功率载荷下叠层芯片封装热应力分析
芯片封装的热阻分析
芯⽚封装的热阻分析概述半导体器件散热的三个主要途径是:封装顶部到空⽓，或者封装顶部到散热⽚再到空⽓封装底部到电路板封装引脚到电路板在JEDEC中以热阻Theta来表⽰，其中ThetaJA参数综合了Die的⼤⼩, 封装⽅式，填充材料，封装材料，引脚设计，外部散热⽚和外部电路板的属性多个因素；ThetaJC和ThetaJB这2个参数是表征芯⽚和封装本⾝的，不会随着芯⽚封装外部环境的改变⽽改变。
关于芯⽚外部温度的趣事半导体元器件"烫⼿"未必不正常，55C摄⽒温度就会让⼈感觉发烫，很多⼤功率的芯⽚，表⾯温度可以达到85C摄⽒度以上。
对于Thermal测量的⼏个参数的困惑JEDEC对芯⽚封装的热性能参数的定义热阻参数ThetaJA，结到空⽓环境的热阻，= (Tj-Ta)/PThetaJC，结到封装外壳的热阻，= (Tj-Tc)/P, ⼀般⽽⾔是到封装顶部的热阻，所以⼀般的，ThetaJC = ThetaJTThetaJB，结到PCB的热阻， = (Tj-Tb)/P热特性参数PsiJT，结到封装顶部的热参数，=(Tj-Tt)/PPsiJB, 结到封装底部的热参数，=(Tj-Tb)/P其中:Tj - 芯⽚结温Ta - 芯⽚环境温度Tb - 芯⽚底部的表⾯温度Tc/Tt - 芯⽚顶部的表⾯温度按照JESD测量⽅法得出的ThetaJA热阻参数是对封装的品质度量，并⾮是application specific的热阻参数，只能是芯⽚封装的热性能品质参数的⽐较，不能应⽤于实际测量和分析中的结温预测。
PsiJT和PsiJB和ThetaXX参数不同，并⾮是器件的热阻值，只是数学构造物。
ThetaJA 结到空⽓环境的热阻ThetaJA是最常使⽤的热阻参数，也是最容易引起误解的参数。
IDT公司的定义ThetaJA = (Tj - Ta)/PThetaJA = (ThetaJB + ThetaBA) || (ThetaJC + ThetaCA);其中ThetaXY = (Tx - Ty)/PAltera公司的定义Without a heat sink, ThetaJA = ThetaJC + ThetaCA = (Tj - Ta)/PWith a heat sink , ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA = (Tj - Ta)/P实际上，Altera公司对加散热器的ThetaJA的定义不够严谨，散热器的引⼊相当于增加了⼀个散热通道，即增加了从管壳(Case)到散热器(heat Sink)的散热通道，所以加⼊散热器后，ThetaJA(heat sink) = ThetaJC + ( ThetaCA || ( ThetaCS + ThetaSA) )由于ThetaCA >> (ThetaCS + ThetaSA), 所以上式才可以近似化简为:ThetaJA = ThetaJC + ThetaCS + ThetaSA, 其中ThetaCS通常是导热硅脂或者硅胶, 热阻⾮常⼩TI公司的定义根据TI⽂档spra953c的描述, JESD定义ThetaJA的初衷是为了⼀种封装的相对热阻性能可以被互相⽐较，⽐如TI公司的某个芯⽚的热阻性能和其它公司的热阻性能做对⽐，前提是两家公司都是⽤JESD51-x中规定的标准⽅法来做测试，但是⼤部分芯⽚的热阻系数不会严格按照JESD51中规定的标准⽅法进⾏测量。
堆叠封装(PoP)结构中芯片热翘曲变形的研究
堆叠封装（PoP）结构中芯片热翘曲变形的研究伴随着智能手机等高集成度电子产品的普及，PoP封装结构已经成为了业界主流的逻辑器件与存储器件的组合方式，在不断改进PoP生产工艺的过程中，人们逐渐认识到影响封装结构成品率及产品可靠性的最重要因素就是芯片在回流
焊过程中热失配所导致的翘曲变形。
本文针对这一问题，运用弹性力学薄板理论，对典型芯片结构进行简化，建立了芯片热翘曲变形的弹性曲面微分方程，最终得出了满足边界条件的解析解。
然后，运用有限元分析软件ANSYS对典型芯片结构的受热变形进行仿真分析，并将分析结果与芯片热变形翘曲理论计算所得数据及实测结果进行对比，验证了芯片热变形翘曲解析解的正确性。
高功率电源模块封装的热应力分析
器件 的疲 劳极 限时 ， 整个模 块就会 失效报 废 。因此 ，
在很 大程度 上 ， 高功率 电力 电 子设 备模 块封 装 件失 效 的原 因就是 封装 体 内由于温 差和各 层不 同材料热 膨胀
系数 不匹 配而产 生 的热 应力 问题 。
件要 求体 积越来 越小 ， 功率 越来 越高 ， 即单位 体积 功率 密度 要 高。在 实现 电力 电子 器件 小 型 化 、 块 化 的过 模 程中， 封装 技术作 为关 键技术 之一 越来越 受 到重视 ， 同
时也 得 到了很 大的发展 。电力 电子器件 的封装 技术 被 公认 为是 未来 电力 电子技术 发展 的核 心推动 力… 。 在实 际 的工程应 用 过 程 中 ， 随着 电力 电子器 件 单
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ： ｉｈ— ｏ ｒｓ ｐ ｌ ｐ ｃ ａ ｉ ｇ；ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｒ ａ ｔｅ ｓ ａｉｕ ａｌ ｒ ｄ ｈ ｇ ｐ ｗｅ ｕ ｐ ｙ； ａ ｋ ｇｎ ｉ ｉｅ ｅｅ ｎ ；ｔ ｅ ｍ ｌｓｒ ｓ ；ｆ ｔｇ ｅ ｆ ｉ ｅ ｕ
一
０ 引 言
位 体积 功率密 度 的提高 ， 装 模 块 的发 热 及 散热 问题 封
成为影响器件的使用性能及其Fra bibliotek命的关键性 因素之
一
１ 电力 电子模 块 的封装形 式
高功 率 电源模 块 封 装 为 电力 电子 器 件 封 装 的一
种， 常用 的 电力 电子 器件 封 装 在结 构 形 式 和互 连技 术 上 主要有 ： 薄膜覆 盖 封装 技 术 、 入 式封 装 技 术 、 嵌 金属
Ｐ Ｎ － ｎ ， Ａ Ｇ Ｃｈ ｎｊ ｎ Ａ Ｇ Ｑｉｏ ｇ ＨＵ Ｎ ｕ —ａ ｇ ｌ ｉ （ ａｊ ｇＲ ｓａｃ ｓｔｔ ｏ ｌ ｔ ｎ ｓＴｃｎ ｌ ｙ Ｎ ｎ ｎ １０ ９ Ｃ ｉ ） Ｎ ｎｉ ｅｅｒ Ｉ ｔｕｅ ｆＥｅ ｒ ｉ ｅｈ ｏｏ ， ａｆ ｇ２ ０ ３ ， ｈｎ ｎ ｈｎｉ ｃｏ ｃ ｇ ｉ ａ
芯片尺寸封装的热应力及热失效分析研究
3、热失效的预防和诊断方法
最后，针对已经出现的热失效现象，可以进行失效分析，找出原因并进行改 进，避免类似问题的再次发生。
研究方法
1、分析热应力及热失效的影响 因素
1、分析热应力及热失效的影响因素
为了更好地研究热应力及热失效对芯片尺寸封装的影响，需要对相关的影响 因素进行分析。这些因素包括封装材料、结构、工艺、环境因素等。通过对这些 因素的综合分析，可以找到影响热应力及热失效的关键因素。
2、芯片尺寸封装中热失效的案例分析
以某款手机芯片为例，其在高温环境下的暂时性失效主要表现为信号不稳定、 数据处理速度下降等现象；而在低温环境下的永久性失效则表现为芯片内部电路 损坏、无法正常工作等现象。通过分析这些失效案例，可以发现热应力是导致热 失效的主要因素之一。
3、热失效的预防和诊断方法
3、热失效的预防和诊断方法
3、提出针对芯片尺寸封装的热 应力及热失效分析方法
3、提出针对芯片尺寸封装的热应力及热失效分析方法
在分析了影响因素和探讨了相关方法的基础上，本次演示提出针对芯片尺寸 封装的热应力及热失效分析方法。该方法主要包括以下几个步骤：首先，进行有 限元分析，模拟并预测封装体的热应力分布；其次，根据模拟结果进行故障树分 析，找出导致热失效的关键因素；最后，针对关键因素采取相应的预防和诊断措 施，提高封装的可靠性和稳定性。
热应力分析
1、不同封装技术下的热应力差 异分析
1、不同封装技术下的热应力差异分析
芯片尺寸封装的不同技术，如倒装焊、芯片级封装、系统级封装等，对热应 力分布有不同的影响。倒装焊中，芯片通过凸点与基板相连，热应力主要集中在 凸点周围。芯片级封装中，热应力主要集中在焊点、引线和芯片边缘。系统级封 装中，热应力分布较为复杂，受到整个封装结构和环境因素的影响。
PCB及封装结构热应力协同仿真的应用
thermal model：使用几何外形结构 和Siwave中导入热源
thermal-electric model：使用几何外 形结构的结果
thermal model：使用拓扑结构和 Siwave中导入热源
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感谢聆听!
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Trace Mapping - External Data
从SIwave 导出的ANF 格式文件 用于PCB层拓扑结构 的热分析
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中心孔- Mechanical (新功能)
用于PCB层拓扑结构的热分析
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Trace Map 金属比例- Mechanical
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边界条件 - Mechanical
结合SIWave中导出的热源，使用PCB版图几 何外形进行热仿真
结合SIWave中导出的热源，使用PCB版 图拓扑结构进行热仿真
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Trace Mapping
简化几何模型及网格
PCB 布局
在目标网格上映射 金属分布
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在Mechanical导入Trace数据
使用External Data模块导入PCB 3D layout文件 使用External Data 向Mechanical传递PCB 3D layout信息 支持的文件格式: – Ansoft ANF – Cadence BRD/MCM/SIP – ODB++ TGZ – ICEPAK BOOL+INFO – ICEPAK COND+INFO
siwavespaceclaimandmechanical中建立新的ecad模型在spaceclaim导入anf格式文件功能改进例如tracemap轮廓显示简介pcb模型siwavepcb模型siwave4层有traces中心孔和电流源电路元件的印制电路板copperelectricalconductivity电导率58e7thermalconductivity热导率401resistivity电阻率1724e8ohmmfr4epoxyrelativepermittivity相对介电常数44thermalconductivity热导率038038功率分布siwavesiwave新功能导出功率分布会产生cdb和epwr件这两个文件在mechanical中使用externaldata导入焦耳热时会用到导出功能siwave转为anf转为acisspaceclaim新功能版图几何外形从siwave导出的acis文件层拓扑结构从siwave导出anf文件中心孔几何结构anf格式文件让ecad模型转为3d实体模型更容易热仿真wb文件结合siwave中导出的热源使用pcb版图几何外形进行热仿真结合siwave中导出的热源使用pcb版图拓扑结构进行热仿真pcb版图几何外形使用在thermalelectric仿真模块中10tracemappingpcb布局简化几何模型及网格金属分布在目标网格上映射11使用externaldata模块导入pcb3dlayout文件使用externaldata向mechanical传递pcb3dlayout信息ansoftanfcadencebrdmcmsipodbtgzicepakboolinfoicepakcondinfo在mechanical导入trace数据12tracemappingexternaldata从siwave导出的anf格式文件用于pcb层拓扑结构的热分析13中心孔mechanical新功能用于pcb层拓扑结构的热分析14tracemap金属比例mechanical15边界条件mechanicalthermal
电子封装可靠性技术
摘要：电子封装是芯片成为器件的重要步骤，涉及的材料种类繁多，大量材料呈现显著的温度相关、率相关的非线性力学行为。
相关工艺过程中外界载荷与器件的相互作用呈现典型的多尺度、多物理场特点，对电子封装的建模仿真方法也提出了相应的要求。
在可靠性验证方面，封装的失效主要包括热-力致耦合失效、电-热-力致耦合失效等。
随着新型封装材料、技术的涌现，电子封装可靠性的试验方法、基于建模仿真的协同设计方法均亟待新的突破与发展。
关键词：电子封装；可靠性；封装材料；建模仿真；失效机理；LED；功率电子；集成电路0 前言电子封装是电子制造产业链中将芯片转换为能够可靠工作的器件的过程。
由于裸芯片无法长期耐受工作环境的载荷、缺乏必要的电信号连接，无法直接用于电子设备。
因此，虽然不同类型产品有所差别，但是电子封装的主要功能比较接近，主要包括四大功能：①机械支撑，将芯片及内部其他部件固定在指定位置；②环境保护，保护芯片免受外界的水汽、腐蚀、灰尘、冲击等载荷影响；③电信号互连，为内部组件提供电通路及供电；④散热，将芯片工作时产生的热量及时导出。
按照工艺阶段的不同，电子封装通常可分为零级封装(芯片级互连)、一级封装(芯片级封装)、二级封装(模块级封装)和三级组装。
由于芯片及封装涉及大量不同类型材料，部分材料特性相差甚远，在封装工艺过程中，如果内部缺陷、残余应力、变形等问题控制不当，极易在封装过程中或者产品服役中引发可靠性问题。
随着封装密度不断提升、功能多样化，如 3D 封装、异质集成技术等，电子封装中多场多尺度耦合的可靠性问题更加明显。
1 电子封装可靠性研究共性技术1.1 典型封装材料目前制约微电子器件封装快速发展的一大因素就是缺乏相应的封装材料及完整的材料数据。
封装材料关系着电子微器件的强度和可靠性，材料的力学响应对于封装材料的选取和电子微器件的强度与可靠性设计非常关键。
因此急需针对典型封装材料的优缺点进行评价、开发加速评估方法，展望适合未来封装技术发展的先进封装材料。
简析功能梯度材料的热应力分析及研究进展
简析功能梯度材料的热应力分析及研究进展本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！0引言随着工业技术的发展，材料科学的研究与发展不再局限于如金属、陶瓷、合金等均质材料，根据外部环境的不同可能对同一材料提出不同的功能要求，这类材料一般由两种物理性质完全不同的材料复合而成。
例如:在航空航天技术领域里，高性能航天飞行器的耐热覆层要求材料即能耐超高温，又能承受巨大的内部温差，均质材料无法承受航天飞行器往返大气层时由于摩擦而产生的超高温度，金属与陶瓷的复合材料既能满足耐热性要求，也能满足强度的要求，然而二者的热膨胀系数不同，若将金属与陶瓷直接组合成一种复合材料，界面处会产生无法承受的热应力，从而导致材料的破坏。
FGM连续改变组织、结构及空隙等要素，使材料内部界面消失并缓解热应力，得到性能呈连续平稳变化的一种新型非均质复合材料。
1 FGM的热应力理论分析在FGM的制备及使用过程中将会产生温度的变化，这将引起FGM中各组分不均匀的收缩或膨胀，从而产生很高的热应力。
掌握热应力的分布规律是研究FGM在设计和制备方面最基本的理论依据。
因而，要深入地分析残余热应力不仅是现阶段FGM研究的一个热门也是一个难题。
FGM组分分布模型与普通的复合材料不同的是，FGM材料的组分和孔隙等要素均按一个或两个方向发生连续、平缓或阶梯状的变化，因此需建立一个方程将FGM材料组分与梯度变化方向联系起来。
物理参数模型在进行FGM热应力计算以前，必须确定FGM材料的物性参数值，由于非均匀材料的物性参数是由材料内部的微观组织结构决定的“混合律”推算得来的，依据混合律可半定量地确定不同组分混合料的物性参数值2功能梯度材料热的应力分析目前解析法主要应用于线弹性条件下FGM残余热应力的计算，而对于弹塑性FGM的分析计算方法研究很少，对于非均质材料，要得到热应力分布的精确解析解是不可能的，因为解析法局限性很大，仅仅限于解决一维问题。
复合材料层压结构的热应力分析及优化设计
复合材料层压结构的热应力分析及优化设计1. 引言复合材料层压结构由多层不同材料层按照一定的顺序压合而成，具有优异的力学性能和轻质化特点，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
然而，在实际使用中，由于温度变化引起的热应力是其结构的重要考虑因素之一。
2. 复合材料的热应力分析复合材料的热应力是指由于温度变化引起的不同层材料之间的应力差异。
通过分析热应力的产生机理，可以对层压结构进行合理的设计和优化。
2.1 热膨胀系数的影响不同材料的热膨胀系数不同，当复合材料在温度变化时，由于热膨胀系数的差异，会出现热应力。
因此，在设计复合材料层压结构时，需要考虑各层材料的热膨胀系数，并根据需求选择合适的材料组合。
2.2 界面的影响复合材料层压结构的界面是热应力产生的主要位置。
由于不同材料的热膨胀系数差异，界面处会产生较大的热应力。
因此，在优化设计中，需要考虑增加界面的强度，减小热应力的产生。
3. 热应力分析方法针对复合材料层压结构的热应力分析，常用的方法有有限元分析法和实验测量法。
3.1 有限元分析法有限元分析法是一种基于计算机模拟的数值分析方法，通过建立模型、施加边界条件和加载温度等信息，计算得出复合材料层压结构的热应力分布情况。
这种方法可以较为准确地预测热应力的分布和大小，并对结构进行优化设计。
3.2 实验测量法实验测量法是通过在实际制作的复合材料层压结构上安装应变测量仪器，测量温度变化时的应变情况，从而计算出热应力的分布情况。
实验测量法的优点是可以直接观测热应力的实际情况，且不依赖于理论模型的建立。
4. 优化设计方法针对复合材料层压结构的热应力问题，可以通过以下方法进行优化设计。
4.1 材料优化根据热膨胀系数的差异，可以选择具有相近热膨胀系数的材料进行组合，以减小热应力的产生。
同时，可以选用高弹性模量的材料来提高复合材料的整体刚度，从而减小热应力。
4.2 结构优化通过优化复合材料层压结构的层数和厚度分布，使各层材料的热应力尽可能均匀分布，减小热应力集中的情况。
《SiCGaN功率半导体封装和可靠性评估技术》随笔
《SiCGaN功率半导体封装和可靠性评估技术》阅读记录目录一、内容概要 (1)二、SiCGaN功率半导体封装技术 (2)1. SiCGaN材料的基本性质 (3)2. 封装技术的关键因素分析 (4)3. 常见的SiCGaN功率半导体封装结构 (5)三、SiCGaN功率半导体封装工艺 (6)1. 材料选择与制备工艺 (7)2. 焊接工艺技术 (9)3. 密封工艺技术 (10)4. 防腐工艺技术 (12)四、SiCGaN功率半导体可靠性评估技术 (13)1. 可靠性评估指标体系建立 (15)2. 可靠性测试方法与标准 (16)3. 影响因素分析与改进措施 (17)五、案例分析 (19)六、未来展望 (20)七、总结 (21)一、内容概要引言：简要介绍SiCGaN功率半导体的重要性，以及封装和可靠性评估技术在提高器件性能和使用寿命方面的关键作用。
基本概念：阐述SiCGaN功率半导体的基础知识，包括材料特性、器件结构等。
封装技术：详细介绍SiCGaN功率半导体的封装过程，包括封装材料、封装工艺、封装结构等，并探讨不同封装技术对器件性能的影响。
可靠性评估方法：阐述SiCGaN功率半导体可靠性评估的重要性，介绍常用的可靠性评估方法，如电学性能测试、热学性能测试、机械性能测试等，并分析各种方法的优缺点。
可靠性影响因素：探讨影响SiCGaN功率半导体可靠性的因素，如温度、湿度、电压波动等外部环境因素，以及材料缺陷、工艺误差等内部因素。
案例分析：通过实际案例，分析SiCGaN功率半导体在封装和可靠性评估过程中遇到的问题及解决方案。
发展趋势：展望SiCGaN功率半导体封装和可靠性评估技术的发展趋势，包括新材料、新工艺、新方法等。
总结全书内容，强调封装和可靠性评估技术在SiCGaN功率半导体领域的重要性，以及对未来技术发展的期待。
二、SiCGaN功率半导体封装技术随着电力电子技术的不断发展，高功率、高频、高温等领域对半导体器件的需求不断增加。
芯片封装设计中的热分析方法
芯片封装设计中的热分析方法在芯片封装设计中，热分析方法是非常关键的一部分，它可以帮助工程师评估芯片在运行过程中的热设计是否合理，是否能够满足散热要求，以及是否会出现过热导致性能下降或损坏的情况。
本文将重点介绍芯片封装设计中常用的热分析方法，希望能够帮助读者更好地理解和应用这些方法。
首先，最常用的热分析方法之一是有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）。
有限元分析是一种数值分析方法，通过将物体离散为有限个小单元，在每个小单元内进行热传导计算，最终得出整个物体的温度分布。
这种方法可以模拟复杂的热传导情况，提供详细的温度场分布，帮助工程师了解芯片封装设计在运行时的热态情况。
其次，热阻分析是芯片封装设计中常用的方法之一。
热阻是指材料或结构对热传输的阻碍程度，是评估散热性能的重要参数。
在芯片封装设计中，工程师常常需要计算芯片与散热器、散热器与外壳之间的热阻，以确保热量能够有效地传导出去，防止芯片过热。
通过热阻分析，工程师可以优化散热设计，提高芯片的散热效率。
另外，热仿真是一种常用的热分析方法，它可以通过数学模型模拟芯片在不同工况下的温度分布。
通过热仿真，工程师可以快速评估不同设计参数对温度的影响，优化芯片封装设计，并对散热系统进行设计验证。
热仿真还可以帮助工程师预测芯片在不同负载下的温度响应，指导设计选择合适的散热方案，以确保芯片在工作时能够保持稳定的温度。
最后，热试验是芯片封装设计中不可或缺的一环。
通过实际的热试验，工程师可以验证热分析模型的准确性，检验芯片在实际工作中的热性能，发现潜在的热问题并及时加以解决。
热试验通常包括温度场测量、热风箱试验、绝对温度测试等内容，通过这些试验，工程师可以全面了解芯片的热态情况，为设计优化提供重要的参考依据。
综上所述，芯片封装设计中的热分析方法包括有限元分析、热阻分析、热仿真和热试验等多种手段，每种方法都有其独特的优势和适用范围。
工程师在进行芯片封装设计时，应根据具体情况选择合适的热分析方法，以确保芯片能够在稳定的温度范围内正常工作，提高产品的可靠性和性能。
叠层芯片封装元件热应力-概述说明以及解释
叠层芯片封装元件热应力-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：叠层芯片封装元件是一种新型的封装技术，它将多个芯片封装在一起，有效地提高了集成度和性能。
然而，叠层芯片封装元件在运行过程中往往会受到热应力的影响，导致元件的可靠性和稳定性受损。
因此，研究叠层芯片封装元件的热应力问题具有重要意义。
本文将介绍叠层芯片封装元件的基本概念，探讨热应力对其性能的影响，并提出热应力管理的方法。
希望通过本文的研究，能够为叠层芯片封装元件的设计和制造提供参考和指导。
1.2 文章结构：本文共分为三个部分，分别是引言、正文和结论。
在引言部分，将首先简要介绍叠层芯片封装元件热应力这一主题的背景和意义，然后概述文章的结构和目的。
接下来在正文部分，将详细介绍叠层芯片封装元件的概念和特点，以及热应力对其的影响，同时探讨热应力管理的方法和措施。
最后在结论部分，将总结叠层芯片封装元件热应力的重要性，探讨未来发展的方向，并得出结论。
1.3 目的:本文的主要目的是探讨叠层芯片封装元件在工作过程中面临的热应力问题。
通过介绍叠层芯片封装元件的基本情况、热应力对其性能的影响以及热应力管理方法，希望能够加深对这一领域的理解，并为相关研究和工程应用提供参考。
同时，通过对叠层芯片封装元件热应力的分析和讨论，也有助于推动相关技术的发展，提高封装元件的稳定性和可靠性。
内容2.正文2.1 叠层芯片封装元件介绍叠层芯片封装元件是一种先进的封装技术，它将多个芯片堆叠在一起，形成一个整体封装结构。
每个芯片在封装过程中通过金属间隔层进行连接，从而实现元件的功能。
叠层芯片封装元件通常具有较高的集成度和性能，广泛应用于电子产品中。
叠层芯片封装元件的结构包括芯片、金属间隔层、封装材料等部分。
在封装过程中，每个芯片需要通过微弱的焊接或黏合工艺与金属间隔层连接，以实现信号传输和电路连接。
封装材料则起到固定和保护芯片的作用，同时也能提供热导性。
叠层芯片封装元件由于其高度集成和紧凑的结构，适用于对空间和性能需求较高的场合。
封装设计中的应力分布与优化方法
封装设计中的应力分布与优化方法封装设计这事儿啊，就像是给一个宝贝找个最合适的房子。
这个房子得坚固，还得让宝贝住得舒服，这可离不开对应力分布的了解和优化方法的运用。
咱先来说说应力是啥。
想象一下，你手里拿着一根橡皮筋，用力去拉它，这时候橡皮筋内部就产生了一种力量，这就是应力。
在封装设计里，各种材料受到外力或者温度变化等因素影响，也会产生这样的应力。
比如说，在芯片封装中，芯片、基板、封装材料等各个部分之间就存在着相互作用的应力。
这些应力如果分布不均匀，那可就麻烦啦！就像一间房子，有的地方受力太大，可能就会出现裂缝；有的地方受力太小，又可能支撑不住。
我曾经在一个项目中就碰到过这样的问题。
那是一个小型的电子设备封装，刚开始测试的时候一切都好好的，可在经过一段时间的高温环境使用后，封装竟然出现了细微的裂缝。
我们仔细一研究，发现就是因为应力分布不合理。
在高温下，不同材料的膨胀系数不一样，导致应力集中在某些薄弱的地方，最终出现了裂缝。
那怎么才能搞清楚应力分布呢？这就得靠各种先进的测试和模拟手段啦。
比如说有限元分析，就像是给封装做了一个超级详细的“体检”，能让我们清楚地看到应力在各个部位的大小和方向。
优化应力分布的方法也有不少。
从材料的选择上就得下功夫。
有些材料强度高、韧性好，能更好地承受应力；有些材料的热膨胀系数和其他部件更匹配，能减少温度变化带来的应力问题。
还有封装结构的设计也很关键。
合理的布局能让应力更均匀地分布。
比如说，增加缓冲层就像在房子里加了一层柔软的垫子，能缓解冲击力。
在实际的封装设计中，还得不断地尝试和改进。
有时候一个小小的改变，就能带来大大的效果。
就像有一次，我们只是把一个连接部件的形状稍微调整了一下，应力分布就得到了明显的改善，解决了一个困扰我们很久的问题。
总之啊，封装设计中的应力分布和优化方法是个精细活，需要我们用心去琢磨，才能给那些“宝贝”们打造出一个坚固又舒适的“家”。
芯片热应力
芯片热应力
芯片热应力是指由于芯片内部存在温度梯度而导致的热应力现象。
由于芯片内部的电路结构十分微小，因此在芯片工作时，电路结构会受到热膨胀的影响，从而可能导致芯片变形、裂纹等问题，甚至会影响芯片的性能和寿命。
为了解决芯片热应力问题，工程师通常会采取以下措施：
1. 优化芯片结构：通过优化芯片内部电路结构和材料的选择，减少芯片受热膨胀的影响，从而减少热应力。
2. 控制芯片工作温度：通过优化芯片的散热设计，降低芯片的工作温度，从而减少芯片受热膨胀的影响，降低热应力。
3. 加强芯片包装：通过优化芯片的封装设计和材料的选择，增强芯片的承载能力，从而减少芯片受热膨胀的影响，降低热应力。
总之，解决芯片热应力问题需要综合考虑芯片结构、工作温度和封装设计等多个方面的因素，以达到减少热应力、提高芯片性能和寿命的目的。
- 1 -。
芯片制造中的热分析与优化
芯片制造中的热分析与优化在现代科技的不断发展中，芯片制造在电子行业中扮演着至关重要的角色。
而在芯片制造的过程中，热分析与优化是一个至关重要的环节。
本文将对芯片制造中的热分析与优化进行探讨，并提出一些相应的解决方案。
一、热分析的重要性在芯片制造中，热分析是一项关键的技术。
热分析的主要目的是通过对芯片温度和热传导性能的分析，来评估芯片的热管理效果。
热分析可以给出芯片温度分布的趋势和热量的传输路径，为芯片的设计和改进提供重要的参考依据。
热分析还可以帮助芯片制造商预测芯片的热失效问题，避免由于高温引起的芯片损坏和故障。
通过热分析，可以识别出潜在的热点区域，并针对这些区域进行优化设计，使得芯片在工作过程中能够保持稳定的温度。
二、热分析方法在芯片制造中，常用的热分析方法包括热仿真、热测试和热影像等。
1. 热仿真热仿真是一种基于数值计算和建模的热分析方法。
通过将芯片的几何形状、材料特性和功耗等数据输入计算软件中，利用有限元法或有限差分法等数值方法求解热传导方程，从而得到芯片的温度分布。
热仿真可以较准确地模拟芯片的热行为，并提供详细的温度数据，为芯片设计和优化提供科学依据。
2. 热测试热测试是一种实验手段，通过测量芯片的温度和功耗等参数来获取芯片的热特性。
常用的热测试方法包括热敏电阻法、红外线测温和热像仪等。
热测试可以直接获取芯片的温度分布和热阻等重要参数，但需要实际芯片进行测试，成本较高。
3. 热影像热影像是通过红外热像仪等设备拍摄芯片表面的热图像，来观察芯片的温度分布和热点区域。
热影像可以直观地显示出芯片的热分布情况，帮助工程师快速定位问题区域，但对于热阻等具体参数的测量有一定的局限性。
三、热分析的优化策略在进行芯片制造中的热分析后，我们可以采取一些优化策略来改善芯片的热管理效果。
1. 材料优化芯片的材料对热传导性能有着重要的影响。
选择热传导性能较好的材料，可以提高芯片的散热效果。
同时，选择具有较低热膨胀系数的材料，可以减小芯片因温度变化引起的热应力，提高芯片的稳定性。
功率半导体封装技术存在的问题
功率半导体封装技术存在的问题功率半导体封装技术是将功率半导体芯片进行封装，以保护芯片并提供电气和热学性能的关键技术。
然而，在功率半导体封装技术中仍存在一些问题和挑战。
以下是一些常见的问题：1.散热问题：功率半导体器件在工作过程中会产生大量的热量，需要有效的散热措施。
然而，目前的封装技术对于高功率密度的器件来说，散热效果不够理想，导致温度过高，降低了器件的可靠性和寿命。
2.温度分布不均：由于功率半导体器件的特性，芯片上的温度分布通常不均匀。
这会导致局部热点的形成，增加了热应力和温度应力，可能引发热疲劳和失效。
3.尺寸限制：功率半导体器件通常需要承受较大的电流和电压，因此其尺寸较大。
然而，现有的封装技术对于大尺寸器件的处理能力有限，难以满足器件的封装需求。
4.电气连接问题：功率半导体器件需要与其他电路和散热系统进行电气连接。
传统的焊接技术在高温和高电流条件下容易产生接触电阻、烧结现象等问题，影响器件的性能和可靠性。
5.包装材料选择：功率半导体封装中使用的材料需要具备良好的热学性能、机械强度和耐高温性能。
然而，现有的材料在满足这些要求的同时，可能存在成本高、制造过程复杂等问题。
6.封装工艺难度：功率半导体器件的封装工艺相对较为复杂，需要进行精密的组装和测试过程。
同时，由于器件尺寸大、热量较高，对于封装工艺的要求也更高，增加了制造成本和技术难度。
7.可靠性验证和测试：功率半导体器件的封装可靠性是一个重要的考量因素。
然而，目前尚缺乏一套完善的可靠性验证和测试标准，使得对封装可靠性的评估和预测相对困难。
针对以上问题，可以采取一些改进措施来提高功率半导体封装技术的性能和可靠性：1.散热设计优化：通过改进散热结构、增加散热材料、优化散热接触等方式，提高功率半导体器件的散热效果，降低温度。
2.尺寸和封装工艺创新：研发新型封装材料和工艺，满足大尺寸器件的封装需求，并提高封装工艺的可控性和稳定性。
3.电气连接改进：引入新型电气连接技术，如焊接、无铅焊、压接等，提高连接的可靠性和电气性能。
微晶玻璃与不锈钢阳极键合残余应力分析
微晶玻璃与不锈钢阳极键合残余应力分析李丽秀;龚伟;王恩泽;王丽阁【摘要】微机电系统封装过程中产生的应力会影响其封装效果与使用寿命,针对微晶玻璃与不锈钢阳极键合温度引起的残余应力问题,采用MARC有限元软件对微晶玻璃与不锈钢键合冷却过程模拟.分析了微晶玻璃与不锈钢在不同厚度比值与面积比值键合结构下的残余应力分布规律.结果表明:微晶玻璃与不锈钢厚度比值越小,最大残余应力越小;随着不锈钢与微晶玻璃面积比值的增大,残余应力逐渐趋于平稳.研究结果为改善微晶玻璃与不锈钢阳极键合质量提供了理论参考与设计依据.%The stress generated in the process of MEMS packaging will affect the sealing effectiveness and service life.The MARC finite element software is used to simulate the cooling process of anodic bonding between glass-ceramic and stainless steel in this paper,and solve the problem about residual stress caused by the bonded temperature.Meanwhile analyze the residual stress distribution in different thickness ratios and area ratios of anodic bonded structure between glass-ceramic and stainless steel.The results show that glass-ceramic and stainless steel thickness ratio is smaller, the smaller the maximum residual stress.With the increase of stainless steel and glass-ceramic area ratios, residual stress trend to reduce gradually.The result provides a theoretical basis and design reference to improved glass-ceramic and stainless steel anodic bonding quality.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)0z1【总页数】4页(P9-12)【关键词】微晶玻璃;不锈钢;阳极键合;残余应力;有限元【作者】李丽秀;龚伟;王恩泽;王丽阁【作者单位】西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳 621010;西南科技大学制造科学与工程学院,四川绵阳 621010;西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳 621010;西南科技大学材料科学与工程学院,四川绵阳 621010【正文语种】中文【中图分类】TH16;TQ1711 引言封装作为微机电系统（MEMS）中最关键的技术之一，广泛应用于机械电子系统和微机械微仪表中[1]。
基于回归分析和遗传算法的BGA焊点功率载荷热应力分析与优化
基于回归分析和遗传算法的BGA焊点功率载荷热应力分析与优化王建培;黄春跃;梁颖;邵良滨【摘要】建立了球栅阵列BGA(Ball Grid Array)焊点有限元分析模型,选取焊点高度、焊点最大径向尺寸、上焊盘直径和下焊盘直径作为设计变量,以焊点应力作为目标值,采用响应曲面法设计了29组不同水平组合的焊点模型并建模进行仿真计算,建立了焊点应力与结构参数的回归方程,基于回归方程结合遗传算法对焊点结构参数进行了优化,获得了焊点应力最小的结构参数最优水平组合.结果表明:对于无铅焊料SAC387,焊点应力随焊点的高度增加而减小,随最大径向尺寸的减小而减小;应力最小的焊点水平组合为:焊点高度0.38mm、最大径向尺寸0.42mm、上焊盘直径0.34mm和下焊盘直径0.35mm;对最优水平组合仿真验证表明优化后焊点最大应力下降了4.66MPa,实现了BGA焊点的结构优化.【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2019(047)003【总页数】7页(P734-740)【关键词】BGA焊点;热应力;回归分析;遗传算法;功率载荷【作者】王建培;黄春跃;梁颖;邵良滨【作者单位】桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学机电工程学院,广西桂林541004;成都航空职业技术学院电子工程系,四川成都610021;安徽神剑科技股份有限公司,安徽合肥230022【正文语种】中文【中图分类】TG4041 引言球栅阵列(Ball Grid Array:BGA)器件由于其具有引脚数量大、成品率高、电性能优越及散热性好等方面的优势已经广泛应用于各种电子产品当中.BGA器件在实际使用时，存在着通电(开)、运行工作、待机及断电(关)这等这几个过程的交替循环，这样的循环过程即为典型的功率循环过程.在功率循环产生温升的条件下，BGA器件本体与印制电路板(Printed Circuit Board:PCB)的热膨胀系数失配会导致处于器件本体和PCB之间起着连接作用的BGA焊点不可避免的产生热应力，进而导致可靠性问题的产生.针对功率循环条件下电子元器件及其互连焊点可靠性问题，国内外学者展开了相关研究，在国内，王卫宁[1]等人对功率循环中表面安装器件(Surface Mounted Devices:SMD)热变形的实时全息干涉测量进行了研究，结果表明：在功率循环中，PQFP(Plastic Quad Flat Package：塑料四边扁平封装)与 PCB均发生了离面弯曲变形，PQFP与PCB 材料的热膨胀系数不同及PQFP内部芯片消耗功率所产生的温度梯度，是导致弯曲变形及变形失配的主要原因；王强[2]等人对功率循环下CSP(Chip Scale Package：芯片级封装)封装结构焊点的疲劳寿命进行了研究，结果表明：1/8模型和1/8简化模型的焊点温度分布和等效应力基本一致；在国外，Karppinen[3]等人研究了在固有频率下，功率载荷对块状焊点可靠性的影响，并且建立了PCB 的应变幅度与断裂模式的关系，结果表明功率载荷加快了焊点的失效；在一般使用条件下，Engelmaier[4]等人研究了在一定功率循环下BGA焊点发生了失效，并指出功率循环引起焊点的疲劳失效问题不可忽略.以上学者的研究成果题，对功率循环条件下的焊点进行应力应变分析有其必要性；而国内外学者对此已开展的研究中也尚存不足，如没有更进一步分析焊点结构相关参数(焊点直径、焊点高度和焊盘直径等)对功率循环条件下焊点内应力应变的影响规律，更没有在焊点结构参数优化方面展开深入研究，尚无以优化方法对焊点结构参数进行优化而实现减小功率循环条件下焊点内应力应变，进而达到提高焊点可靠性的目的相关文献报道.对此，本文选取BGA焊点的焊点高度、焊点最大径向尺寸、上焊盘直径和下焊盘直径这四个结构参数作为设计变量，基于响应曲面法以四个结构参数进行不同水平组合设计，得到29组不同水平组合的焊点，建立相应的COMSOL仿真模型进行功率循环加载仿真计算，以应力值作为目标值，将得到的29组模型的应力值与四个结构参数间关系进行拟合，得到表达应力值与四个结构参数之间关系的回归方程，再结合遗传算法对回归方程进行了优化，得到了应力值最小的焊点结构参数水平组合，并对最优结构参数水平组合进行了仿真验证，实现了减小功率循环条件下BGA焊点内应力应变的目标，为提高BGA焊点功率循环条件下的可靠性提供了一定的理论指导.2 BGA焊点三维有限元分析模型文中分析对象为球珊阵列封装，模型实体来源于TopLine公司生产的8*8全阵列产品，总共64个焊球，焊球间距0.8mm.为了减小PCB边缘对焊点应力应变的影响，取PCB尺寸为封装体的2.5倍，即PCB尺寸为20mm×20mm×1.2mm,焊点最大径向尺寸为0.46mm,焊点高度0.34mm,上下焊盘直径均为0.32mm，芯片尺寸8mm×8mm×0.96mm.选取焊点材料为无铅焊料SAC387(Sn95.5Ag3.8Cu0.7)，模型中各部分材料参数见表1所示，所建立的相应的功率循环加载有限元分析模型如图1所示.表1 材料参数材料弹性模量E/MPa泊松比μ热膨胀系数∂/(10-6·℃-1)硅芯片26.50.236.9FR4基板220.2818SAC387380.3820本文采用瑞典COMSOL公司的COMSOL Multiphysics软件对焊点进行有限元分析.焊点采用粘塑性Anand模型描述其力学行为，其余材料全部假设为线弹性.在弹塑性力学中，Von Mises(范米塞斯)准则可以用来对疲劳、破坏等进行评价，其考虑了第一、第二、第三主应力.有限元软件后处理中的“Von Mises Stress”即为范米塞斯等效应力，本文分析中的应力应变均为范米塞斯等效应力应变.有限元模型施加的边界条件为PCB底面全约束，零应力参考温度20℃，选取热功率循环作为加载条件，加载曲线如图2所示.从图2可见，启动电源时，功率由0上升到8e6W/m3；在高功率8e6W/m3运行10分钟；待机时，功率由8e6W/m3下降到2e6W/m3；在低功率2e6W/m3运行10分钟，此为一个周期，连续循环4个周期.经加载图2所示的功率循环曲线，对图1所示的模型进行有限元应力应变仿真后，所得结果如表2、图3、图4和图5所示.表2所示为第三、第四个循环中不同加载时刻上(即图2中所示a、b、c、d、e和f所示时刻，其中a所示为第三循环低功率开始时刻)焊点内最大应力应变数值；图3所示为功率循环加载条件下各时刻上焊点阵列内的温度云图；图4所示为第四周期8400s时刻(图2中d所示时刻)焊点阵列内的应力分布云图，图5所示为同一时刻焊点阵列内的应变分布云图.(注：图3、图4和图5中右上角所标注出的数值为分别为最高温度、最大应力和最大应变，下同)由表2可知，在功率循环的第三、第四个周期中，在功率2e6W/m3时，运行一段时间的过程中(图2中a到b段)，焊点内应力由31.502MPa下降到11.816MPa；当功率由2e6W/m3上升到8e6W/m3的过程中(b到c段)，焊点内应力上升到27.976MPa；在功率为8e6W/m3运行一段时间的过程中(c到d 段)，焊点内应力增加到47.675MPa；待机时，当功率由8e6W/m3下降到2e6W/m3的过程中(d到e段)，焊点内的应力减小到31.503MPa；随后在功率为2e6W/m3的运行过程中(e到f段)，焊点内应力减小到11.819MPa.应变数值随功率变化如同应力变化趋势一样.由此看出焊点阵列最后一个周期各个时刻对应的最高应力应变与所加载的功率循环过程相匹配.表2 应力应变随时间变化时间(s)应力(MPa)应变6600(a点)31.5020.00794127200(b点)11.8160.00299597800(c点)27.9760.00646618400(d点)47.6750.0114209000(e点)31.5030.00794119600(f点)11.8190.0029960由图3所示的功率循环各时刻焊点阵列温度云图可见，在功率循环的a到b阶段(见图2所示)，焊点阵列中最高温度由93.77℃下降到47.46℃；在b到c阶段，焊点阵列中最高温度由47.46℃上升到到78.41℃；在功率循环的c到d阶段，焊点阵列内最高温度由78.41℃上升到到124.70℃；待机时(d到e段)，焊点阵列内最高温度由124.70℃下降到93.77℃；在e到f段，焊点阵列内最高温度由93.77℃下降到47.46℃.由此看出焊点阵列最后一个周期各个时刻对应的最高温度变化也与所加载的功率循环过程相匹配.图4和图5是功率加载到第四循环8400s时刻对应的焊点阵列内的应力应变分布云图，选择此时刻进行分析是由于焊点在第四个循环周期循环到8400s时，热功率达到最大，此时焊点内应力应变值均最大.由图4和图5可以看出应力应变在焊点阵列内的分布均是不均匀的，位于四个角落处的焊点应力应变最大.以下图6和表8中所示应力应变分析结果均来自于焊点阵列中角落处最大应力应变所在焊点.3 焊点结构参数变化对BGA焊点应力的影响3.1 BGA焊点高度变化对BGA焊点应力的影响在分析BGA焊点高度变化对焊点应力影响时，保持BGA焊点其他参数以及仿真求解设置不变，仅改变BGA焊点的高度.选取BGA焊点高度水平(所谓水平是指所分析的因素所设定的不同量或质的级别)为0.30mm、0.32mm、0.34mm、0.36mm和0.38mm，分别建立5个对应参数水平组合的模型进行仿真分析.所得焊点内应力结果分别如图6和表3所示.从图6和表3可知，焊点高度变化导致焊点内最大应力相应产生变化，在BGA焊点其他参数不变的情况下，在所研究的BGA焊点高度范围内，随着焊点高度的增加，焊点内的最大应力均相应减小，最大应力应变从高度0.30mm时的71.785MPa和0.012089减小到高度为0.38mm时的38.375MPa和0.0099507.因此，适当增加焊点高度可以降低功率循环下的应力应变.表3 不同焊点高度应力应变值焊点高度H/mm0.300.320.340.360.38应力/MPa71.78568.37947.67540.78538.375应变e-312.08910.36311.42010.5079.95073.2 焊点最大径向尺寸变化对BGA焊点应力的影响在分析BGA焊点最大径向尺寸变化对焊点应力的影响时，在保持其他参数和设置不变的情况下，仅改变BGA焊点的最大径向尺寸.选取BGA焊点最大径向尺寸水平为0.42mm、0.44mm、0.46mm、0.48mm和0.50mm分别建立5个对应参数水平组合的模型进行仿真分析，所得焊点应力分析结果如表4所示.表4 不同焊点最大径向尺寸应力应变值最大径向尺寸D/mm0.420.440.460.480.50应力/MPa40.17243.36447.67550.93859.057应变e-311.05211.21111.42011.57312.653从表4可知，在BGA焊点其他参数不变的情况下，随着焊点最大径向尺寸的增加，焊点内的最大应力应变均相应增加，最大应力应变从最大径向尺寸0.42mm时的40.172MPa和0.011052增大到最大径向尺寸为0.50mm时的59.057MPa和0.012653.因此，在所研究BGA焊点最大径向尺寸范围内，适当减小焊点最大径向尺寸可以降低功率循环下的应力应变.3.3 焊点上焊盘直径变化对BGA焊点应力的影响在分析BGA焊点上焊盘直径变化对焊点应力影响时，保持BGA焊点其他参数和设置不变，仅改变BGA焊点上焊盘直径.选取BGA焊点上焊盘直径水平为0.28mm、0.30mm、0.32mm、0.34mm、0.36mm，分别建立5个对应参数水平组合的模型进行仿真分析.所得焊点应力分析结果如表5所示.表5 不同的焊点上焊盘直径对应的应力应变值上焊盘直径D1/mm0.280.300.320.340.36应力/MPa50.93447.58147.67547.09862.254应变e-311.42511.33011.42011.39912.400从表5可知，在BGA焊点其他参数不变的情况下，增加BGA上焊盘直径时，应力值也会相应变化.当焊点上焊盘直径为0.36mm时，焊点内最大应力最大，且为62.254MPa.当上焊盘直径为0.34mm时，焊点内最大应力最小，且为47.098MPa.因此，在固定其他参数不变的情况下，焊点上焊盘直径为0.34mm，在功率循环下的焊点的应力值较低.3.4 焊点下焊盘直径变化对BGA焊点应力的影响在分析BGA焊点下焊盘直径变化对焊点可靠性影响时，保持BGA焊点其他参数以及仿真求解设置不变，仅改变BGA焊点下焊盘直径.选取BGA焊点上焊盘直径水平为0.28mm、0.30mm、0.32mm、0.34mm、0.36mm，分别建立5个对应参数水平组合的模型进行仿真分析.所得焊点应力分析结果如表6所示．表6 不同的焊点下焊盘直径对应的应力应变值下焊盘直径D2/mm0.280.300.320.340.36应力/MPa48.44547.66147.67545.86763.431应变e-310.97811.51611.42011.29612.530从表6可知，在BGA焊点其他参数不变的情况下，BGA下焊盘直径的改变也会使得焊点内应力产生相应变化.当焊点下焊盘直径为0.36mm时，焊点内最大应力最大，且为63.431MPa.当下焊盘直径为0.30mm时，焊点内最大应力最小，且为47.661MPa.由此可见，固定其他参数不变的情况下，焊点下焊盘直径为0.30mm 时,在功率循环下的焊点的应力值较低.4 基于遗传算法的BGA焊点结构参数优化4.1 基于响应面法的仿真实验设计4.1.1 响应曲面法由BOX和Wilson提出的响应面曲法[5]，其分析的试验设计有以下几种：中心复合设计、Box-Behnken设计、D-optimal设计、均匀设计等[6].根据本文试验所取因素数量，故采用响应面分析的Box-Behnken试验设计方法，可减少试验次数.4.1.2 仿真试验设计选取焊点最大径向尺寸、焊点高度、上焊盘直径和下焊盘直径为参数，分别对各个因素选取3个水平值，其因素水平表如表7所示.采用响应面分析的Box-Behnken试验设计方案设计出的焊点因素水平组合如表8所示，根据表8建立出相应的29组模型，得到相应的应力值如表8最后一列所示.表7 因素水平表因素名称焊点高度H/mm焊点最大径向尺寸D/mm上焊盘直径D1/mm下焊盘直径D2/mm水平10.300.420.280.28水平20.340.460.320.32水平30.380.500.360.36表8 响应曲面组合与应力分析结果试验号H/mmD/mmD1/mmD2/mmVonMisesStress/MPa10.340.460.360.3660.2720 .300.500.320.3256.49830.340.460.280.2883.98740.340.420.320.3649.07750.380.460.280.3274.57660.340.420.280.3255.48970.300.420.320.3284.42480.3 40.420.320.2852.64890.340.460.360.2851.99100.340.500.320.2849.992110.3 40.500.320.3652.61120.380.420.320.3234.272130.380.500.320.3242.876140. 340.500.360.3253.41150.340.420.360.3250.781160.340.460.320.3247.67517 0.340.460.280.3653.388180.340.460.320.3247.675190.340.460.320.3247.675 200.380.460.320.2877.646210.340.460.320.3247.675220.380.460.320.3638.1 15230.300.460.320.2871.131240.340.460.320.3247.675250.340.500.280.324 7.725260.300.460.360.3286.658270.300.460.280.3272.759280.380.460.360.3 238.371290.300.460.320.3652.8274.2 拟合分析对表8中试验因子组合及其结果进行二次多元回归拟合，得到应力值(Y)与焊点高度(X1)、最大径向尺寸(X2)、上焊盘直径(X3)、下焊盘直径(X4)二次多项式回归方程为：Y=2108.69693-3322.73646×X1-1040.8375×X2-3869.13021×X3-3387.12292×X4+5707.8125×X1×X2-7828.75×X1×X3-3316.71875×X1×X4+1623.90625×X2×X3+967.03125×X2×X4+6074.84375×X3×X4(1)为了确保拟合所得的回归方程可信，对上式中数据进行了方差分析和模型的显著性验证，得到回归方程相关评价指标，结果见表9.表9 回归方程分析结果Fit Statistics(统计数据)Value(值)R Value(回归方程相关性系数)0.90568R-Square(回归方程系数)0.82025Adj.R-Square(回归方程调整系数)0.6405Fit Status(拟合情况)Succeeded(100)经过拟合分析得到的模型“回归方程调整系数R2”大于0.4即表示该方程显著；由表9中数据可知，Adj R-Squared(即R2)为0.6405，满足方程显著的条件；且回归方程系数R-Square为0.82025，相关系数为0.90568，表明回归方程拟合度很高.以上结果系数都表明式(1)能够高度拟合表8中的试验结果，故回归方程准确可信.4.3 BGA焊点结构参数优化4.3.1 遗传算法(Genetic Algorithm，GA)遗传算法是一类模拟达尔文的自然选择和自然遗传的生物进化过程的计算模型，由美国密歇根大学的J.Holland教授在1975年首先提出的，其本质是一种求解问题的高效并行随机化全局搜索方法[7].遗传算法已经在组合优化、图像处理、系统识别等众多领域得到成功应用[8].它利用生物进化思想对求解域逐步筛选比较最终搜索得到问题最优解.4.3.2 BGA焊点结构参数优化依据所上节回归分析所得到焊点结构参数与应力的二次多项式回归方程式(1)，采用遗传算法，以4个功率循环周期条件下应力最低为目标进行参数优化.根据表7设置约束条件如下：0.30≤X1≤0.38,0.42≤X2≤0.50，0.28≤X3≤0.36，0.28≤X4≤0.36，(X1为焊点高度、X2为焊点最大径向尺寸、X3为上焊盘直径、X4为下焊盘直径)，种群个体数为40，最大遗传代数50，目标变量数4，变量二进制为25，代沟0.9，经过50次迭代后目标函数值如图7所示，种群均值和最优解变化如图8所示.此时输出各个结构参数的最优水平值如下：X1=0.38mm,X2=0.42mm,X3=0.34mm,X4=0.35mm,图中最优解相比表8中应力最小值34.272MPa明显减小，达到了BGA焊点结构参数优化的目的.4.3.3 最优参数水平组合验证基于回归分析-遗传算法的BGA焊点结构参数优化结果在上一节已经给出，即焊点高度0.38mm、最大径向尺寸0.42mm、上焊盘直径0.34mm和下焊盘直径0.35mm.为了验证最优参数水平组合是否达到减小焊点应力的目的，在设定其他条件不变的情况下，根据以上BGA焊点参数水平组合重新建立comsol模型，进行仿真分析，得到功率载荷条件下 BGA焊点阵列内的应力分布结果如图9所示.由图9所示仿真结果可见，4个功率循环周期条件下应力值为29.612MPa,与表8中应力最小值34.272MPa,相比减小了4.66MPa,由此证明借助回归分析-遗传算法得到的最优水平组合的焊点内应力明显减小.5 结论通过建立BGA焊点comsol仿真模型对BGA焊点进行功率循环加载应力应变分析，并结合回归分析-遗传算法优化，对于无铅焊料SAC387，得到以下结论：(1)单因素分析中表明：焊点应力随着焊点的高度增加而减小，随着最大径向尺寸的减小而减小；随着上下焊盘直径的变化也会发生变化.(2)经优化分析得到的BGA 焊点结构参数最优水平组合为：焊点高度为0.38mm，焊点最大径向尺寸为0.42mm，上焊盘直径为0.34mm，下焊盘直径为0.35mm；并通过仿真验证证实焊点最优水平组合4个功率循环加载条件下的应力值减小显著，实现了BGA焊点结构参数的优化.参考文献【相关文献】[1]王卫宁、梁镜明.功率循环中表面安装器(SMD)热变形的实时全息干涉测量研究[J].半导体学报，1998,19(8):609-614.Wang Weining，Liang Jingming.Real-time holographic interferometric measurement of thermal deformation of surface mounted device (SMD) in power cycle[J].Journal of Semiconductors,1998,19(8):609-614.(in Chinese)[2]王强，梁利华.功率循环下CSP封装结构焊点的寿命预测分析[J].浙江工业大学学报，2006,34(2):157-160.WANG Qiang,LIANG Li-hua.Life prediction and analysis of solder joints in CSP package under power recycling[J].Journal of Zhejiang University of Technology,2006,34(2):157-160.(in Chinese)[3]Karppinen J S,Li J,Paulasto-Krockel M.The effects of concurrent power and vibration loads on the reliability of board-level interconnections in power electronic assemblies[J].IEEE Transactions on Device & Materials Reliability,2013,13(1):167-176. 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BGA封装的热应力分析及其热可靠性研究的开题报告
BGA封装的热应力分析及其热可靠性研究的开题报告【摘要】BGA（Ball Grid Array）封装技术作为目前主流的高密度封装方式之一，其热应力问题一直是制约其可靠性提高的主要因素之一。
本文将对BGA封装的热应力问题进行分析，并探究其热可靠性研究方法，为BGA封装的热可靠性提高提供理论基础和实践指导。
【关键词】BGA封装；热应力；热可靠性研究；分析探究【引言】BGA封装技术广泛应用于微电子领域，由于其高集成度和高可靠性特点，被广泛应用于服务器、网络设备、工控设备等高端电子产品中。
BGA封装技术的可靠性问题是电子产品研发和生产中需要重点考虑的问题之一，而其主要瓶颈是热应力问题。
因此，本文将重点探究BGA封装的热应力问题及其热可靠性研究方法。
【热应力问题分析】BGA封装中，由于封装体与衬底、芯片之间的热膨胀系数不同，电子器件处于热载荷状态下产生热应力，严重影响器件的可靠性。
目前，BGA封装中产生热应力的主要原因包括以下几个方面：1.材料热膨胀系数不匹配：BGA封装中，由于材料的热膨胀系数不匹配，导致封装体与芯片、衬底之间发生热应力。
2.退火温度不当：封装体的退火温度不当，容易使封装体与衬底间的热应力加剧。
3.模型尺寸不匹配：由于模型尺寸不匹配，导致BGA封装的应力分布失调，使得电子器件的可靠性受到影响。
4.基板选择不当：基板的选择不当，导致基板与芯片、封装体之间的热膨胀系数不匹配，产生热应力。
【热可靠性研究方法】针对BGA封装的热应力问题，热可靠性研究方法可以从以下几个方面展开：1.材料热膨胀系数匹配：在BGA封装过程中，材料热膨胀系数匹配关乎着封装体及器件的可靠性。
因此，应选用热膨胀系数相符合的材料进行封装。
2.合理选择退火温度：BGA封装中，退火温度应当根据材料的热膨胀系数选取适当的温度，并应尽量保证各部分材料的热膨胀系数一致，以减少热应力对器件的影响。
3.针对封装体的模型进行优化：对BGA封装的模型进行优化，以确定封装体的尺寸和材料，从而控制热应力的产生和传播，提高封装的可靠性。
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第１ ２卷
第 ５期
哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报
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２０ ０７年 １ Ｏ月
时施 加相 同 的温 度 Ｊ在 实 际使 用 中 ， ， 由于 芯 片 消 耗 电功率 ， 会在 器件 的纵 向和 径 向产生 温度梯 度． 本文 在 考 虑芯 片 的生 热率 、 空气 对 流散 热 和辐 射散 热 的情 况 下 ， 用 有 限元 分 析 软 件 Ａ Ｓ Ｓ 分 应 ＮＹ ，
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析功率载荷下器件温度 、 应力和剪应力分布情况， 通 过对 芯片 温度和 应 力 分 布 分析 ， 定影 响器 件 可靠 确
性的因素 ， 为叠层芯片封装优化提供理论依据．
பைடு நூலகம்１ 热应力模 拟
本文采用两块芯片的封装模型 ， 上层芯片尺寸 小于下层芯片的尺寸 ， 封装结构简图如图 １ 所示． 从 上到下依次是塑封层、 上层芯片 、 上层粘接层 、 下层
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布． 分析结果表 明， 下层芯片最 高温度、 最大等 效应 力和剪应 力分别 为 ４２ ０８Ｋ， ３Ｍ ａ６ ． １．８ １ Ｐ ，５４ ４ Ｍ ａ 下层芯片的边角处应力和剪应力值最大， Ｐ， 也是芯片最容易破坏和开裂的位置． 关键词 ： 功率载荷 ； 叠层芯片封装； 热应力； 有限元分析 中图分 类号 ： Ｐ １ ． Ｔ ２２２ 文献 标识 码 ： 文章 编号 ： ０ ７ ２８ （０７ ０ — ０７ ０ Ａ １０ — ６３ ２０ ）５ ０５ — ４
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功 率载 荷 下 叠层 芯 片封 装 热 应 力 分 析
杜 兵 殷景华 刘 晓为 ， ，
（ ．哈尔滨理工大学 应用科学 学院， １ 黑龙江 哈尔滨 １０ ８ ； ５ ０ ０
２ 哈尔滨工业 大学 Ｍ Ｍ ． Ｅ Ｓ中心 ， 黑龙江 哈尔滨 １０ ０ ） ５ ０ １
摘
要： 应用有限元分析软件 Ａ Ｓ Ｓ 模拟功率栽荷 下叠层 芯片封装 中各层的温度和应力分 ＮＹ ，
叠层 芯 片 封 装 是 一 种 应 用 广 泛 的 三 维封 装 技 术， 它不仅可 以提 高封 装密度 ， 小芯 片之 间互连 线 减 长度 ， 提高器 件 的运 行 速度 ， 且 通过 叠层 封装还 可 而 以实 现器件 的多功 能 化 … ． 器 件 的 制造 和使 用 过 在 程中， 由于温 度梯 度 的存 在 和 各 种 材 料 的 热膨 胀 系 数相 差较大 ， 会在器 件 内产生 较大 的应 力 ， 引起器 件 的变形 乃至 失 效 ｊ在 使 用 过 程 中 ， 片 内应 力 的 ． 芯 集 中会 造成芯 片 的破 坏 ， 切 应力 会使 各 封 装 层 间 剪 产生分层 现 象 Ｊ此 外 ， 度 对 可 靠 性 的影 响 也 不 ． 温
（ ．Ａｐｌ ｄＳｉｎｅＣ ｌ ｇ ，Ｈ ｒｉ Ｕ ｉ．Ｓｉ ｅｈ ，Ｈ ｒｉ １０ ８ ，Ｃ ｉａ １ ｐｉ ｃｅ ｃ ｏｅｅ ａｂｎ ｎ ｅ ｌ ｖ ｃ．Ｔ ｃ ． ａｂｎ ５０ ０ ｈｎ ；
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