用于分析电子封装结构的有限元-边界元耦合方法研究

随着封装密度增加和功能的多样化,封装结构呈现出明显的跨尺度特征,这给封装结构的数值分析和设计带来了巨大的挑战。针对具有跨尺度特征的电子封装结构,本文提出了一种基于ABAQUS的有限元法(FEM)和边界元法(BEM)的耦合方法。在耦合方案分析中,根据结构的几何特征、材料属性等,将整个求解域分成有限元(FE)域和边界元(BE)域。有限元法用于分析具有非线性或非均匀特性的子域,而具有线性特征或不重要的区域则由边界元法求解。将整体模型中的BE部分定义为有限元法的一个超单元(ABAQUS中的用户自定义单元),利用边界元代码计算其等效刚度和界面处的等效载荷,并由用户子程序UEL组装到有限元系统中。两个数值算例表明该方案的计算结果与参考结果吻合较好,从而验证了该方法的准确性和有效性。

包镍多壁碳纳米管增强SAC305焊料的Ⅰ型断裂机理研究

发展高可靠的互连封装新型焊料已经成为电子封装领域的前沿研究内容之一.本文制备了包镍碳纳米管增强SAC305焊料,并开展了不同含量增强SAC305焊料的双悬臂梁试样I型断裂测试,得到了不同添加含量SAC305的载荷-位移曲线.基于柔度的梁方法理论(CBBM)计算了增强焊料的I型断裂韧度.研究结果表明,其Ⅰ型断裂韧度随着包镍碳纳米管质量分数的增加,表现出先升高后降低的趋势.没有添加包镍碳纳米管的SAC305焊料的Ⅰ型断裂韧度约为0.53 N/mm,添加0.05wt%包镍碳纳米管的增强焊料的I型断裂韧度最高,约为1.14 N/mm,相较于没有添加包镍碳纳米管的SAC305焊料断裂韧度提高了1.15倍,表现出更好的抵抗裂纹扩展的特性.

2.5D封装结构回流焊过程热应力分析

对一种典型2.5D封装结构在回流焊工艺过程的热应力进行仿真。通过对比分析传统热力学仿真方法与基于生死单元技术的热力学仿真方法,研究了计算方法对热应力计算结果的影响。在相同参考温度下,由不同计算方法得到的硅通孔(TSV)转接板应力结果相差不大,从焊球应力结果可推测出,基于生死单元技术的热力学仿真方法考虑了残余应力的累积模拟更适合于回流焊过程的热应力仿真。研究了2.5D封装回流焊过程中参考温度的选择对计算结果的影响,选用最高参考温度作为各个组件的参考温度,通常得到TSV转接板的应力值偏大,模拟的结果会更加偏于激进。通过对2.5D封装结构回流焊过程进行热应力分析,对比分析了计算模拟方法和参考温度的选择对最终计算结果的影响。该方法同样可用于指导其他同类2.5D封装结构应力的计算和分析。

直接多级有限元法在多尺度封装结构中的应用

近年来,均质化方法被广泛用于电子封装结构的数值仿真。然而,目前这些方法只考虑材料的线弹性特性,对于封装结构中表现出非线性行为的材料,仅考虑均质化结构线弹性的等效参数可能会引起较大的误差。本文基于直接多级有限元(Direct multilevel Finite Element,DFE)方法,提出了一种能够用于封装结构多尺度仿真的DFE-子模型方法。该方法不仅可以考虑等效材料的线弹性特性,又可以对封装结构中材料的非线性行为进行分析。数值结果表明,该方法可以有效的分析电子封装结构中的多尺度问题。

基于RVE-子模型法的多尺度封装结构分析方法

电子封装结构具有典型的几何多尺度特征,由于大尺寸结构和小尺寸结构在同一个数值模型中,数值分析时需要划分大量单元,导致计算成本高,有时甚至无法计算。本文针对电子封装中的几何多尺度结构提出一种RVE-子模型法,对封装结构中典型的周期性多尺度结构建立等效模型,采用直接平均理论得到RVE本构,并赋给所建立的等效模型。基于子模型理论,将重点关注位置建立精细模型,以得到关键位置的准确应力应变场。该方法不仅将宏微观尺度分离,又能保证其相互耦合关系,保证模型计算精度的同时又减小计算规模,适用于求解多尺度模型关键位置的应力应变响应。算例表明,RVE-子模型法可以高效率的分析电子封装结构中的多尺度问题。

随机振动载荷下塑封球栅阵列含铅焊点疲劳寿命模型

对塑封球栅阵列(PBGA)封装器件Sn37Pb焊点进行了正弦振动、随机振动实验,得到各个载荷下焊点的疲劳寿命结果。建立了三维有限元模型,进行与实验条件一致的有限元分析,计算焊点的应力;将实验结果与有限元计算相结合,并基于Steinberg寿命预测模型,发展了随机振动载荷下焊点疲劳寿命预测方法。结果表明,疲劳寿命模型预测结果与实验结果吻合较好,该方法可应用于PBGA封装焊点在随机振动载荷下的疲劳寿命评估,为PBGA封装器件的设计与使用提供指导。

热、振及热振耦合条件下塑封球栅阵列含铅焊点失效分析

对塑封球栅阵列封装器件进行了热循环、随机振动以及热振耦合试验,在3种试验条件下测试Sn37Pb焊点的寿命,并对3种载荷条件下失效焊点位置的分布规律以及焊点的失效模式进行对比分析.结果表明,塑封球栅阵列封装焊点在热振耦合试验中的寿命明显小于热循环以及随机振动试验的寿命结果.热循环、随机振动条件下越靠近测试板中心位置,器件的焊点越容易发生破坏,而热振耦合试验中不同位置上器件的失效焊点数比较接近.此外,热循环条件下破坏模式主要表现为钎料内部的韧性断裂,随机振动条件下主要为界面金属间化合物层内的脆性断裂,而热振耦合条件下这两种破坏模式均有发生.

硅晶圆磨削减薄工艺的磨削力模型

硅晶圆磨削减薄是一种有别于传统磨削的材料加工方式。磨削减薄过程中,硅晶圆和砂轮同时绕旋转轴旋转,砂轮沿垂直方向连续进给去除材料,其中磨削力是磨削质量的决定性因素。目前,尚缺少一个用于硅晶圆磨削减薄工艺的磨削力预测模型。为了得到磨削力模型,分析了磨削减薄过程中的硅晶圆材料去除机理,将磨削力分为摩擦力和切屑力,考虑了磨粒运动轨迹,分别计算了单颗磨粒在法向和切向上的摩擦力和切屑力,最后基于有效磨粒总数建立了总磨削力模型。模型综合考虑了磨削参数、砂轮和硅晶圆的几何参数和材料性质对磨削力的影响。讨论了砂轮进给速度、晶圆转速和砂轮转速三个主要磨削参数对磨削力的影响,讨论了硅晶圆上晶向对磨削力的影响,给出了磨削力在硅晶圆面上沿径向的分布情况。

玻璃通孔三维互连技术中的应力问题

玻璃通孔(Through glass via,TGV)三维互连技术由于具有优异的电学、光学特性,良好的力学稳定性和低成本等优势,在三维封装、集成无源器件和光电器件集成方面具有广泛应用前景。然而,玻璃通孔三维互连结构复杂,由多种材料间热膨胀系数不匹配引起的热应力将影响器件和封装的性能和可靠性,针对玻璃通孔三维互连技术的应力和可靠性问题,很多学者开展了相关研究。首先总结了TGV三维互连结构中的应力问题,包括TGV铜填充热应力理论模型、TGV孔完全填充或不完全填充铜在应力、局部应力集中引发的热机械可靠性问题。其次,针对TGV互连结构应力问题,总结了应力解析和有限元仿真分析进展,明确孔内填充聚合物可缓解残余应力及热应力,具有较高的抗热应力可靠性。最后,指出TGV互连应力和可靠性还存在亟待解决的问题。