【】PBGA 封装的热应力与湿热应力分析比较
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。
封装热效应及粘结层对微芯片应力和应变的影响
作者简介:连兴峰(1988-),男,硕士研究生,研究方向:机械工程计算机应用技术｡ 苏继龙(1963-),男,教授,博士,研究方向:机械系统力学､新型材料细观力学｡
34
机电技术
2012 年 12 月
2u 2 v 2 w 1 2 2 u 0 x 2 xy xy 2 v 2u 2 w 1 2 2 v 0 y 2 xy yz 2 w 2u 2v 1 2 2 w 0 2 z xz yz
“1”代表的是芯片层。
1
MEMS 粘合芯片模型建立
图1
MEMS 粘合芯片结构简图
Timoshenko[4]最早给出了多层结构由于热失 配问题引起 芯片中心区 域应变的精 确解析 解 , Chen 模型[5]和 Suhir 模型[6]分别基于粘接层假设 和界面柔度假设分析了该结构边缘位置的应力分 布情况。 本文根据 Chen 模型建立芯片层的应变分 析模型。
其中, 2
(3) (4) (5)
×1000 μ m×290 μ m, 基板层尺寸为 1700 μ m× 1700 μ m×635 μ m, 粘结层尺寸为 1020 μ m× 1020 μm×20 μm。MEMS 芯片的有限元网格划分 模型如图 2(b)所示。
2 2 2 2 2 ,u､v 和 w 分别是 x､y 2 x y z
xin ( x)
(1)
d 2 w1 ( x) M 1 ( x) 1 ( x) dx 2 E1I1
(2)
E1 /(1 v1 ) , E1 是 杨 氏 模 量 , v1 是 泊 松 其 中 E1
比, h1 是厚度, 1 是热膨胀系数, u1 是 x 向位移, du1 是中线位置的 x 向位移, w1 是 y运用 COMSOLCOMSOL Multiphysics 软
【】PBGA 封装的热应力与湿热应力分析比较
PBGA封装的热应力与湿热应力分析比较王栋，马孝松，祝新军(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)摘要：塑封球栅平面阵列封装作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用。
本文采用有限元软件分析和计算了在潮湿环境下塑封球栅平面阵列封装的潮湿扩散分布，进而分别模拟计算了它的热应力与湿热应力，并且加以分析比较。
关键词：塑封球栅平面阵列封装；有限元；热应力；湿热应力Analysis and Comparison of Thermal Stress andHygrothermal Stress of PBGA PackageWANG Dong, MA Xiao-song, ZHU Xin-jun(Guilin University of Electronic Technology, Guangxi, Guilin 541004, China)Abstract: Plastic ball grid array (PBGA) package has been used widely as a microelectronics packaging structural form. In this paper, the finite element analysis on moisture diffusion in PBGA package during moisture preconditioning by using a FEA software is studied and modeled. Then, thermal stress and hygrothermal stress of PBGA package are simulated and calculated separately, and their performances are analyzed and compared.Keywords: PBGA package; FEM; Thermal stress; Hygrothermal stress在各种微电子封装类型中，目前约占90%以上都采用以高分子材料为基体的复合材料封装。
国际标准中热应力评价标准的对比
国际标准中热应力评价标准的对比
刁成玉琢;李百战;洪丽璇;张颖
【期刊名称】《暖通空调》
【年(卷),期】2017(047)012
【摘要】热应力是高温高湿条件下评价工作人员可接受环境的重要参数.详细介绍了ISO标准中涉及热应力评价的6部主要标准,深入分析并比较了这6部标准在热应力评价上的异同,并阐述了特殊应用的2部标准.对比发现,各标准评价范围、评价原理及方法、测量参数及仪器均存在一定差异.针对交通工具的评价和针对特殊人群的评价扩大了适用人群的范围,使得评价更全面,体系更加完整.介绍了我国热应力标准的发展.
【总页数】7页(P8-14)
【作者】刁成玉琢;李百战;洪丽璇;张颖
【作者单位】重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室;三峡库区生态环境教育部重点实验室;重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室;三峡库区生态环境教育部重点实验室;重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室;三峡库区生态环境教育部重点实验室;重庆大学绿色建筑与人居环境营造教育部国际合作联合实验室;三峡库区生态环境教育部重点实验室
【正文语种】中文
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功能梯度材料的热应力分析及研究进展
功能梯度材料的热应力分析及研究进展黄梦婷;蒲伟于【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(34)7【摘要】功能梯度材料是一种集高强度与高耐热性于一体的新型复合材料。
本文重点对组分分布模型和物性参数模型进行了分析比较，讨论了组分分布系数、物性参数、空隙率等因素对残余热应力的影响，对FGM热应力研究领域的发展趋势做了一些展望。
%Functionally graded material (FGM) is a new composite material with high-strength and high heat resistance. This article compares the component distribution model and physical parameter model and discusses the influence of component distribution coefficient, physical, voidage and other factors on the thermal residual stress. The development trends of FGM thermal stress research is prospected.【总页数】2页(P15-15,16)【作者】黄梦婷;蒲伟于【作者单位】河北工程大学，邯郸056038;昆明理工大学，昆明650093【正文语种】中文【中图分类】TB33【相关文献】1.功能梯度材料热应力研究进展 [J], 曹蕾蕾;裴建中;陈疆;张涛2.非均匀温度场下变物性二维功能梯度材料板的瞬态热应力分析 [J], 仝国军;许杨健3.功能梯度材料结构的热应力边界元分析 [J], 高效伟;杨恺4.辐照防护用TiC/C功能梯度材料微结构与残余热应力分析 [J], 田蔚;李叙华;张宏亮;王坤杰;张兆甫5.W/ODS铁素体钢功能梯度材料热应力分析 [J], 王浩楠;李争显;华云峰;姬寿长;王彦峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
集成湿热及蒸汽压力对PBGA器件可靠性的影响
始条件：所有节点设为３ ３ ；材料参数见表２ 。 ０Ｋ 和３ 器件在干燥过程和 回流焊 过程都 经历 了高温 ，高温 环境下塑封器件吸潮后所产生的 内部蒸汽压力被认为是
Ｐ ｆ＝Ｃ Ｒ
引起 “ 爆米花 ”现象 的最直接因素。图４ 是干燥过程 的
蒸汽压力仿真结果 。 从 图４ 以看 到在节 点Ｄ 可 产生 了蒸汽压力集 中，因此 Ｄ 比较容 易发生 界面开裂 ，这 与文献 ［］ 点 ４ 的分 析结果相
＿ １２＋０ Ｄ ５ｅ Ｏ ４
” ５ ０。ｌ
（ ｂ）ｌ ｔ￣ ＯＪ时 ，
图４１５ｃ ２ ￣ 干燥 阶段蒸汽压力分布云图 （ 单位 ：ＭＰ ａ）
５ 冀 蒸 ２１ ４ 第 期 ４ Ｉ 杰 ｊ 讯 ｌ ０ 年月 ２ ２
荣获” 水基 波 清洗
全 系 列 水 基 清 洗 剂 完美 能 结台 节 保 能环
在集成应力计算 中Ｄ 点仍是应 力最大点 。同时可 以看到， 回流焊集成 应力值 比干燥后 的集成应力值大 ，这是 因为
图１ Ｂ Ａ Ｇ 器件尺寸示意图 Ｐ
２潮湿蒸汽压力的有限元计算与分析 ．
ＰＧ 的结构 图如 图１ ＢＡ 所示 ，有限元模型取点示意图如
图２ 所示 。
图２高度为１ ５ ｍ的Ｐ Ｇ 有限元模型 ．ｒ ２ａ Ｂ Ａ 网格 划分 节点 号和各 点之 间 的对 应关 系是 ：Ａ ｏｅ Ｎ ｄ
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值 ，即在集成应力模型 中，塑封材料 、硅芯 片和Ｄ材 料 Ａ 的交 点处应力达 到最大值 。在前面的计算分析中 ，Ｄ 点的 热应 力、湿 应力和蒸汽压力相对于其它各 点都 大，使得
基于三维多芯片柔性封装的热应力分析
基于三维多芯片柔性封装的热应力分析苏梅英;陆原;万里兮;侯峰泽;张霞;郭学平【摘要】The model of 3D multichip flexible encapsulation structure were created by means of simulation software AN⁃SYS. The finite element 2D model is used to simulate the encapsulation structure thermal stress and strain produced under the condition of thermal cycling temperature -40~125 ℃. The influence of chip thickness,substrate thickness,bump height and molding materials on thermal stress and strain is discussed. The results show that Von Mises stress of the flexible encapsulation body occurs mainly at the junction of bumps and chips,and assumes decline trend with thinning of the chip thickness. To in⁃crease the height of bumps can decrease the Von Mises stress for the flexible package structure. Besides,the substrate thickness has some effect on the thermal strain. The molding material with big coefficient of thermal expansion,and strong dependent rela⁃tionship of Young modulus and temperature can produce more thermal strain.%利用ANSYS软件针对一种三维多芯片柔性封装结构进行建模，通过有限元2D模型模拟该封装结构在热循环温度-40~125℃条件下产生的热应力/应变情况，讨论了芯片厚度、基板厚度、微凸点高度及模塑封材料对热应力/应变的影响。
CSP结构的热应力分析
CSP结构的热应力分析
孙炳华
【期刊名称】《信息技术》
【年(卷),期】2008(32)11
【摘要】利用ansys软件通过仿真得到了在稳态情况下的CSP结构热场分布,在此基础上,把稳态情况下的热场分布作为温度载荷施加到模型上,得到了CSP结构热应力分布,这对集成电路热设计方案的选择,尤其对提高大功率集成电路的可靠性具有重要意义.
【总页数】4页(P46-48,52)
【作者】孙炳华
【作者单位】南通大学理学院,南通,226007
【正文语种】中文
【中图分类】TN305.94
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PBGA封装的热应力与湿热应力分析比较王栋，马孝松，祝新军(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)摘要：塑封球栅平面阵列封装作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用。
本文采用有限元软件分析和计算了在潮湿环境下塑封球栅平面阵列封装的潮湿扩散分布，进而分别模拟计算了它的热应力与湿热应力，并且加以分析比较。
关键词：塑封球栅平面阵列封装；有限元；热应力；湿热应力Analysis and Comparison of Thermal Stress andHygrothermal Stress of PBGA PackageWANG Dong, MA Xiao-song, ZHU Xin-jun(Guilin University of Electronic Technology, Guangxi, Guilin 541004, China)Abstract: Plastic ball grid array (PBGA) package has been used widely as a microelectronics packaging structural form. In this paper, the finite element analysis on moisture diffusion in PBGA package during moisture preconditioning by using a FEA software is studied and modeled. Then, thermal stress and hygrothermal stress of PBGA package are simulated and calculated separately, and their performances are analyzed and compared.Keywords: PBGA package; FEM; Thermal stress; Hygrothermal stress在各种微电子封装类型中，目前约占90%以上都采用以高分子材料为基体的复合材料封装。
虽然高分子材料具有适于大规模工业化生产、工艺简单、生产成本低等优点，但因高聚物封装材料固有的有机大分子结构，所以普遍存在随温度升高而产生热应力失效。
另外，高聚物材料的亲水性和多孔性，又使得微电子元器件极易发生由于吸潮而引发的界面层裂破坏及器件整体的失效破坏。
在电子元件的高温焊接过程中，吸潮膨胀产生的潮湿应力再加上焊接的热应力，常引起封装材料发生“爆米花”式的断裂，如图1[1]所示。
BGA(Ball Grid Array)即“球栅阵列”。
它是在基板的下面按阵列方式引出球形引脚，在基板上面装配大规模集成电路(LSI)芯片(有的BGA引脚端与芯片在基板的同一面),是LSI 芯片用的一种表面安装型封装。
它的封装结构形式多种多样，按基板的种类，主要分为PBGA(塑封BGA)、CBGA(陶瓷BGA)、CCGA(陶瓷焊柱阵列)、TBGA(载带BGA)、MBGA(金属BGA)、FCBGA(倒装芯片BGA)和EBGA(带散热器BGA)等。
本文针对PBGA封装器件，运用数值方法，采用有限元软件，计算了潮湿扩散分布，进而分别对器件进行了热应力和湿热应力模拟分析比较。
流程热应力湿热应力图1 回流焊过程中潮湿膨胀引起的封装应力1 有限元模型的构建1.1 建立潮湿扩散模型在封装中建立潮湿应力模型需要了解潮湿扩散，通过潮湿扩散模型来建立潮湿应力模型，但是大多数的有限元软件都没有潮湿扩散模块，因此可以用有限元软件中的热扩散分析来求得潮湿扩散分布。
两者之间的对应关系如表1[2]。
表1 FEA有限元计算参数表特性 热 湿变量 温度T相对湿度W密度 ρ ( kg/cm3) 1传导率 K (W/m·ºC)D*C sat(kg/s·m)比热容 C(J/kg·ºC)C sat( kg/ m3)表1中，假定C sat(饱和湿度)与C(比热容)相当，密度选为1，与传导率K相对的是D(湿度扩散率)与C sat (饱和湿度)的积。
这样，我们就可以用有限元软件来计算潮湿扩散分布了。
对于D和C sat有Arrhenius公式描述[3]：D =D0exp(Q D/RT)(1)C sat=C0 exp(Q C/RT) (2)式中：Q D和Q C是活性能常数；R是Boltzmann常数，一般取为8.63e-5eV/K；T是热力学温度；D0和C0是常系数。
表2FEA有限元计算参数表30ºC/RH60% 60ºC/RH60%材料C sat(g/ mm3)D ( mm2/s)C sat(g/ mm3)D ( mm2/s)BT基板 6.54×10-6 1.51×10-7 1.85×10-5 4.18×10-7硅芯片 1.00×10-6 1.00×10-8 1.00×10-6 1.00×10-8模塑封料7.81×10-6 3.13×10-7 1.34×10-5 1.14×10-6转换文中的数据(表2)[4],带入Arrhenius公式进行计算,得到Arrhenius公式中的常系数(表3)。
表3Arrhenius公式中的参数值材料 Q D(eV/K)D0(mm2/s)QC(eV/K)C0(mm2/s)BT基板 -0.296 0.012 -0.302 673.4 硅芯片 0 1×10-80 1×10-8模塑封料 -0.375 0.533 -0.157 3.127 采用表3的系数值及Arrhenius公式计算出其它温度下的D和C sat (表4)表4FEA有限元计算参数表材料 BT基板硅芯片模塑封料C sat(g/ mm3) 3.84×10-5 1.00×10-6 1.94×10-585℃RH60％D ( mm2/s)8.29×10-7 1.00×10-8 2.85×10-6C sat(g/ mm3) 1.02×10-4 1.00×10-6 3.24×10-5125℃RH60％D ( mm2/s) 2.17×10-6 1.00×10-89.66×10-6C sat(g/ mm3) 5.57×10-4 1.00×10-67.81×10-5220℃RH60％D ( mm2/s) 1.14×10-5 1.00×10-87.92×10-51.2 建立湿热应力模型在封装中知道了潮湿扩散分布和材料的吸湿膨胀特性，可以建立潮湿应力模型，用有限元软件中的热力学来分析潮湿应力模型，建立一个简单的湿热应力分析模型。
表5FEA湿热应力分析参数表特性热湿变量温度T相对湿度W膨胀系数 αβ* C sat 表5[1]中，与热膨胀系数α相对的是β(潮湿膨胀系数)与C sat (饱和湿度)的积。
图2 封装材料不同温度下的CME(β)1.3PBGA结构模型及材料参数的选择选用某种PBGA封装器件，分析对象如图3。
该PBGA器件为有15×15个焊点的正方形，焊球直径是0.76mm,间距是1.5mm，芯片厚0.3mm，边长10mm，EMC厚为1.2mm，边长24mm，BT基板厚1mm，边长为27mm。
图3 器件结构示意图器件结构中材料特性参数具体数值见表6：表6 材料特性参数材料弹性模量E/MPa泊松比ν热膨胀系数CTE/ºCBT基板 2.35×104 0.20 14.6×10-6硅芯片17.0×104 0.28 3.5×10-6模塑封料 2.6×104 0.30 7.0×10-6焊点(37Sn/63Pb)3×104 0.35 21×10-61.4 建立PBGA有限元模型建立PBGA二维有限元模型，采用平面8节点结构单元PLANE82，并且考虑到对称性，有限元计算时选用实际器件的一半来计算，所以限制了各层的单元边长：基板尺寸：13.5mm×1mm；硅芯片：5mm×0.3mm；模塑封料：12mm×1.2mm。
本模型在对称面施加x 方向约束，采用自由网格划分生成有限元网格模型如图4所示。
图4PBGA有限元网格图2 结果分析2.1 潮湿扩散分析由表4数据知，在各温度/相对湿度条件下，经过一定预处理时间后的相对湿度分布如图5(a) (b) (c)所示。
℃ 40h(a)85/RH60%℃ 5h(b)125/RH60%(c)220/RH60%℃ 3h图5PBGA相对湿度分布图计算中，认为焊点不吸潮，芯片的吸潮系数较低。
从图中可以看到，相同的相对湿度下，不同温度对潮湿扩散的影响是很明显的。
85℃下40 h 及125℃下15 h 后的相对湿度大致一样。
同时从图5(a)-(c)各图之间的比较，可以知道，温度越高，越容易使得潮湿的扩散分布呈现不均匀分布，如220℃下芯片正下方的相对湿度分布就不如温度低时的相对湿度分布均匀。
而在焊接前封装器件内部湿度的分布不均是导致焊接时因为潮湿膨胀而引起的应力集中的主要原因[5]。
2.2 热应力与湿热应力分析考虑到器件吸收潮湿，外部环境温度超过100 ℃，水在器件内形态的不确定性，为了避免处理复杂的湿热应力，本文选取外部温度为85℃和外部温度为85℃，RH60%的条件下，保温5min，然后对器件的热应力和湿热应力分别进行了有限元仿真。
(1) 热应力分析：图6是器件外部温度为85℃，保温5min的热应力分布图。
由图6可以看到，在硅芯片四周V on Mises应力值较大，并在硅芯片、模塑封料和基板交界处达到最大值，这是因为硅芯片、模塑封料与基板的交界处热膨胀系数的不匹配，必然导致在硅芯片的附近应力较大。
如果硅芯片和芯片粘接材料间出现裂纹或者粘结力下降，局部应力的集中将使器件处于危险状态。
图7是硅芯片的热应力分布图，由图7可以看到，应力分层现象比较明显，这对硅芯片这样的脆性材料是很有害的，在大的热应力作用下，芯片很可能分层，破裂。
(2) 湿热应力分析：图8是器件外部温度为85℃，RH60%的湿热应力分布图。
由图8可以看到，在硅芯片四周V on Mises湿热应力值较大，并在硅芯片、模塑封料和基板交界处达到最大值。
这是因为在三种材料的交界处湿梯度较大，基板吸湿量最大，而硅芯片被认为不吸潮，在三者的结合点处产生较大的湿应力；同时三种材料的热膨胀系数之间的差异也导致热应力的集中，所以三者的结合点湿热应力是最大的。