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温度循环和随机振动载荷下堆叠封装焊点可靠性模拟研究

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固体电子学研究与进展 2024年第2期44卷 161-166页

作者：潘碑王宏光李宇轩葛振霆陈鹏鹏南京电子器件研究所南京210016

采用有限元模拟研究了堆叠封装(Package on package, PoP)在温度循环和随机振动载荷下的焊点可靠性,包括封装内部的基板堆叠焊点和封装外部的板级互连焊点。通过应力分析定位危险焊点并计算焊点在温度循环下的疲劳寿命。模拟结果表明:... 详细信息

采用有限元模拟研究了堆叠封装(Package on package, PoP)在温度循环和随机振动载荷下的焊点可靠性,包括封装内部的基板堆叠焊点和封装外部的板级互连焊点。通过应力分析定位危险焊点并计算焊点在温度循环下的疲劳寿命。模拟结果表明:在温度循环载荷下,应力主要集中于基板边角处焊点,基板堆叠焊点的疲劳寿命为3 002周次,板级互连焊点的疲劳寿命为1 552周次;在随机振动载荷下,两层焊点的应力值均较低,在50~2 000 Hz的随机振动频率范围内具有较高的可靠性。

关键词：焊点可靠性温度循环随机振动疲劳寿命预测有限元模拟

BN颗粒增强Sn58Bi复合钎料3D封装焊点可靠性研究

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BN颗粒增强Sn58Bi复合钎料3D封装焊点可靠性研究

作者：徐宇航苏州大学

学位级别：硕士

本课题通过瞬态液相连接技术制备了纳米陶瓷BN增强Sn58Bi复合钎料焊点,探究了 BN颗粒含量对复合钎料焊点的基体组织、界面IMC形貌和厚度、剪切强度及剪切断口形貌的影响规律,确定了较优的BN添加量。在此基础上,探究了Sn58Bi钎料焊点和Sn... 详细信息

本课题通过瞬态液相连接技术制备了纳米陶瓷BN增强Sn58Bi复合钎料焊点,探究了 BN颗粒含量对复合钎料焊点的基体组织、界面IMC形貌和厚度、剪切强度及剪切断口形貌的影响规律,确定了较优的BN添加量。在此基础上,探究了Sn58Bi钎料焊点和Sn58Bi-0.03BN复合钎料焊点在热循环过程中,不同热循环周次对焊点的基体组织、界面IMC形貌和厚度、剪切强度及剪切断口形貌的影响规律。同时,进一步的探究了蠕变应力和蠕变温度对两种焊点的蠕变曲线、蠕变寿命、蠕变断口的影响规律,并建立了蠕变本构方程,分析了蠕变变形机制。研究了 BN含量(0.01～0.07 wt.%)对Sn58Bi复合钎料焊点的基体组织、界面IMC形貌和厚度、剪切强度、剪切断口形貌及断裂机制的影响规律。结果表明:Cu/Sn58Bi-xBN/Cu焊点基体组织主要由富Sn相和富Bi相组成,随着BN含量的增加,基体组织呈先细化后粗化的趋势,SnBi-0.03BN复合钎料焊点的基体组织细化效果最佳。界面IMC形貌逐渐趋于平坦,从细长的扇贝形转变为连续的层状,厚度逐渐减小。剪切试验结果表明:BN的加入增大了焊点的剪切强度,随着BN含量的增加,剪切强度呈先增大后减小的趋势。BN含量为0.03 wt.%时,Sn58Bi-0.03BN复合钎料焊点的剪切强度最高,由48.17 MPa增大到56.13 MPa,提高了 16.52%,剪切断裂位置由基体组织/界面IMC处转移到了基体组织处,断裂机制从脆性断裂转变为韧脆混合断裂。BN含量增加到0.07 wt.%时,剪切断裂位置转移到基体组织/界面IMC处,断裂机制转变为脆性断裂。研究了热循环周次(200～800 次)对 Cu/Sn58Bi/Cu 焊点和 Cu/Sn58Bi-0.03BN/Cu焊点的基体组织、界面IMC形貌和厚度、剪切强度、剪切断口形貌及断裂机制的影响规律。结果表明:随着热循环周次的增加,焊点基体组织呈逐渐粗化的趋势,界面IMC形貌逐渐趋于平坦,从扇贝形转变为连续的层状,厚度逐渐增大。加入BN后,Sn58Bi-0.03BN复合钎料焊点的基体组织更加细小,界面IMC厚度更薄。剪切试验结果表明:随着热循环周次的增加,两种焊点的剪切强度均呈逐渐减小的趋势,相同周次下,Sn58Bi-0.03BN复合钎料焊点的剪切强度更高。热循环周次从200次到800次时,Sn58Bi钎料焊点剪切强度降低了 59.11%,而Sn58Bi-0.03BN复合钎料焊点降低了 39.61%。Sn58Bi钎料焊点的断裂位置从基体组织/界面IMC处转变到界面IMC处,断裂机制从沿晶断裂转变为穿晶断裂;SnBi-0.03BN复合钎料焊点的断裂位置从基体组织处转变到基体组织/界面IMC处,断裂机制从韧性断裂转变为脆性断裂。研究了蠕变应力(8～14 MPa)和蠕变温度(50～110℃)对Cu/Sn58Bi/Cu焊点和Cu/Sn58Bi-0.03BN/Cu焊点蠕变曲线、蠕变寿命、蠕变断口形貌及断裂机制的影响规律。结果表明:随着蠕变应力和蠕变温度的增加,焊点蠕变寿命呈逐渐缩短的趋势,加入BN后,蠕变寿命有所延长,且缩短幅度减小。Sn58Bi钎料焊点蠕变寿命从 50℃、8 MPa 到 14 MPa 时缩短了 80.9%,从 1 10℃、8 MPa 到 14 MPa 时缩短了73.8%,而Sn58Bi-0.03BN钎料焊点蠕变寿命分别缩短了 78.5%和69.8%。蠕变断口形貌结果表明:在蠕变温度50℃、蠕变应力8 MPa和14 MPa时,Sn58Bi钎料焊点蠕变断裂机制为穿晶蠕变断裂,温度升高到110℃,应力8 MPa时转变为沿晶和穿晶蠕变混合断裂,应力增加到14 MPa,转变为沿晶蠕变断裂。加入BN后,Sn58Bi-0.03BN复合钎料焊点在110℃、14MPa时,断裂机制转变为沿晶和穿晶蠕变混合断裂。构建了应力-温度两场作用下的蠕变本构方程,分析了蠕变变形机制。结果表明:在蠕变温度323K～383K条件下,Sn58Bi钎料焊点的应力指数n1=2.65～4.51,蠕变激活能Q1=38.81～55.95,A1=4.24×10-2;Sn58Bi-0.03BN复合钎料焊点的应力指数n2=3.17～5.30,蠕变激活能Q2=51.99～71.90,A1=3.80×10-2;构建了 Sn58Bi 钎料焊点和Sn58Bi-0.03BN复合钎料焊点的蠕变本构方程,两种焊点在稳态蠕变阶段的蠕变变形机制均为位错攀移机制为主导。

关键词： Sn58Bi钎料 BN颗粒 3D封装微观组织焊点可靠性

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3D封装芯片焊点可靠性有限元分析

焊接学报 2021年第1期42卷 49-53,I0004页

作者：孙磊张屹陈明和张亮苗乃明常州大学常州213164 南京航空航天大学南京210016 江苏师范大学徐州221116

选择工业中广泛使用的Sn,Sn3.9Ag0.6Cu钎料作为三维封装芯片键合焊点材料,采用ANSYS有限元软件建立三维封装模型,基于Garofalo-Arrhenius本构方程,进行-55~125℃热循环模拟,并通过田口法探讨封装结构和工艺参数对焊点的可靠性影响.结果... 详细信息

选择工业中广泛使用的Sn,Sn3.9Ag0.6Cu钎料作为三维封装芯片键合焊点材料,采用ANSYS有限元软件建立三维封装模型,基于Garofalo-Arrhenius本构方程,进行-55~125℃热循环模拟,并通过田口法探讨封装结构和工艺参数对焊点的可靠性影响.结果表明,Cu柱与焊点接触处是整个结构的薄弱区域,在IMC焊点阵列中最右列第二个焊点处出现最大应力.通过田口法,结合有限元模拟结果,获得了4个因子对S/N的贡献度由大到小依次为:焊点阵列、焊点高度、芯片厚度、焊点材料.其中焊点阵列的影响最大,其次是焊点高度、芯片厚度,焊点材料影响最小.基于优化设计,获得了最优的匹配组合为3×3阵列,焊点高度0.02 mm,芯片厚度0.2 mm,焊点材料Cu6Sn5.

关键词： 3D封装焊点可靠性应力分布田口法

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QFN器件封装技术及焊点可靠性研究进展

电子工艺技术 2022年第4期43卷 196-199,203页

作者：皋利利周波华李超沈东波汪智萍上海无线电设备研究所上海200090 上海航天技术研究院上海200090

针对行业中典型塑封QFN器件的特点进行分析,并对其组装技术及焊点可靠性的研究进展进行概述,分析了影响QFN器件焊点可靠性的主要因素,为典型QFN器件的选择及高可靠组装提供参考。

关键词： QFN器件封装技术焊点可靠性

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无铅电子封装材料及其焊点可靠性研究进展

电子元件与材料 2006年第3期25卷 5-8页

作者：颜秀文丘泰张振忠南京工业大学材料科学与工程学院江苏南京210009

随着2006年7月1日RoHS法令实施的最后期限的来临,无铅焊料的研究与应用又掀起了新一轮的热潮。由于封装材料与封装工艺的改变,给焊点可靠性带来了一系列相关问题。笔者就近年来国内外开发的无铅焊料、焊点的失效模式、焊点可靠性评价方... 详细信息

随着2006年7月1日RoHS法令实施的最后期限的来临,无铅焊料的研究与应用又掀起了新一轮的热潮。由于封装材料与封装工艺的改变,给焊点可靠性带来了一系列相关问题。笔者就近年来国内外开发的无铅焊料、焊点的失效模式、焊点可靠性评价方法和焊点的主要缺陷进行了综述;对今后该领域的研究前景及方向进行了展望。

关键词：金属材料无铅焊料焊点可靠性综述焊点缺陷电子封装

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热循环参数及基板尺寸对焊点可靠性的影响

电子元件与材料 2007年第3期26卷 55-58页

作者：周萍胡炳亭周孑民杨莺中南大学能源科学与技术工程学院湖南长沙410083

采用Ansys软件建立BGA倒装芯片模型考察焊点的热应力。通过改变热循环保温时间、温度范围和最高温度,研究各参数对焊点热疲劳寿命的影响,同时也考察了基板的长度和厚度的影响。采用Coffin-Manson方程计算并比较热循环寿命。结果表明:随... 详细信息

采用Ansys软件建立BGA倒装芯片模型考察焊点的热应力。通过改变热循环保温时间、温度范围和最高温度,研究各参数对焊点热疲劳寿命的影响,同时也考察了基板的长度和厚度的影响。采用Coffin-Manson方程计算并比较热循环寿命。结果表明:随着热循环高低温停留时间、温度范围以及最高热循环温度的增大,热循环寿命减小,最小寿命为879周;同时热循环寿命也随着基板长度和厚度的增大而减小。

关键词：电子技术电子封装焊料焊点可靠性热循环

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片式元件与基板间隙对无铅焊点可靠性的影响

电子元件与材料 2006年第2期25卷 58-61页

作者：杨洁张柯柯程光辉余阳春周旭东河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳471003

采用非线性有限元方法，讨论了片式元件与基板的间隙对Sn-2，5Ag-0．7Cu无铅钎料焊点的应力分布和热疲劳寿命的影响。结果表明，当间隙高度为0．1-0．2mm时，焊点薄弱处——元件底部拐角处、焊根的顶部和底部以及焊趾项部具有较低的应... 详细信息

采用非线性有限元方法，讨论了片式元件与基板的间隙对Sn-2，5Ag-0．7Cu无铅钎料焊点的应力分布和热疲劳寿命的影响。结果表明，当间隙高度为0．1-0．2mm时，焊点薄弱处——元件底部拐角处、焊根的顶部和底部以及焊趾项部具有较低的应力，此时预测得到焊点的热疲劳寿命也最长。这一结果对于焊点几何形态的设计及优化具有指导意义。

关键词：电子技术 SMT 间隙焊点可靠性无铅钎料

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无铅焊点可靠性的研究进展

焊接 2021年第8期 41-48,64页

作者：邹阳郭波段学俊吴庆堂魏巍吴焕长春设备工艺研究所长春130012

文中根据近两年来国内无铅钎料研发过程中存在的问题,简要评述了无铅钎料的研究进展及发展趋势,并着眼于焊点可靠性对无铅钎料进行了评述。首先介绍影响无铅焊点可靠性的因素;其次汇集了2012~2018年国内学者对无铅钎料焊点可靠性的研究... 详细信息

文中根据近两年来国内无铅钎料研发过程中存在的问题,简要评述了无铅钎料的研究进展及发展趋势,并着眼于焊点可靠性对无铅钎料进行了评述。首先介绍影响无铅焊点可靠性的因素;其次汇集了2012~2018年国内学者对无铅钎料焊点可靠性的研究方法及研究成果,并结合加载载荷及热循环共同作用、有限元模拟分析、电迁移及锡须生长影响无铅焊点性能的4个方面对无铅焊点可靠性进行了分析;最后结合以上研究成果针对无铅钎料的未来发展进行展望,为新型无铅钎料的进一步研究提供理论支撑。

关键词：无铅钎料焊点可靠性外加载荷及热循环电迁移锡须

Anand本构方程在焊点可靠性研究中的应用

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电焊机 2012年第12期42卷 66-69页

作者：王旭艳徐仁春刘刚南京电子技术研究所江苏南京210039 南京汽车集团有限公司江苏南京210061

焊点可靠性直接决定了电子产品的使用寿命。因此,在微电子领域,对焊点可靠性提出了更高的要求。有限元模拟技术是研究焊点可靠性的重要手段。综合评述了一种统一了蠕变和塑性变形的非线性本构方程——Anand本构模型;概述了其发展演变过... 详细信息

焊点可靠性直接决定了电子产品的使用寿命。因此,在微电子领域,对焊点可靠性提出了更高的要求。有限元模拟技术是研究焊点可靠性的重要手段。综合评述了一种统一了蠕变和塑性变形的非线性本构方程——Anand本构模型;概述了其发展演变过程及研究现状;介绍了该本构方程中9个参数的计算规则,并进一步分析了目前国内外对于本构方程参数的确定以及进一步的改进情况。在焊点可靠性研究方面,评论了该模型在无铅QFP、BGA焊点应力-应变分析及焊点疲劳寿命预测方面的应用,为焊点可靠性的研究提供了理论指导。同时,为了更好的研究无铅焊点的可靠性,对该模型的构建及修正提出了新的需求。

关键词： Anand本构模型蠕变微电子焊接焊点可靠性