（工程力学专业论文）典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测.pdf

，j 、 0 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s 仃o n a u t i c s t h e ( 打a d u a t es c h 0 0 1 c 0 1 1 e g eo f a e r o n a u t i ca i l da e r o s p a c e t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i sa n d f a t i g u e l i f ep r e d i c t i o no fb p i c a le l e c t r o n i c p a c k a g e s a t h e s i si l l e n g i n e 嘶n gm e c h a i l i c s b y f a np i n g p i n g a d v i s e d b y h a n j i n g l o n g s u b m i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o f 吐l er e q u 讹m e n t s f o rm ed e 印eo f m a s t e ro fe n g i n e e 血g m a r c h ，2 0 1 0 i - 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： q；。 i 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着电子封装技术向着高密度、高性能、小型化和低成本的方向发展，振动与热引起的可 靠性问题日益成为人们研究的重点。本文以二级陶瓷柱状阵列封装组件为研究对象，研究了典 型电子封装结构在振动与热循环载荷作用下的可靠性问题。 主要工作包括：1 ) 建立了振动与热传导的三维有限元模型，分析了结构在正弦激励与热循 环载荷作用下的应力应变分布情况；2 ) 根据高周疲劳损伤原理，结合本文正弦激励得到的模拟 结果，拟合得到基于应力的寿命预测方程：3 ) 基于累积损伤理论，预测了扫频振动载荷作用下 的疲劳寿命，并同时验证了上述方程具有可行性与适用性；4 ) 根据c o 伍n - m a 璐疲劳损伤原 理和裂纹扩展理论，结合本文热循环载荷得到的模拟结果，拟合得到了基于应变能密度的疲劳 寿命预测方程，并通过与诸多试验结果比较，证实了该热疲劳寿命预测模型的有效性。 研究结果表明，电子封装结构中最危险的部位始终位于离电路板中心最远的焊点上；振动 载荷作用时，最薄弱的环节位于危险焊点上离电路板较近的体积平均层上，且焊点内的应力与 电路板的边界约束条件有关，靠近约束边界的焊点应力明显偏大，电路板的弯曲挠度与焊点内 的应力存在一定的同步性质；在热循环载荷作用时，裂纹最早产生于危险焊点上离基板较近的 体积平均层上；与电路板的厚度相比，基板的厚度及盖板的存在情况对焊点的热疲劳寿命影响 较大 本文所得结论可为电子封装结构的设计工作提供重要理论参考。 关键词：c c g a ；振动；热：可靠性：焊点；电子封装 l“弋一=n，j 典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测 a b s t r a c t w i t h 山em o 陀d e n s i 劬h i g l l 盯p e r f 0 加舱n c e ，d o w n s i z i i l g 锄dl o w 盯c o s to ft l l ee l e c 仃o n i c p a c k a 百n 舀也e 豫l i a b i l i t i e so fe l e c 们i l i cp a c k a g e si n d u c e db y 、，i b r a t i o n 锄dt h e m l a lc d i t i o 船 b 咄也ef o c u so fp e o p l e t t l i sd i s s e 删i o nt a k e sm eb o 砌l e v e lp l 【a g e so fc e 枷cc o l u m n 西d a r r a y 嬲s t u d yo b j e c t 锄di l l v e s 吐g a t c st 1 1 e 他l i a b i h t i 船o f 咖i c a le l e c 嘶cp 孔k a g 岛m l d 盯、，i b r 撕o n a n dm e 姗a lc y c l ec o n d i t i 0 i 塔 1 kw o r ki nm es u b j e c tm i l d y 硫l u d e ：1 ) b u i l tn 玳ed 砥戚0 1 1 a l 觚t ce l 锄tm d e l so f 、，i b m 矗弛dm 贸m a lc y c l ec o n 砌。邯，锄d 锄a l y 鹋d l es 自陀豁舔w e u 蠲蚰砸nd i s t r j b u t i o no f s 仇l c t t l 佗su n d 盯h 乏m n 喇ce x c i t a t i o n 锄d 吐l 烈剃c y c l ec o n d i t i o n si n d i 、，i d l 掘l l y ；2 ) c 优n b i n e d 、玑mt 量l e m o d e l i n g 咒s u l t s ，t h e 觚母圯l i f ep 砌c t i o ne q 删o nw 雒d e v e l 叩e db y l ep 血c i p l eo fl l i g hc y c l e d 锄g e ；3 ) o n 把b 弱i so fa c c 硼吣l 撕v ed a m a g em e o 吼缸l ef 撕g u e l i f ep 他d i c t i 0 fs w e e p 丘- e q u e n c yl o a d i i 培、舔p 陀d i c t e d w l l i c hm e 锄w 1 1 i l ev a i i d a t e dt l 圮f a t i g l i f ee q u 撕o nf i t k 诅b e f o r e ；4 ) b 笛e d l ec o f f m m a i i s f 撕舀增出l m a g ep r i l l c i p l ea n dc r 孔k 孕砌gm e o r y l 塔i l l g l em o d e l i i l g r 懿u l t so ft l l et l l e r m a lc y c l ec o n d i t i o n b ，m e l 锄a lf i a 缸g u el i f ep 孵d i c 妇lm d e lw 舔a l p 把d i c t e 也 锄di tw 雏v a l i d a t e db yc o n 】p a 血g 、j l ，i ms e v e n dt c s t 讹 t h er e s u l t ss t 姗rt t l a tt h em o s td a n g e r 叭塔l o c a t i o ni sa l w a y so nt l l e 觚h e s t l d 盯j o i i l t 触nt l l e c t e ro ft l 圯p 血t e dc 疵u i tb o a m ；w l 啦la 册1 y z i n g 圮访b r a t i o nc d i t i o 鹏，n l ew e a k e s tl i n l 【i s t l l e v o l m n e 孙喇鹆e dl a y e rb e s i d em ep 血t e dc i r c u i tb o a 鸱锄dn l es 仃e 鹳i i ln l es o l d 盯i s 托l a t e dt 0 恤 b 眦d a d rc o r 塔仃a i n tc d i t i o n s ；t h es 扛e s s 船i nt l l es o l d e 墙n e 盯t h ec 伪坞位l i i l tb o u n d a r y 玳 s i 嘶f i c 觚n yl a r g e r 锄ds ) r i l c h r o n o 吣1 ，i t l lt i 圮b d i i l gd e f l e c 6 ；w h i l ed e a l h 唱诵t ht l 圯c 墩o f 血e t l l 锄a lc o n d i 石。璐，m e 、c a k e s tl i n kt e n d si i l t 0m ev o i 啪ea v e 均g e dl a ) 惯也e 飘i b s t r a t es i d e ，w i l i c h i s 础睬枷y 丘d m 龇c o n c l 哪i 丘咖m ev i b 枷撇l y s i s ；b e s i d e s ，c o i n p 姗d 谢t l lm et h i c l d l e 路o f t 量l ep i 证锄c n u i tb ) a 吐t h et h i c l q l e 髓o f t h es l | l 粥雠孤dt l l ep 托s e n o fl i dh a v em o 托i n n u 涨吼 n 地m e m 丽y 腿i i l i c sd i s 缸曲u 石o n ，w l l i c h 1 s 甜。惦l ya 疵c t i e 妇：功a a lc y c l e 觚g 鹏l i 佗1 k 麒“协的m 他缸t ee l e m e n ts i i 肌l 撕h b e v a l i d 舳巴dt ob ea p p i i c a b l c 锄d 他l i a b l eb y c o m p 撕n g 谢ln l e t e s t d a 饥 t h ec o 眦l 邺i o 璐o b t a i l l e dm a yp r j o 、，i d el l l e o 托矗c a lg u i d a i l f o fm ed e s i 伊a l i o fe l e c 删c p a c k 喀 k e yw o r d s ：c c g a ；删o i l ；m 釉a l ；r e l i a b i l i t ) r ；l d e r j o 硫；e l e c 呦i cp a 蜥 ，il，tl=l嘲fitil ke-l；fkt爹 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 摘要i e j录i i i 注释表 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 电子封装的级别与发展历程2 1 3 电子封装的可靠性问题4 1 3 1 焊点可靠性问题的提出4 1 3 2 焊点可靠性问题的研究内容5 1 3 3 焊点可靠性问题的研究方法及现状6 1 4 焊点的疲劳寿命预测模型7 1 4 1 基于应力的疲劳模型7 1 4 2 基于塑性应变的疲劳模型7 1 4 3 基于能量的疲劳模型8 1 4 4 基于蠕变行为的疲劳模型：8 i 4 5 基于损伤破坏的疲劳模型9 1 5 论文主要工作。9 第二章可靠性数值模拟的相关理论1 l 2 1 引言。1 1 2 2 封装材料的本构模型l l 2 2 1 分离型本构模型1 l 2 2 2 统一型本构模型1 4 2 3 传热学理论基础1 5 2 3 1f 0 嘣盯定律。1 5 2 3 2 热传导基本微分方程1 5 2 3 3 定解条件。1 6 2 4 热应力理论【3 l 】17 2 4 1 热应力概述17 2 。4 2 热弹性力学的基本方程1 8 i n lir or ，i 典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测 2 5 热应力问题中的变分原理【3 2 1 2 0 2 5 1 弹性热应力问题。2 l 2 5 2 弹塑性热应力问题2 2 2 6 本章小结2 2 第三章振动数学建模与有限元仿真2 3 3 1 引言2 3 3 2 振动理论基础2 3 3 3 数学建模与计算结果2 5 3 3 1c c ( 认封装简介2 5 3 3 2 研究对象的简化数学模型2 6 3 4 振动的有限元仿真计算2 8 3 4 1 有限元模型的简化假设。2 8 3 4 2 有限元模型的建立2 9 3 4 3 材料属性3 0 3 4 3 边界条件及振动载荷3 0 3 4 5 固有模态分析3 l 3 4 6 瞬态响应分析。3 3 3 4 7 焊点的振动疲劳寿命预测。3 4 3 4 8 频响分析3 5 3 4 9 扫频振动下的疲劳寿命预测3 8 3 5 本章小结3 8 第四章热循环加载条件下的有限元模拟方法4 0 4 1 弓i 言4 0 4 2a n s y s 软件简介4 0 4 3 三维有限元模型的建立4 l 4 3 1 模型的简化假设4 l 4 3 2 材料属性的定义。4 2 4 3 3 单元的：逸择铊 4 3 4 网格盼划分4 3 4 3 5 边界条件4 4 4 3 6 有限元模型的可行性验证4 4 4 3 7 加载隶解4 6 ： 一 l - ： j 、。 ， ：7 南京航空航天大学硕士学位论文 4 4 计算结果与分析讨论4 7 4 4 1 热分析结果4 7 4 4 2 组件整体的热应力分析结果与讨论4 7 4 4 3 危险焊点的应力、应变分析4 9 4 4 4 焊点的热循环寿命计算5 3 4 5 本章小结5 5 第五章总结与展望5 6 5 1 工作总结。5 6 5 2 展望5 8 参考文献6 0 致i 射6 3 在学期间的主要研究成果。“ v 典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测 图清单 图表清单 图1 1 电子封装系统中前三级封装层次示意图2 图1 2 电子封装技术的发展历程3 图2 1 材料进入塑性阶段后的三种硬化规律。1 2 图2 2 钎料6 0 s n 4 0 p b 和9 0 p b l o s n 在不同温度下的应力应变变化曲线1 2 图2 3 恒应力作用下的蠕交曲线。1 3 图3 1 单自由度系统2 3 图3 2 位移幅频特性曲线2 4 图3 3 位移相频特性曲线2 4 图3 4c c g a 封装结构示意图。2 5 图3 5c c g a 焊柱的3 种类型。2 5 图3 6c c g a 封装体的焊盘设计图2 5 图3 7c c g a 板级封装组件的试验组装图。2 6 图3 8 研究对象简化后的数学模型2 6 图3 9 第一阶固有振型( 一弯) 2 8 图3 1 0 第二阶固有振型( 一扭) 。2 8 图3 1 lc c g a 二级封装组件局部有限元模型2 9 图3 1 2 危险焊点的具体网格模型2 9 图3 1 3 第一阶振动模态( 一弯) 3 2 图3 1 4 第二阶振动模态( 一扭) 3 2 图3 1 5 第三阶振动模态( 二弯) 。3 2 图3 1 6 最危险焊点上体积平均层的等效应力幅值分布3 3 图3 1 7p c b 板的弯曲挠度随时间变化曲线3 4 图3 1 8 危险焊点的应力变化曲线3 4 图3 1 9 有限元分析的加速度幅频响应曲线3 6 图3 2 0 扫频试验输出加速度幅频响应曲线3 6 图3 2 l 非危险焊点的等效应力幅值分布。3 7 图3 2 2i x 雏菊环上焊点的等效应力幅值频响曲线3 7 图4 1a n s y s 热循环分析有限元模型4 4 l 卜 r 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 2 温度载荷曲线。4 5 图4 32 7 3 k 时基板与电路板的相对位移曲线4 5 图4 43 3 3 k 时基板与电路板的相对位移曲线。4 5 图4 53 7 3 k 时基板与电路板的相对位移曲线4 6 图4 6 热循环的温度载荷曲线4 6 图4 7 整体的温度分布4 7 图4 8 组件整体位移分布和焊点整体的位移分布4 8 图4 9 焊点整体的等效应力分布4 8 图4 1 0 焊点整体的等效应变分布4 9 图4 1 1 升温到3 8 3 k 时的等效应力分布。5 0 图4 1 2 升温到3 8 3 k 时的等效应变分布5 0 图4 1 3 保温3 8 3 k 结束时的等效应力分布5 0 图4 。1 4 保温3 8 3 k 结束时的等效应变分布5 0 图4 1 5 降温到2 1 8 k 时的等效应力分布5 0 图4 1 6 降温到2 1 8 k 时的等效应变分布5 0 图4 1 7 保温2 1 8 k 结束时的等效应力分布5 1 图4 1 8 保温2 1 8 k 结束时的等效应变分布5 l 图4 1 9 恢复到2 9 8 k 时的等效应力分布。：。5 1 图4 2 0 恢复到2 9 8 k 时的等效应变分布5 l 图4 2 l 危险焊点的应变能密度分布5 2 图4 2 2z 方向位移分量随时间的变化曲线。5 2 图4 2 3 等效应力随时间的变化曲线5 2 图4 2 4 等效塑性应变随时间的变化曲线。5 3 图4 2 5 等效塑性应变能密度随时间的变化曲线5 3 图5 1 非危险焊点等效应力幅值分布：。5 7 图5 2 两种载荷同时作用时的等效应力幅值变化曲线5 7 图5 3 振动载荷单独作用时的等效应力幅值变化曲线。5 8 i 典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测 表清单 表3 1 组件材料选择及其特性参数3 0 表3 2 前三阶固有频率的比较3 2 表4 1 钎料与温度相关的弹性模量4 2 表4 2 钎料的加如d 模型参数4 2 表4 - 3 各有限元模型的模拟结果5 4 v m j ， i 7 - 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 特征疲劳寿命 损伤参数 应力 特征强度系数 塑性应变范围 疲劳韧性系数 裂纹扩展率 累积的粘塑性应变能密度 产生初始裂纹的循环次数 疲劳参数 每个循环累积的幂级蠕变 弹性应变 瞬态蠕变 杨氏模量 蠕变应变率 应力相关函数 应变相关函数 发生蠕变的激活能 应力因子 变形阻抗 形变阻抗率、 形变阻抗饱和值系数 变形阻抗饱和值的应变率敏感 系数 开氏温度 失效率为5 0 的循环次数 载荷作用的频率 等效应力 载荷作用的平均温度 塑性剪切应变范围 疲劳系数 累积的总应变能密度裂 断裂特征长度 幂级蠕变 每个循环累积的颗粒边界滑移 蠕变 总应变 塑性应变 稳态蠕变 塑性硬化系数 蠕变应变率 时间相关函数 总气体常数、 应力的应变率敏感指数 非弹性应变速率、 变形阻抗的初始值 应变硬化常数 指数前系数因子 应变硬化指数 热流密度 i ) ( k 厂吒k 嘶 砜帆a 饥 占日巩如m唧卟k a 口 啼g m杪仃町嵋勺h c k巳e& 石石q善，ss n r 典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测 【c 】 q ) g v 2 p ， x 、y 、z x 、y 、z u g 【】 s d p ： 风 x 导热系数 材料比热 物体表面对流系数 流体介质的温度 辐射物体1 的黑度 比热矩阵 节点热流量向量 剪切弹性模量 拉普拉斯算子 体积应变 y 方向的位移 体力分量 边界表面的应力分量 总势能 体积力势 形函数 硬化系数 弹塑性应力应变矩阵 热引起的等效节点力 位移响应对激励的相位 静力幅作用下的位移 p q 种 吼 乞 k 1 lj 口 ” w ，、，咒、刀 “， ，国 w g 伽 。 f ) f ： 国 五 f 材料密度 物体的生热速率 边界热流密度 辐射热流量 辐射物体2 的黑度 传热矩阵 热膨胀系数 泊松比 热应力系数 x 方向的位移 z 方向的位移 边界的法线方向余弦 位移边界的分量 应变能函数 表面力势 节点位移矩阵 单元节点力 热载荷矩阵 激励频率 系统激励幅值 阻尼比 允 q 霉 & 南京航空航天大学硕士学位论文 位移放大系数 挠度函数的基函数 动能 转角自由度 特征向量函数 第f 个单元的体积 累积损伤指数 扫频范围内的完整扫频次数 扫频一次频率范围的增频次数 挠度函数 广义坐标函数 转动惯量 势能 第f 个单元的等效应力 n 次循环后的失效率 失效率为6 3 2 的疲劳寿命 线性扫频速率 x l d ，、 酽， ， f 俐 删 以 y 吒 墨 屏 如 t 矽 吼 斟 k 附 屏 吣 t 矽 吼 鲫 栅 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着科学技术的进步，电子工业得到了迅猛发展，计算机，移动电话等产品的日 益普及，使得电子产业成为最引人瞩目和最具发展潜力的产业之一电子产品的发展也带动了 与之密切相关的电子封装业的发展，而其重要性也越来越突出【1 1 。一般说来，电子封装是微电 子器件制造过程中的重要步骤之一，是将电子器件的各个组成部分按规定的电路要求合理布置、 组装、键合、互连，并与外部环境隔离保护的一种综合的设计与制造技术。 电子封装的一个重要使命是尽可能地维持或不损伤大规模集成电路( l s i ，l a f g es c a l e i n t e g 豫1 - e ) 、电子元件、功能部件的性能，并使其在最终形成的电子线路中充分体现出来。一般 来说，电子封装的基本功能包括电源供给、信号交流、芯片保护、散热和机械支撑等。由于电 子产品是由半导体芯片、微型化元器件和封装外壳组合而成，封装和组装就构成了硅芯片等与 电子系统之间的桥梁。随着电子技术的飞速发展和应用范围日益扩大，对电子封装技术也提出 了更高的要求，以满足集成电路向小型化、高速化、高密度、高可靠、大功率、多引脚、耐恶 劣环境，长寿命发展的需要。封装技术对微电子技术的发展起着至关重要的作用【2 】。 作为一门由电路、工艺、结构、元件和材料紧密结合的多学科交叉的工程学科，电子封装 是微电子器件发展不可分割的重要组成部分。随着微电子器件的飞速发展，封装形式和结构都 有着显著的改进。当器件芯片性能达到一定水平后，封装的作用已不再是过去意义上的简单包 埋，而被视为挖掘集成电路最优性能的关键性因素，成为微电子器件制造产业中与电路设计和 芯片制造并重的主要部分。可以说，电子封装直接影响着集成电路和器件的电、热、光和机械 性能，还影响其可靠性和成本，对整机、系统的小型化起关键作用。无论在军用电子元器件中， 还是在工业和民用消费电路中，电子封装都有着举足轻重的地位。因此，这一技术日益受到工 业界与学术界的广泛关注。 伴随着电子元器件的不断微小型化，电子封装中的焊点间距和特征尺寸越来越小，信号输 入输出引脚数呈级数形式增加。封装产品中的焊点在作为器件电学输入输出媒介的同时，对器 件也起着机械支撑的作用。当焊点处于温度循环负载或是振动冲击环境时，很容易产生损伤， 影响产品的原有功能，甚至导致完全失效，造成严重事故。因此研究焊点的振动与热疲劳失效 预测问题已经被提到研究的前沿【3 1 本文将以大型有限元软件m s c p a n 锄n 雏缸孤和a n s y s 为基础，以二级陶瓷封装组件为 例，分析典型电子封装结构在振动与热循环载荷作用下的应力应变等参数的分布情况，并根据 高低周疲劳损伤原理和裂纹扩展理论，对其在振动与热循环环境下的疲劳寿命分别进行预测， 典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测 实现可靠性的分析。 1 2 电子封装的级别与发展历程 电子产品的种类繁多，性能各异，其封装结构千差万别，各式各样，但一般说来，从硅圆 片制作出各类芯片开始，一般微电子封装可以分为三个层次，如图1 1 所示【4 1 = 图1 1 电子封装系统中前三级封装层次示意图 一级封装也称芯片级封装，是在半导体圆片切片以后，用封装外壳将一个或多个集成电路 芯片封装成单芯片组件和多芯片组件，并使芯片的焊区与封装的外引脚用合适的方式连接起来， 使之成为有实用功能的电子元器件或组件。将一级微电子封装产品连同无源元件一同安装在印 刷电路板或其它基板上成为部件或整机的连接称为二级封装，也称板级封装。板级封装所采用 的安装技术包括通孔安装技术、表面组装技术和芯片直接安装技术等。三级封装是将二级封装 的产品通过迭层、互连插座或柔性电路板与母板连接起来，形成三维立体封装，构成完整的整 机系统，所以也是所谓的系统级封装。因此，微电子封装是个整体的概念，包括了从一级封装 到三级封装的全部内容。从图1 1 所示的封装层次可以看出，决定最终电子产品的形状、尺寸、 性能和价格的主要因素是第一级和第二级封装。对于不同封装层次和不同表面状况，焊料的成 份和性能要求也不相同。 自从1 9 4 7 年美国贝尔实验室的三位科学家巴丁、布莱顿和肖克莱发明了第一只晶体管起， 就开创了电子封装技术的历史。1 9 5 8 年美国德州仪器公司的j k 瞄l b y 发明了第一块集成电路， 迅速推动了多引线封装外壳的发展。在此后的几十年里，随着半导体制造技术不断精细，芯片 功能日益多元，半导体芯片信号传输量与日俱增，芯片的引脚数也随之加速增加，这让封装产 业由低阶的d p 0 油l1 1 1 一l i n ep k a g 、s o p ( s m a l lo i l t l i i 圮p k a g e ) 、p g a i ng r i d 删快步向 b g a ( b a l l 筋d a m y ) 、f c ( f i i pc h i p ) 、c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) 等高阶封装形式迈进。总的看来， 2 南京航空航天大学硕士学位论文 电子封装技术大体经历了三个阶段【5 1 ，并在2 0 世纪8 0 年代与9 0 年代分别出现了两次飞跃，电 子封装技术的发展情况具体如图1 2 所示【3 】= 越 静 g 周边分布 ；夕 - - - 一 么细问距， s m t s 姗 p 1 h iil 1 9 l o 1 9 1 5 1 9 9 0 年1 9 9 5 2 2 0 0 5 图1 2 电子封装技术的发展历程 8 0 年代之前的主流封装形式为通孔插入器件r h ，p l a t e dn 啪u g hh o l e ) ，以双列直插封装 瑕d o u b l eh l i i 鹏p l c a g e ) 和针栅阵列( p g a ，p i i l 僦da 脚l y ) 为代表，分别通过波峰焊接和机械 接触实现器件的机械和电学连接，引脚数较小，一般少于6 4 根。由于需要较高的对准精度，组 装效率较低，器件的组装密度和工作频率也较小，不能满足高效率自动化生产的要求，所以随 着新的封装形式的不断涌现，这类封装加速萎缩 8 0 年代，由于被称作电子封装领域一场革命的表面安装技术( s m 限) 的迅猛发展，与之相适 应，出现了一系列可用于表面安装技术的新的电子封装形式，如无引线陶瓷片式载体c c ： k a d l e 豁c e 脚血cc h i pc a r t i 哪、塑料有引线片式载体( p l c c ：p l 掷如k a d e dc h i pc a 耐盯) 和四边 引线扁平封装( q f p ：q u a df l a tp l c a g e ) 等，改变了传统的唧插装形式。这些新的封装形式于 8 0 年代初达到标准化，并开始投入批量生产，器件通过回流技术进行焊接回流焊接过程中焊 锡熔化时的表面张力产生的自对准效应，降低了对贴片精度的要求，同时回流焊接代替了波峰 焊，也提高了组装良品率。此外，封装密度高，引线节距小，成本低和适合表面安装等优点， 使四边引线塑料扁平封装口q i ：p ：p l 鹊t i cq u a dn a tp k a g c ) 成为了8 0 年代的主导产品。它通过 细微的引线将集成电路贴装在p c b 口血t e dc 讹l l i tb o a r d ) 板上，以小外形封装( s o es m a l l o u t l i i 圮p a c k a g e ) 和扁平封装( q f p ，q u a df l a tp k a g e ) 为代表，大大提高了管脚数和集成电路 的电气特性，减小了封装体积和引脚间距，易于自动化生产，是封装技术的一次革命，使日本 成为当时封装技术的主宰者，支撑着日本半导体工业的繁荣。 到了9 0 年代，半导体集成电路发展到了超大规模阶段，要求电子封装的管脚数越来越多， 管脚间距越来越小，从而使电子封装又从四边引线型( 如q f p 等) 向平面阵列型( 如针栅阵列p g a ： 3 典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测 p i i l 嘶d 岫和焊球阵列b g a ：b a u g r i d 删发展。并于9 0 年代初出现了球栅阵列封装g a ， b a n 伽d 删，实现了第二次飞跃。该阶段的封装以有机衬底( 如叫代替了传统封装内的引 脚，且焊点几乎都采用阵列平面分布，既减轻了引脚间距不断减小在贴装表面所遇到的阻力， 同时又实现了封装密度的大大增加，开始进入电子封装的“爆炸式”时期。9 0 年代后期在b g a 封装基础上进一步发展起来的芯片级封装( c s p ，c h i ps c a l ep 孔k a g e ) 、晶片级封装( w l p w a 衙 h v e lp a c i 【a g e ) 等，已成为新的发展方向，使得s m t 在小型化、高密度组装上的适用范围越来 越广，传统的三级封装在2 l 世纪有可能进入一级封装阶段。 1 - 3 电子封装的可靠性问题 随着电子信息产业的日新月异，电子产品一直向小型化、便携式方向发展，诞生了一些新 型的s m r 、m c m 封装技术。微电子封装器件中焊点的形态和结构也发生了很大变化，体积越 来越小，组装密度越来越高，而其所承受的力学、电学和热力学载荷却越来越重，对可靠性的 要求星指数级增长【6 】。 电子封装器件的质量和可靠性对电子产品的可靠性起着至关重要的作用，是保证电子产品 整体可靠性的技术关键，在现代电子产品中的地位已可与产品的技术指标相提并论。如何保证 和提高各种电子产品的可靠性已成为国内外产业界的共同目标【7 】。 电子封装及其组件在工艺或服役过程中都会不断受到各种应力的作用。这些应力虽远达不 到材料的极限强度，但反复作用多次，会在器件的敏感部位造成一定的损伤并积累起来。由于 这些损伤在达到持久度极限之前，器件的功能并无显著变化，因此用常规方法很难检测出器件 的受损程度。这些受损器件一旦使用就会给系统的可靠性造成严重隐患嗍。 1 3 1 焊点可靠性问题的提出 在近三四十年内，电子器件封装一直朝着高集成、高密度方向发展，芯片特征尺寸不断缩 小，单个芯片的功率也在不断提高，焊点间距和尺寸越来越小，信号的输入输出引脚数由原先 的1 0 0 左右提高到目前的1 7 0 0 以上。研究表明，电子器件失效的7 0 是由封装和组装的失效 所引起，而在电子封装及组装的失效中，焊点的失效是主要原因，这使得焊点的可靠性问题变 得越来越突出，通常所说的电子封装的可靠性研究也大多是针对焊点来讨论的 焊点最常见的破坏大多是由于热循环导致的。元件在使用时，晶片会发热，热量透过封装 传导到焊点，使焊点温度上升，且集成电路的周期性通断和环境温度的周期性变化，使焊点长 期经受温度循环作用。由于电子元件与电路板之间的热膨胀系数不同，当温度发生变化时，电 路板会产生翘曲，焊点介于中间，会因应力而发生变形。当元件停止工作时，温度降回到室温 也会造成与使用时相反的应力，使得焊点随着一次次的使用而产生形变积累，如同热疲劳；接 着产生裂纹、扩展，形成断裂面，使电阻值提高，讯号无法通过焊点传递，最后导致元件失效。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 同时，钎料的熔点相对于服役环境来说较低，所以焊点内会产生较明显的粘性行为，即蠕变和 盈利松弛现象。 此外，由于微电子器件在封装、运输、存储及使用过程中，不可避免的会受到各种形式的 机械振动冲击负载，使p c b 板或基板发生较大的动态弯曲变形，在焊点中引起交变应力：尤其 是当焊点内存在动态应力和热应力相互作用时，会加速焊点中的裂纹扩展进程，迅速导致焊点 提前失效【7 】 因此，研究热与振动载荷下，焊点的可靠性问题是电子封装与组装技术领域函待解决的重 要课题，现已成为美国、新加坡等研究所和企业重点投入研究的方向，是一项既具有实用价值 又具有理论价值的工作。 1 3 2 焊点可靠性问题的研究内容 电子封装结构中焊点的可靠性问题很早就引起了国内外研究人员的广泛关注，目前，国内 外关于电子封装s n p b 焊点可靠性的研究主要集中在以下几个方面【9 】： ( 1 ) 研究和发展预测电子封装焊点热可靠性的基础理论和测试技术，主要涉及热疲劳寿命 预测方法、钎焊料的热失效机制和焊点热可靠性的加速试验方法等。焊点的寿命预测一直是其 可靠性问题的重要内容，目前已经出现多种基于有限元分析的寿命预测模型，如基于塑性应变 的c o 伍n m a 璐经验模型，基于断裂力学的裂纹扩展模型和基于累积损伤的能量预测模型等。 1 9 8 3 年e l l g e l i m 衙考虑载荷频率的影响，得到频率和温度修正的c o 珩n - m a 璐彻经验方程，在 电子封装s i l p b 焊点的热循环寿命预测中得到了普遍应用。1 9 9 7 年b i l 西c 等人假设焊点的整体 力学性能，以焊点内发生不可逆变形的累积粘塑性应变能作为失效判据，采用体积平均法预测 焊点的热疲劳寿命模型，现在已被广泛使用。 ( 2 ) s i l p b 钎料合金的研究。包括研制和开发高可靠性焊料合金，改进s n p b 焊料的力学本 构方程。目前，通过在s n p b 基钎料中添加合金元素( 如c u 、a g 、h i 等) 或稀土使材料改性， 研究开发了多种新的s n p b 钎料合金，