熱循環(huán)載荷下POP堆疊電子封裝的可靠性研究

劉昭云，楊雪霞

(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原030024)

POP堆疊由于可以將多個封裝疊放在一起的結(jié)構(gòu)，使得整個封裝更加高效和小巧。其本身可以在裝配前對各個組件部分分別進(jìn)行性能測試，提高了整體封裝的良品率，降低了總成本[1],正在越來越多的運(yùn)用到各個電子產(chǎn)品中。但其復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，使得散熱成為了一個難題，熱壽命成為制約POP堆疊封裝可靠性的一個重要因素。[2]對在熱循環(huán)下的POP堆疊進(jìn)行熱壽命的分析是十分有意義的。

對于POP堆疊封裝的力學(xué)性能研究，前輩唐修勝在《溫度沖擊載荷下POP堆疊封裝可靠性研究》[3]中，用有限元方法分析POP堆疊封裝的可靠性，利用Kencht-Fox焊點(diǎn)壽命預(yù)測模型進(jìn)行計(jì)算。王洋在《不同溫度環(huán)境下POP堆疊封裝的可靠性研究》[4]中，對比了不同溫度環(huán)境下相同尺寸POP以及不同尺寸POP相同溫度環(huán)境下的可靠性。陳冬瓊在《堆疊封裝(POP)的可靠性研究》[5]中，根據(jù)Styed累積等效蠕變應(yīng)變模型預(yù)測焊球的疲勞壽命。

以上對于POP堆疊的可靠性的研究，分別考慮了在不同的粘塑性模型下的焊球材料屬性，但沒有考慮Anand粘塑性模型在溫度循環(huán)載荷下的情況[6]。本文在前人工作的基礎(chǔ)上考慮Anand粘塑性模型的情況[7]，構(gòu)建雙層堆疊雙陣列焊球排布模型來研究和分析焊球在溫度循環(huán)時的力學(xué)行為，塑性應(yīng)變的危險點(diǎn)等，從而討論P(yáng)OP堆疊在溫度循環(huán)下的可靠性。

1 ANSYS中POP堆疊封裝熱循環(huán)分析

1.1 建立封裝有限元模型

POP(package on package)堆疊的最顯著的特點(diǎn)就是把具有多引腳的邏輯元件和高集成度的存儲元件通過焊點(diǎn)的連接，疊加安裝在垂直的方向上。[8]本文所討論的POP模型來源于Amkor公司所研發(fā)生產(chǎn)的POP堆疊芯片，頂層放置安裝的是PScfBGA封裝的邏輯元件，在底層的安裝的是以SCSP形式封裝的存儲元件。[9]

在本文的討論中,將封裝中的焊點(diǎn)處幾何模型假設(shè)為了理想的球形[10]；假設(shè)POP封裝之中的芯片、基板與塑封層等處的材料均為各向同性的線彈性材料，且各種材料都均勻分布的。[11]

幾何參數(shù)如表1所示[12]，按照下表中的尺寸制作完成的模型圖如圖1與圖2所示。圖1為總體的俯視圖，圖2為核心部分(即總體俯視圖中的左上角芯片所在位置)的放大視圖。

圖1 三維模型圖

Fig.1 3Dmodeldiagram

圖2 三維模型圖

Fig.2 3Dmodeldiagram

表1 POP堆疊封裝模型各部分尺寸

Tab.1 POP stacked package model dimensions

頂層封裝(mm)底層封裝(mm)芯片6×6×0.16×6×0.1焊盤高度0.020.02焊球直徑0.80.8焊球高度0.60.6焊球間距1.21.2焊球邊距0.60.6基板20×20×0.1320×20×0.13塑封20×20×0.4612×12×0.46PCB板200×140×1.5

表2 POP堆疊封裝各部分材料參數(shù)

Tab.2 POP stack package material parameters

彈性模量EX(Mpa)剪切模量GX(Mpa)泊松比PRXY熱膨脹系數(shù)ALPX(e-6k-1)芯片131000-0.282.8銅焊盤117000-0.3417.7焊球40400-0.3525塑封25000-0.2515基板24000-0.316 X,Y;35 ZPCB板27924-37TX,Y12204-16T Z12600-16.7TXY5500-7.3T XZ,YZ0.11 XY0.39 XZ,YZ16 X,Y84 Z

表3 修正過的Anand模型參數(shù)

Tab.3 Modified Anand model parameters

焊點(diǎn)材料S0/MpaQ/R(K)A(s-1)ξmh0 /MPa^S/MPanαSn3Ag0.5Cu45.974605.87e620.0942935058.30.0151.5

在應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行建模模擬的過程中，在建模符合實(shí)際工件的幾何尺寸的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步的考慮在材料的力學(xué)特性上更接近真實(shí)情況。[13]我們選用與真實(shí)情況貼近的屬性參數(shù)，保持與實(shí)際表現(xiàn)出的情況一致。本文中所討論的POP堆疊封裝的各個部分材料參數(shù)如上表所示[14]。

邊界條件考慮外圍模型為固定約束，對稱界面為對稱約束，同時注意細(xì)化核心部分的網(wǎng)格劃分，使得模擬的結(jié)果接近真實(shí)值，在外部區(qū)域則進(jìn)行粗劃分，減小不必要的計(jì)算量，有限元網(wǎng)格模型圖如下圖3所示,核心部分放大圖如圖4所示。

施加的溫度循環(huán)載荷符合美國的ML-STD-883標(biāo)準(zhǔn)，溫度曲線如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

Fig.3 Mesh model

圖4 有限元網(wǎng)格模型

Fig.4 Mesh model

圖5 溫度曲線圖

Fig.5 Temperature curve

1.2 仿真結(jié)果云圖與曲線圖分析

從以下的位移云圖中，我們可以到的是周圍邊界固定時，由于溫度上升，芯片受熱膨脹，且周圍的材料熱膨脹系數(shù)不配合，從而出現(xiàn)的情況，在這種情況下中心區(qū)域的部分位移最大，而外延區(qū)域較小。

從焊點(diǎn)塑性應(yīng)變云圖中，我們能夠看出，最大塑性應(yīng)變的發(fā)生點(diǎn)是，位于對角線位置的焊點(diǎn)，而且是底層的，與PCB板直接相連的焊點(diǎn)，這與我們之前的理論是相符合的，同時，關(guān)鍵焊點(diǎn)的位置也是符合實(shí)際情況的。

圖6 POP堆疊封裝位移云圖

Fig.6 Displacement nephogram of POP stack

圖 7 焊點(diǎn)處的等效塑性應(yīng)變云圖

Fig.7 Equivalent plastic strain nephogram of solder joints

從以下的圖中，我們可以看出芯片在溫度循環(huán)中的受力情況，首先，整個芯片部分的應(yīng)力，大體上是相對均勻，這是由于外側(cè)在受到溫度載荷時，變形膨脹收到了周圍的塑封的限制，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。

(a)底層 b)頂層

圖8 芯片的Von Mises應(yīng)力分布

Fig.8 Von Mises stress distribution on the chip

從下面的兩個圖中，我們可以看到頂層和底層焊點(diǎn)的最大應(yīng)力都分別出現(xiàn)在頂層與底層焊點(diǎn)的外圍排布，而且在頂層的焊點(diǎn)處最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在上表面，底層焊點(diǎn)的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)位置在下表面，這種情況正是因?yàn)楹更c(diǎn)與基板、PCB材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，在升降溫度的過程中形變不配合，導(dǎo)致出現(xiàn)了應(yīng)力集中情況。同時，我們從數(shù)據(jù)中可以看出，頂層焊點(diǎn)的最大應(yīng)力值為34 MPa，底層焊點(diǎn)的最大應(yīng)力值為42 MPa，從這一數(shù)值可以看出，頂層焊點(diǎn)所受到的應(yīng)力是要小于底層焊點(diǎn)的。

(a)底層

(b)頂層

圖9 焊點(diǎn)處Von Mises應(yīng)力云圖

Fig.9 Von Mises stress nephogram of solder joints

為了更加清晰的看出頂層與底層焊料球中應(yīng)力的分布，現(xiàn)在將外圍的焊料球沿Y軸方向編號，其中外圍焊料球的定義，編號結(jié)果如下圖所示，同時，分布將右側(cè)外圍焊料球應(yīng)力變化趨勢圖列出見曲線圖，顯示出了在頂層焊點(diǎn)、底層焊點(diǎn)處最大應(yīng)力的分布，底層焊點(diǎn)的最大應(yīng)力點(diǎn)在最外圍的對角處，而頂層處焊點(diǎn)的最大應(yīng)力點(diǎn)則在中心向?qū)欠较虻牡谖鍌€焊點(diǎn)處。

圖10 焊點(diǎn)編號

Fig.10 Number of solder joints

圖11 焊點(diǎn)處最大應(yīng)力分布

Fig.11 Maximum stress distribution at th solder joints

從下面的圖可以看出在關(guān)鍵焊點(diǎn)(等效塑性應(yīng)變最大的點(diǎn))處的等效塑性應(yīng)變分布狀態(tài)，可以看到：等效塑性應(yīng)變最大的點(diǎn)出現(xiàn)在與PCB板相接處的平面上;2.等效塑性應(yīng)變最大的點(diǎn)的位置正好處于關(guān)鍵焊點(diǎn)分布位置的外圍，即整個焊料球陣列的最外圍。

圖12 關(guān)鍵焊點(diǎn)處的等效塑性應(yīng)變分布

Fig.12 Equivalent plastic strain distribution at key solder joints

下圖中可以看到，關(guān)鍵焊點(diǎn)處的等效塑性應(yīng)變隨時間的變化曲線，Von Mises應(yīng)力分布隨時間的變化曲線，Von Mises塑性應(yīng)變隨時間的變化曲線。通過這三張圖的比較，我們發(fā)現(xiàn)這三者都與溫度的變化同步發(fā)生，且應(yīng)力的變化與溫度相反，應(yīng)變的變化與溫度相同，并且可以發(fā)現(xiàn)，塑性應(yīng)變有隨著循環(huán)次數(shù)累積的特性，從Von Mises塑性應(yīng)變的圖中，我們可以讀取出塑性應(yīng)變的幅度差值，得到本文所預(yù)測的POP模型的壽命。

圖13 關(guān)鍵焊點(diǎn)處等效塑性應(yīng)變隨時間變化

Fig.13 The change of the equivalent plastic strain at the key solder joint with time

圖14 關(guān)鍵焊點(diǎn)處Von Mises應(yīng)力隨時間變化圖

Fig.14 Time change diagram of Von Mises stress at key solder joint

圖15 關(guān)鍵焊點(diǎn)處Von Mises 塑性應(yīng)變隨時間變化圖

Fig.15 Time dependent change of plastic strain of Von Mises at key solder joints

1.3 POP堆疊封裝壽命計(jì)算

使用修正的Manson-coffin模型來估算焊點(diǎn)處的疲勞壽命。

(1)

上式中的疲勞延性系數(shù)C可以通過以下的方程得到：

通過圖線可以得到Δεp為0.007999；將各個參數(shù)帶入到公式得到估計(jì)的壽命值為6406(cycle).

2 結(jié) 論

通過用ANSYS仿真模擬的方法，得到了各個部分的應(yīng)力應(yīng)變云圖，計(jì)算出此種POP堆疊封裝的預(yù)估計(jì)熱循環(huán)壽命為6406(cycle)，以及POP堆疊封裝模型在加載溫度循環(huán)載荷時，應(yīng)力集中的位置多發(fā)生在底層的外側(cè)焊料球，且位置為對角線處的外側(cè)，在焊料球處的等效塑性應(yīng)變是最大的，在低溫時，應(yīng)力應(yīng)變較大，而在高溫時則較小，且溫度變化時，應(yīng)力應(yīng)變也在發(fā)生變化，二者同步變化。為之后對POP堆疊封裝進(jìn)行改良和發(fā)展提供了一定的支持。