三维叠层芯片尺寸封装（Stacked Chip Scale Package）是目前最先进的微电子封装形式之一,具有体积小、重量轻、封装效率高等特点。然而封装的高密度使单位体积内容易产生更大的热量,因此必须关注热引起的封装失效问题。特别是由于封装材料间热膨胀系数不匹配而导致的焊点失效。另外机械振动与冲击也是引起封装失效的主要原因之一。目前行业内针对CSP封装可靠性做了许多研究,但大多是以单个芯片封装为研究对象,而对三维叠层式CSP/BGA封装的可靠性研究的并不多。
本论文正是针对以上情况,以采用引线键合工艺的三维叠层CSP/BGA封装（裸芯片叠装）为研究对象,在有限元分析软件ANSYS中建立相关的有限元模型,编制了相应的APDL参数化分析程序,进行了温度场分析、热循环加载下的SnPb合金焊点疲劳分析和实装PCB板的振动模态分析。通过对仿真结果进行分析研究,总结出可能影响封装可靠性的一些因素与规律,目的在于为三维叠层CSP/BGA封装设计提供一些参考依据。
具体内容包括:1.建立一款叠层CSP/BGA封装的三维实体有限元模型,求解自然对流条件下的稳态温度场分布,并在此基础上进行稳态热应力和热应变分析,找出由于温度梯度在封装内部引起的高热应力区域,分析其可能造成的失效结果。在求解温度场分布的基础上提取封装表面单元计算结果进行热平衡分析,比较封装各表面的热量发散比例。最后求出其特征稳态热阻θJA、ψJT和ψJB。2.以两种不同功率加载方式进行自然对流换热条件下的封装瞬态热分析,得出封装体温度随时间的变化规律。3.采用Anand统一型粘塑性本构模型对63Sn37Pb焊点钎料在热循环加载下的应力应变进行模拟。并采用基于能量的Darveaux焊点疲劳预测模型对焊点进行了疲劳寿命预测。随后就封装的几何尺寸包括:不同的焊点高度、焊点直径、焊盘直径、叠层封装芯片的尺寸、芯片层数以及塑封层厚度等对焊点疲劳寿命的影响进行了分析。4.对封装芯片实装于PCB板上后进行模态分析,研究其振动特性,包括固有频率和模态等参数。对芯片安装的位置对固有频率的影响进行了比较。最后使用基于局部应力的高周疲劳循环公式对不同加速度正弦激励下的焊点疲劳寿命进行预测。
