多物理場(chǎng)耦合方法分析三種封裝模塊可靠性.pdf

1、電子產(chǎn)品廣泛的應(yīng)用于航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域。電子產(chǎn)品體積越來(lái)越小，而功率越來(lái)越大，導(dǎo)致電子封裝發(fā)熱量增大，溫度過(guò)高會(huì)影響電子器件性能，甚至導(dǎo)致器件燒毀。同時(shí)，由于封裝材料熱膨脹系數(shù)的差異，過(guò)高的溫度梯度會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力應(yīng)變，導(dǎo)致斷裂及分層。因此，對(duì)電子封裝可靠性的分析非常重要。電子封裝是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，求解可靠性涉及到多個(gè)物理場(chǎng)。本文結(jié)合理論研究、數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合分析方法對(duì)常見(jiàn)的幾種電子封裝形式進(jìn)行了可靠性分析。

2、　　 分析了流場(chǎng)，溫度場(chǎng)的耦合并將其應(yīng)用于IGBT(絕緣柵雙極晶體管)模塊的分析。
　　 電場(chǎng)仿真計(jì)算得到IGBT芯片最大功耗為131W。將131W作為輸入載荷代入流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合分析中，結(jié)果表明表面?zhèn)鹘y(tǒng)散熱方式不能滿(mǎn)足IGBT熱管理要求。因此設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置于銅基板的微通道，分析表明，當(dāng)入口水流速為10m/s時(shí)，芯片溫度維持在100℃左右，表明含微通道基板散熱效果良好。
　　 研究了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合方法并運(yùn)用此方法對(duì)

3、TSV（穿孔硅封裝）在溫度循環(huán)載荷下的可靠性進(jìn)行分析。研究了TSV焊盤(pán)高度和焊球形狀對(duì)其可靠性的影響，結(jié)果表明焊盤(pán)高度越小，可靠性越高。當(dāng)焊球形狀為圓柱狀時(shí)，可靠性較好；隨著焊球半徑增大，可靠性降低；應(yīng)力最大點(diǎn)在Si與SiO2交界面處。通過(guò)有限元分析確定了各個(gè)材料尺寸對(duì)最大應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)銅柱的高度對(duì)最大應(yīng)力影響最大。在以上分析基礎(chǔ)上對(duì)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，最大應(yīng)力從72.5MPa降低到67.7MPa。
　　 在以上分析的基礎(chǔ)上討論了流

4、場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)耦合方法的重要性。結(jié)果表明，對(duì)于傳統(tǒng)方法，當(dāng)H(對(duì)流換熱系數(shù))從5W/m2*K增大到10W/m2*K時(shí)，PBGA最高溫度從165.38℃降低到70.387℃。流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)耦合方法避免對(duì)流換熱系數(shù)的隨意選取，得到的溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)更為準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該耦合方法可靠性。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和流體-熱-應(yīng)力耦合數(shù)值分析結(jié)果誤差小于10％，證明此方法是可行的。
　　 最后將此方法運(yùn)用于PBGA可靠性分析中，結(jié)果表