芯片堆叠封装耐湿热可靠性

采用Abaqus软件模拟了CPU和DDR双层芯片堆叠封装组件在85℃/RH85%湿热环境下分别吸湿5,17,55和168 h的相对湿气扩散分布和吸湿168 h后回流焊过程中湿应力、热应力和湿热应力分布,并通过吸湿和回流焊实验分析了该组件在湿热环境下的失效机理。模拟结果表明,在湿热环境下,分别位于基板和CPU、CPU和DDR之间的粘结层1和2不易吸湿,造成粘结层的相对湿度比塑封材料低得多,但粘结层1的相对湿度比粘结层2要高。吸湿168 h后,在回流焊载荷下湿应力主要集中在芯片DDR远离中心的长边上,而最大湿热应力和热应力一样位于底层芯片CPU的底角处,其数值是单纯热应力的1.3倍。实验结果表明,界面裂纹及分层集中在底层CPU芯片的边角处和芯片、粘结层和塑封材料的交界处,与模拟结果相一致。     

大功率LED封装界面层裂对界面传热性能的影响分析

对大功率LED封装器件进行了封装界面层裂的热仿真分析,在芯片粘结(DA)层上构建了不同的界面层裂模型,探究了不同层裂形状、位置及分布时界面层裂对芯片热传递的影响规律。结果表明:随着界面层裂面积的增加,LED芯片结温以14℃/mm~2以上的速率增大,层裂面积达到36%时,芯片最高温度为68.68℃,相比无层裂时升高了9.8%;并且界面层裂处于DA层的下界面比上界面对芯片温度分布影响更大;此外,针对同一界面的层裂缺陷,相对于边缘位置和中心位置,封装边角位置的层裂对整体LED封装热传输能力的阻碍作用更明显。     

硅基HgCdTe面阵焦平面器件结构热应力分析

红外焦平面器件是一个多层结构,包含外延衬底、HgCdTe芯片、Si读出电路、互连In柱、粘结胶以及引线基板等,由于各层材料之间的热膨胀系数不同导致焦平面器件在工作中承受很大的热应力,热应力是导致红外焦平面器件失效的重要因素之一。本文运用一维模型以及有限元分析方法对硅基HgCdTe320×240焦平面器件结构进行热应力分析,结果表明,改变Si衬底厚度、粘结胶的杨氏模量以及基板的热膨胀系数,都会不同程度地影响HgCdTe薄膜上的受力,其中基板的热膨胀系数对HgCdTe薄膜所受的应力影响最大。通过选用合适的基板可以有效降低HgCdTe薄膜所受的应力,从而降低器件失效率。     

基于 CPU 和 DDR 芯片的 SiP 封装可靠性研究

利用 Abaqus 有限元分析方法分析了温度循环条件下 CPU 和 DDR 双芯片 SiP 封装体的应力和应变分布。比较了相同的热载荷下模块尺寸以及粘结层和塑封体的材料属性对 SiP 封装体应力应变的影响。结果表明，底层芯片、粘结层和塑封体相接触的四个边角承受最大的应力应变。芯片越薄，SiP 封装体所承受的应力越大；粘结层越薄，SiP 封装体所承受的应力越小。塑封体的材料属性比粘结层的材料属性更显著影响 SiP 封装体应力应变，当塑封体的热膨胀系数或杨氏模量越大时，SiP 封装体所受应力也越大。     

功率型白光LED封装的热分析

应用有限元方法研究了一种典型的白光LED封装结构的温度场、光波电磁场及热应力场的分布规律,分析结果表明:对支架式封装的功率型LED系统,当达到热稳态平衡时,在芯片上的温度达到最高,环氧透镜顶部表面的温度最低,对1 W功率芯片,在自然冷却时最高点与最低点温度差为5.4℃,在强制风冷时最高点与最低点温度差为2.5℃.LED温度场分布对光波电磁场有影响,芯片温度越高其发光强度下降也越快;温度引起的热应力主要集中在芯片附近,芯片与基板之间的焊料处也存在较大的应力.     

芯片叠层封装的失效分析和热应力模拟

通过高温高湿加速实验对双芯片叠层封装器件的失效进行了研究,观察到存在塑封料与上层芯片、BT基板与塑封料或贴片胶的界面分层和下层芯片裂纹等失效模式．结合有限元分析对器件内热应力分布进行了计算模拟,分析了芯片裂纹的失效机理,并从材料性能和器件结构角度讨论了改善叠层封装器件可靠性的方法．     

芯片叠层封装的失效分析和热应力模拟

通过高温高湿加速实验对双芯片叠层封装器件的失效进行了研究,观察到存在塑封料与上层芯片、BT基板与塑封料或贴片胶的界面分层和下层芯片裂纹等失效模式.结合有限元分析对器件内热应力分布进行了计算模拟,分析了芯片裂纹的失效机理,并从材料性能和器件结构角度讨论了改善叠层封装器件可靠性的方法.     

三维铝封装结构设计及互连可靠性研究

针对三维封装热应力失配引发的互连可靠性问题,提出了基于铝基板侧边互连的三维封装方法。应用ANSYS软件建立了COB(Chip on Board,板上芯片)堆叠灌封模型,分析了单层COB及多层COB的应力分布并进行优化,并通过实验进行验证。结果表明,在COB层间增设围坝结构可有效抑制翘曲,经过25~125℃温循,加设围坝的四层COB灌封结构最大变形量为0.081 mm,最大等效应力为175 MPa,低于硅芯片的断裂强度,层间无开裂,经温循实验后固存读写功能正常。     

基于ANSYS的功率VDMOS器件的热分析及优化设计

针对TO-220 AB封装形式的功率VDMOS器件,运用有限元法建立器件的三维模型,对功率耗散条件下器件的温度场进行热学模拟和分析,研究了基板厚度、粘结层材料及粘结层厚度对器件温度分布的影响.分析结果表明,由芯片至基板的热通路是器件的主要散热途径.基板最佳厚度介于1～1.2 mm之间,且枯结层的导热系数越大、厚度越薄,越有利于器件的散热.     

大尺寸LTCC焊接组件热变形特性的仿真研究

为了研究不同封装条件对低温共烧陶瓷(LTCC)基板封装焊接后残余热应力的影响,该文针对不同温变载荷下LTCC基板的热应力变形进行了仿真计算和实验测试,结果显示仿真计算与实验测试结果具有较好的一致性,验证了数值仿真用于LTCC基板封装焊接后残余热应力仿真的可行性。在此基础上对零膨胀合金底板和硅铝合金封装条件下3种典型工作温度对应的LTCC基板的热应力进行了仿真计算。结果表明,封装焊接后LTCC基板两侧边缘应力集中,中间残余应力小,呈翘曲状态,采用硅铝合金封装焊接的热应力小于零膨胀合金封装。     

塑料球栅阵列封装的热应力模拟

电子封装使用多种性能各异的材料,这些材料的热膨胀系数各不相同.把其组合成一个整体后,当温度变化时,在不同的材料界面会产生压缩或拉伸应力.建立了完全焊点阵列形式的模型,采用局部温度加载方式,对塑料球栅阵列封装的热应力进行了数值模拟.     

RF MLCC热应力分析

采用有限元方法,应用ANSYS软件．模拟不同内电极结构和不同端电极厚度的RF MLCC在热冲击时的热应力分布。模拟结果显示：端电极倒角处、银电极与内电极引出端的接触处所受von mises热应力较大．是热应力下RF MLCC结构中最薄弱的部位：结构中的峰值热应力随温度循环次数的增加而增加,五次循环后的热应力约为首次循环的4．5倍;悬浮内电极结构银电极上的最大热应力远小于正常内电极结构;增加银电极厚度可以大大减小热应力,对于13层悬浮内电极结构的RF MLCC．银电极厚度增加一倍,其所受热应力最大值减少约50％。本次仿真结合了自由划分和映射划分,并且多次局部细化网格,消除了畸形网格,使得各次仿真的能量准则百分比误差均小于2％。为分析RF MLCC热失效机制、优化结构、提高其可靠性提供了理论依据。     

界面粗糙度对硅通孔结构界面分层的影响

硅通孔(TSV)结构是三维互连封装的核心,针对其热可靠性问题,基于ANSYS有限元分析软件分别构建光滑和粗糙两种界面形貌的TSV结构分析模型,模拟计算了两种界面下TSV结构的热应力和界面分层裂纹尖端能量释放率,通过对比分析研究了界面粗糙度对TSV结构界面分层的影响。结果表明,温度载荷下粗糙界面上热应力呈现出明显的周期性非连续应力极值分布,且极值点位于粗糙界面尖端点。界面分层裂纹尖端能量释放率也呈周期性振荡变化。降温下,粗糙界面尖端点附近能量释放率明显大于光滑界面稳态能量释放率;升温下,粗糙界面能量释放率总体上呈现出先增大后减小的变化趋势。     

基于析因实验设计的QFN热可靠性分析

在微电子封装器件的生产或使用过程中,由于封装材料热膨胀系数不匹配,不同材料的交界处会产生热应力,热应力是导致微电子封装器件失效的主要原因之一。文章采用MSC．Marc有限元软件,分析了QFN器件在回流焊过程中的热应力、翘曲变形、主应力及剪应力,并由析因实验设计得到影响热应力的关键因素。研究表明：在回流焊过程中,QFN器件的最大热应力出现在芯片与粘结剂接触面的边角处;主应力和剪切应力的最大值也出现在芯片与粘结剂连接的角点处,其值分别为21．42MPa和-28．47MPa;由析因实验设计可知粘结剂厚度对QFN热应力的影响最大。     

3D IC受热载荷作用下的数值模拟

针对基于硅通孔技术的3D IC在工作过程中的受热问题,利用热弹性力学理论建立了三维有限元数值模拟分析模型,对结构进行了热分析,同时探讨了器件由此产生的热应力.计算结果表明,由芯片到底面的热通路为散热的主要通道,其它表面的对流条件对热场分布影响不大;芯片与通孔接触面的边角处有应力集中,在热载荷的长期、交变作用下容易发生开...     

基于析因实验设计的QFN热可靠性分析

在微电子封装器件的生产或使用过程中,由于封装材料热膨胀系数不匹配,不同材料的交界处会产生热应力．热应力是导致微电子封装器件失效的主要原因之一。采用MSC．Marc有限元软件．分析了QFN器件在回流焊过程中的热应力、翘曲变形、主应力及剪应力,并由析因实验设计得到影响热应力的关键因素。研究表明：在回流焊过程中,QFN器件的最大热应力出现在芯片与粘结剂接触面的边角处：主应力和剪切应力的最大值也出现在芯片与粘结剂连接的角点处．其值分别为21．42MPa和-28．47MPa：由析N实验设计可知粘结剂厚度对QFN热应力的影响最大。     

LQFP和eLQFP热机械可靠性的有限元分析

封装形式的差异性对产品可靠性具有重要影响。基于有限元法,对比分析了薄型四方扁平封装(LQFP)和载体外露薄型四方扁平封装(eLQFP)在室温和回流焊温度下的翘曲、芯片和粘片胶的应力水平以及各材料界面应力分布。研究表明,LQFP的翘曲比eLQFP的大,但芯片和粘片胶上的最大应力无明显差别;eLQFP在塑封材料与芯片有源面界面的应力水平比LQFP的大;eLQFP在芯片与粘片胶界面、粘片胶与芯片载体界面的剪切应力比LQFP的大,但eLQFP在芯片与粘片胶界面、粘片胶与芯片载体界面的剥离应力比LQFP的小;eLQFP在塑封材料与芯片载体镀银区界面的应力水平高于LQFP的应力水平,由于塑封材料与镀银芯片载体的结合强度弱,eLQFP更易发生界面分层。     

Si/GaAs晶圆片键合热应力及其影响因素分析

分别利用Suhir双金属带热应力分布理论和有限元法研究了Si/GaAs晶圆片键合界面在退火过程中的热应力分布,并将热应力分布理论计算结果与有限元分析结果进行了对比验证,得到了一致的结论.根据计算分析结果,对晶圆片进行了结构热变形分析,并研究了不同因素对键合热应力的影响,提出了减小键合热应力的有效措施.     

热冲击应力对非硅MEMS器件可靠性的影响

以非硅MEMS器件作为研究对象,建立了非硅MEMS器件基本结构的热-机械耦合的有限元分析模型,并加载–60~+150℃的热冲击应力进行有限元分析。分析结果表明,热冲击应力导致结构层间由于热膨胀系数失配而产生应力,其中铜层与铬层界面间应力最大,且主要表现为x方向的剪切应力,其随温度循环在–75.6 MPa至125.3MPa之间转换,因此该界面间最易发生疲劳失效,导致结构分层。在此基础上,对某非硅MEMS惯性开关开展了热冲击试验和随机振动试验,验证了理论分析结果的正确性,找到了非硅MEMS器件的主要失效模式。