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          基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究

          2019-04-18  by:CAE仿真在線  來源:互聯網



          Flip-Chip封裝具有成本低、工藝簡單、引腳密度高和可靠性高等優點,目前已成為高端高密度IC封裝中的主流封裝形式。Flip Chip封裝中,在回流焊之后,需要對Chip、Solder、Substrate部位進行灌膠處理。然而,由于回流焊后會在Solder周圍殘留助焊劑等雜質缺陷,Solder表面不能完全充滿Underfill。本文,對清洗干凈條件下的Solder充滿Underfill和未清洗干凈條件下Solder未充滿Underfill兩種情況下,建立有限元模型,基于Hypermesh強大的網格劃分和編輯功能,分析了兩種模型在熱循環載荷下的應力,并計算了疲勞壽命。

          一、模型的建立

          由于結構的對稱性,我們對結構的1/2建立模型。如圖1所示為模型的結構示意圖,模型中包含Chip、Substrate、Solder和underfill。焊球所用的材料為塑性材料,且其塑性與溫度和應變率有關系。

          基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究hypermesh應用技術圖片1
          圖1 模型的示意圖

          二、網格的劃分

          圖2所示為網格的劃分示意圖。本案例中,清洗干凈條件下,節點個數為4525;未清洗干凈條件下,中去除Solder四周邊界的單元,網格節點個數為4447。

          基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究hypermesh應用技術圖片2

          基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究hypermesh應用技術圖片3
          圖2 Hypermesh網格劃分的示意圖

          三、載荷施加

          載荷為熱循環載荷,加載分為5步。依次為:升溫-保溫-降溫-保溫-升溫。溫度循環曲線如下如所示。

          基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究hypermesh應用技術圖片4

          基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究hypermesh應用技術圖片3
          圖3 熱循環的載荷示意圖

          四、結果分析

          圖4和圖5分別為清洗干凈條件下和未清洗干凈條件下模型的位移場分布圖,從中可以看出,模型的最大位移都為4.79×10-2μm,表明是否清洗干凈對器件的變形基本沒有影響。圖6和圖7分別為清洗干凈條件下和未清洗干凈條件下模型的等效塑性應變場分布圖,從圖中可以看出清洗干凈條件下Soleder的最大等效塑性應變為3.47×10-2;而未清洗干凈下,Soleder的最大等效塑性應變為4.15×10-2;可見相對于清洗干凈條件下,未清洗條件下Solder的最大塑性應變較大。據此,我們可以利用著名的Coffin-Manson equation對器件的疲勞壽命進行計算。從中可以看出,相對于清洗干凈條件下,未清洗干凈條件下器件的疲勞壽命大大降低。在這種情況下,經計算得到solder的疲勞壽命約為清洗干凈下的65%??梢?回流焊后Solder未清洗干凈大大影響器件的可靠性。

          基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究hypermesh應用技術圖片6

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          圖4 清洗干凈條件下模型的位移場示意圖

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          圖5 未清洗干凈條件下模型的位移場示意圖

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          圖6 清洗干凈條件下Soleder的等效塑性應變

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          基于Hypermesh的Flip-Chip封裝工藝對電子器件的可靠性研究hypermesh應用技術圖片3
          圖7 為清洗干凈條件下Soleder的等效塑性應變

          五、結論

          本文對在Flip-Chip封裝工藝中,對真空回流焊后Solder清洗干凈條件下與未清洗干凈條件下的器件建立了兩種有限元分析模型,載荷為電子可靠性試驗中的溫度循環載荷。有限元分析結果表明,相對于清洗干凈條件下,未清洗干凈中Solder的最大塑性應變較大,同時壽命大大降低,電子器件的可靠性也大大降低。因此,Flip-Chip回流焊后的清洗工藝對器件的可靠性有很大的影響。在Flip-Chip封裝工藝中,需要完善清洗工藝,確保Solder表面處無雜質,使underlfill充滿Solder的周圍。


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