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高加速度冲击下微焊点互连结构失效机理研究

高加速度冲击下微焊点互连结构失效机理研究

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作者：吕明涛中南大学

学位级别：硕士

随着电子封装技术不断向着高密度、高性能方向发展,焊点的尺寸也在不断缩减,微焊点的抗冲击性能更应当得到深入研究。传统基于跌落冲击的焊点可靠性研究有着焊点尺寸大、载荷幅值小和冲击方向单一等问题,而实际服役环境中高载荷幅值和... 详细信息

随着电子封装技术不断向着高密度、高性能方向发展,焊点的尺寸也在不断缩减,微焊点的抗冲击性能更应当得到深入研究。传统基于跌落冲击的焊点可靠性研究有着焊点尺寸大、载荷幅值小和冲击方向单一等问题,而实际服役环境中高载荷幅值和多角度冲击条件下微焊点的失效机理还不明确。为此,本文从以下两方面进行研究:一是通过跌落实验和LS-DYNA有限元仿真分析,明确板级跌落微焊点失效机理,以指导pcb结构设计和器件合理布局;二是研究不同量级冲击载荷下微焊点失效机理的差异,针对性设计合理的可靠性优化方案。主要研究内容和结论如下:(1)研究了pcb冲击响应机理,表现为一阶振型为主并叠加高阶振型。分析了不同服役环境下pcb响应机制的差异,结果表明高阶振型的参与率是导致pcb响应差异的主要原因。探讨了pcb和微焊点冲击响应的关联性,发现pcb应变能够很好的表征微焊点的受载水平。(2)研究了微焊点跌落冲击失效模式和机理,失效表现为角焊点pcb侧的IMC和焊料界面开裂,主要是因为pcb弯曲引起互连层遭受往复的拉压应力。探讨了结构尺寸对微焊点可靠性的影响,螺钉位置分布和Cu Pad厚度对微焊点响应显著,并进行了结构参数优化。研究了不同跌落角度下微焊点失效机理差异,90°跌落时封装体的惯性力为失效驱动力,不足以使焊点失效。拟合了微焊点跌落冲击寿命模型,基于塑性应变的预测模型误差在30%以内。(3)仿真验证了基于霍普金森杆(SHPB)的高加速度(>10000G)冲击试验方案的可行性,实现了载荷条件的可调性。研究了冲击姿态对微焊点可靠性影响,失效驱动力为封装体惯性力,底面冲击主要承受压应力且最不易失效,而边角冲击承受最大的拉压应力且最易失效。设计了三种封装底填优化方案,边沿填充能够提升可靠性90%以上,为最佳填充方式。上述成果为微焊点互连结构抗加速度冲击性能研究提供系统的指南,总结了pcb跌落冲击响应机理,建立了板级跌落冲击微焊点失效寿命模型,对比了跌落冲击和高加速度(>10000G)冲击微焊点失效机理的差异。图74幅,表12个,参考文献72篇

关键词：微焊点可靠性高加速度冲击 LS-DYNA pcb动态响应失效机理

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