于焊点形态预测与塑性应变计算的工艺参数对QFP焊点可靠性影响分析

选取焊盘长度、焊盘宽度、钢网厚度和间隙高度4个工艺参数作为关键因素,采用水平正交表L25(56)设计了25种不同参数组合的208脚、0.5mm引脚间距四方扁平封装(Quad Flat Package:QFP)器件焊点;建立了这25种焊点的三维形态预测模型和三维有限元分析模型;对热循环加载条件下QFP焊点进行了非线性有限元分析,基于塑性应变采用Coffin-Manson方程计算了25种不同焊点形态的QFP焊点热疲劳寿命;针对热疲劳寿命计算结果,进行了极差分析与方差分析。结果表明,最优的工艺参数组合为焊盘长度1.25mm,焊盘宽度0.30mm,钢网厚度0.125mm,间隙高度0.05mm;在置信度为90%的情况下,焊盘长度对QFP焊点可靠性具有显著影响而焊盘宽度、钢网厚度、间隙高度对可靠性无显著影响。     

高强钢低匹配静载等承载对接接头优化设计

按照理论匹配比设计的接头通常存在强度富裕,根据对接接头硬度测试结果,对比对接接头实际匹配比与应力集中因子分布,能够确定接头的最小实际匹配比.按照焊根处应力集中因子与最小实际匹配比相等的原则,对按照屈服强度匹配比设计的高强钢低匹配等承载对接接头按照抗拉强度匹配比进行了静载条件下几何参数的二次优化设计,接头几何尺寸显著减小,该接头设计方法考虑了冶金强化作用,避免了不必要的浪费.     

Analyzing the Effect of Diffusion Bonding Process Parameters on Bond Characteristics of Mg-Al Dissimilar Joints

The principle difficulty when joining magnesium (Mg)-aluminium (Al) lies in the existence of formation of oxide films and brittle intermetallic in the bond region. However, diffusion bonding can be used to join these alloys without much difficulty. Temperature, pressure, and holding time are the three main variables which govern the integrity of a diffusion bond. This paper focuses on the effect of these parameters on diffusion layer thickness, hardness and strength of AZ31B magnesium-AA2024 aluminium dissimilar joints. The experiments were conducted based on three factors, five-level, and central composite rotatable design with full replications technique. Empirical relationships were developed to predict diffusion layer thickness, hardness and strength using response surface methodology. From this investigation, it is found that bonding temperature has predominant effect on bond characteristics.