多芯片组件（MCM）焊点可靠性的有限元模拟与寿命的预测

为适应集成电路的发展,以满足电子产品在大功率、高速度、高密度、高精度和高可靠性等方面的需要,电子封装在保证可靠性的前提下,提高速度、提高功率、提高散热能力、增加I/O数、减少尺寸和降低成本,也向着高密度方向发展。多芯片组件(MCM)作为电子封装技术中的一种新型封装形式,倍受电子工业界的关注,而焊点可靠性问题是发展MCM技术的关键影响因素之一。 焊点的可靠性问题是电子封装技术领域亟待解决的重要课题,是决定电子产品质量与发展的基本问题。实践证明,热作用是封装组件失效破坏的主导因素,因此对热循环条件下的焊点可靠性进行研究有着非常重要的意义。 本课题选择无铅钎料Sn3.5Ag0.75Cu作为MCM焊点材料,利用ANSYS有限元软件建立MCM的三维条形模型;基于统一型粘塑性Anand本构方程,进行-55℃～125℃热循环模拟。确定了MCM中最危险的焊点部位以及该焊点中最危险区域,分析了无铅钎料Sn3.5Ag0.75Cu焊点在热循环过程中的应力应变分布和变化规律,使用Darveaux方程预测了焊点的热疲劳寿命,并与63Sn37Pb钎料的焊点热疲劳寿命作了对比,对无铅钎料Sn3.5Ag0.75Cu焊点可靠性做了评定。 研究发现:在MCM组件经热循环后,最危险的组件为小芯片;在小芯片上,最危险的部位为小芯片的边缘。在同一芯片下,焊点的等效变形、等效应力、等效应变,从所在芯片中心向边缘逐渐增大。最危险的焊点是小芯片下离小芯片中心最远的焊点。焊点的应力应变的最大区域是与上下焊盘连接的区域,最危险的部位位于焊点与芯片上边焊盘连接的拐角处,裂纹就是从这里开始产生,并逐渐向里扩展,延伸到整个焊点。非弹性应变在升降温阶段积累明显,在保温阶段积累不明显,这是温度和应力综合作用的结果。在高温保温阶段,应力水平相对较低,应变的积累不明显;而在低温保温阶段,应力虽然较高,但温度较低,非弹性应变也不明显。因此,升降温对焊点的寿命影响至关重要。本文选用以能量为基础的Darveaux寿命预测模型,预测了无铅钎料Sn3.5Ag0.75Cu焊点初始产生裂纹的循环次数和焊点的热疲劳寿命,并和63Sn37Pb钎料的焊点热疲劳寿命作了对比,结果表明无铅钎料Sn3.5Ag0.75Cu焊点的热疲劳寿命大于63Sn37Pb钎料焊点的热疲劳寿命。