"火山论剑" 封装仿真（III）之封装结构设计

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目前市面是的电子产品都朝轻、薄、短、小的趋势发展，这些产品的内的IC与分装结构，不可避免的进一步微型化整合，电子封装已经从传统的引脚式封装转至BGA(Ball Grid Array Package）封装技术，甚至是兼备高效能与低成本等特性的晶圆级封装。除了因应产品的轻、薄、短、小的趋势发展外，对于产品的多功能化的需求也在日益逐增，促使封装结构朝系统整合型封装（SIPOP）与3D封装结构发展。

   
2 y' U3 b/ T. j+ e- g1．电子封装在结构设计上面临的工程问题及原因

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（1）翘曲 翘曲(warpage)是指芯片经过封装后，没有达到设计时的形状，却发生了表面的扭曲。翘曲失效主要是由于环境温度/湿度的变化或工作期间系统内部热效应引起的热应力和应变导致器件变形失效。系统中的各个部分都存在热应力，这是由于不同材料的膨胀系数不匹配、系统内部的温度梯度以及几何位置的限制所引起。

（2）分层 很多电子器件封装中含有不同材料制成的多层板结构，将它们键合在一起来完成特定的功能。但是由于表面不够完善、表面玷污、翘曲等原因，引起粘结在一起的不同层之间出现剥离和分离。

（3）塑性形变电子器件在某些情况下由于受到的载荷较大，使应力水平超过了材料的屈服强度，这时即使撤去外力，仍然存在一定的形变，这即使塑性形变。尽管塑性形变本身不影响器件的电 气属性，但塑性形变过大和循环载荷作用下的塑性应变的积累将会引起器件产生裂纹，最终使得器件无法正常工作。

（4）蠕变 蠕变由热效应引起，在一定应力的作用下，应变随温度和时间的增加而显著增加。也就是说，材料的形变不仅仅由所施加的应力决定，而且依赖应力作用的时间和温度。换句话说，载荷作用在器件上的时间很长，对某些电气器件可能持续多年，形变的积累最终导致器件失 效，这就是蠕变失效。

（5）开裂 芯片表面由于有初始的裂纹和刻痕等缺陷，很容易发生开裂，且开裂前没有明显的征兆。在给定的应力下，初始裂纹达到临界尺寸，将发生开裂。初始裂纹可以传播到器件中，从而导致器件失效。

（6）疲劳 疲劳失效是一种常见的失效机理，90%的机械和电学失效可以全部或部分归结为疲劳而引起的失效。这个失效过程可以简单的描述为：有塑性形变引起位错动并相互作用，位错的相互作用使其迁移能力降低，而随后发生的疲劳变形集聚了更多的位错，随着位错密度的增 加，晶体的完整性遭到破坏，进而形成了微裂纹，随着微裂纹的扩展，导致器件发生失效。电子产品的疲劳失效原因有很多，最主要的是电源盒闭合和断开。像笔记本电脑，每天都要开机和关机多次，若以 5 次计算，经过 5 年，就可以达到9125 个循环。在热应变的作用下，用于互连的焊点将发生非弹性形变，从而会发生低周疲劳。

失效原因分析:当有电流通过导线、多晶硅和半导体器件时，由于电阻的存在，会使电子元器内部产生大量的热量。如果不进行冷却处理，温度会以一恒定速率升高，直到器件停止工作或丧失其物理性能。将器件与低温固体或液体相接触，便于热流流出元器件。由于冷却的存在， 温度只会适度增加并渐近到其允许的稳态值。

在实际使用中，集成电路或芯片基本都是在超高温情况下工作的，由于长时间暴露在高温中，导致大多数电子器件失效。键合材料的机械蠕变、寄生化学反应、掺杂物的扩散 会加速失效速率。这些效应以及相关的失效模式在电子元器件的可靠性与其工作温度之间建立了直接的联系，如图。从图中可以看出，失效率与元器件温度近似成指数关系。因此，如 果温度从 75℃升高到 125℃，失效率会增加 5 倍。在某些条件下，芯片温度增加 10℃~20℃， 会使失效率成倍增加。因此，对大多数封装方法而言，温度是影响其可靠性的最大因素。

温度是对器件失效影响最大的因素，因此，需要控制器件的温度，以及其工作的环境温度，以确保器件具有高可靠性。减小芯片与封装外表面之间的热阻是降低芯片温度最有效的方法，或者使用金属散热片，增加风扇等。加速试验为确保产品的可靠性，在出产前需要进行大量的可靠性试验。但是，因为器件的设 计寿命都很长，在工作环境下进行可靠性试验很不现实，因此需要采用加速试验。在加速试验中，器件所承受的载荷要比正常使用中的载荷强度大得多，目的就是加速器件失效，从而 在较短的时间内获得器件的可靠性数据。一般来说，加速试验的负载环境包括：热循环和热冲击、长期在某一高/低温度下 工作、机械振动、电压冲击和功率循环、高湿度和高压下，以下是在加速试验中常用的环境条件气候环境条件

①温度（℃）：-80、-65、-55、-40、-25、-15、-5、+5、+15、+20、+25、+30、+40、+55、+60、+70、+85、+100、+125、+155、+200；

②温度变化速率 （℃/分）：0.1、0.5、1、3、5，温度变化速率（℃/秒）：1、5；

③相对湿度(%)：10、50、75、90；

④压力(毫巴)：300000、50000、10000、5000、2000、1300、1060、840、700、530、300、200；

⑤压力变化速率（毫巴/秒）

机械环境条件

①跌落：电子产品在使用、运输过程中都会因不慎而跌落。通常试验用的严酷度等级(米)为 0.025、0.050、0.1、0.25、0.5、10、2.5、5.0、10.0；

②摇摆:电子产品在装船使用和运输过程中,要承受船只的摇摆运动。通常试验用的严酷 度等级(度/6 秒)为±5、±10、±25、45；

③恒加速度：电子产品在使用和运输中会经受恒加速度力。通常用的试验严酷度等级（米/秒 2）为：20、50、100、200、500、1000；

④振动：实际的振动条件比较复杂，可能是简单的正弦振动，也可能是复杂的随机振动， 甚至可能是正弦振动叠加随机振动；

⑤冲击和碰撞：电子产品在运输和使用过程中常会因冲撞而受损。

2 .涉及的相关专业问题

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经过对电子封装失效模式及加速试验的分析，总结出下列的关键工程问题，分析了解决这些关键问题所需要应用的专业问题。

工程问题	专业问题
翘曲	温度场分析
	湿度扩散分析
	温度相关的热变形分析
	湿气相关的变形分析
分层	热应力分析
	强度分析
塑性形变	材料非线性分析
	热应力分析
蠕变	材料非线性分析
开裂	断裂力学分析
	强度分析
	跌落分析
可靠性	材料非线性
	疲劳分析
振动	谐响应分析
	随机振动分析
跌落	显示动力学分析
散热	散热分析

3.案例分析

1有限元计算分析方案

采用有限元方法研究TFBGA896P与TFBGA784P封装翘曲及应力情况。首先建立了TFBGA896P与TFBGA784P封装的三维有限元模型，然后分析封装在室温（25℃）条件下的翘曲及应力分布，为封装方案选择提供参考。

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1.1 结构模型

封装模型包括：塑封料、芯片、粘片胶、基板及锡球，模型结构示意图如图1.1.1 所示，几何尺寸见表1-1-1。

图1.1.1 封装1、4模型示意图

表1-1-1 封装几何尺寸

表1-1-2 封装基板各层厚度

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1.2材料属性

根据提供的部分数据和查阅材料手册，确定各材料的材料参数，如表1-2-1所示。

所有材料均采用线弹性材料模型。

表 1-2-1 25℃温度下料属性

1.3加载及网格划分

对封装1/4 模型对称面进行法向约束，全约束封装1/4 模型对称中心下顶点；

参考温度 175℃，施加温度体载荷25℃。

封装模型采用三维实体单元，单元类型选择Solid185 与Solid187，锡球、L4

Bot 与底层soldermask 采用Solid187 单元，其余采用Solid185 单元，网格划如下（以TFBGA896P（3131-0.8）为例）：

图1-3-1 封装网格划分

6 ^# _) H3 y( z# c5 X4 o
6 |$ F$ H9 O5 e% u0 x

2.计算结果与分析

2.1 室温下封装翘曲

（1）Case1 封装翘曲

Case1 封装翘曲形态呈哭脸，翘曲值（沿对角线）为：237μm。具体翘曲情况见下图。

图 2-1-1 Case1 封装翘曲

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图 2-1-2 Case1 封装背面沿对角线翘曲曲线（单位：mm）

（2）Case2 封装翘曲

Case2 封装翘曲形态呈哭脸，翘曲值（沿对角线）为：127μm。具体翘曲情况见下图。

图 2.1-3 Case2 封装翘曲

* L9 \* m( ]- c9 W  N. R& D图 2-1-4 Case2 封装背面沿对角线翘曲曲线（单位：mm）
* p: k+ k0 A" I. P& D) M, w' M

（3）Case3 封装翘曲

Case3 封装翘曲形态呈哭脸，翘曲值（沿对角线）为：408μm。

具体翘曲情况见下图。

图 2-1-5 Case3 封装翘曲

图 2-1-6 Case3封装背面沿对角线翘曲曲线（单位：mm）

4）Case4 封装翘曲

Case4 封装翘曲形态呈哭脸，翘曲值（沿对角线）为：245μm。具体翘曲情况见下图。

图 2-1-7 Case4 封装翘曲

图 2-1-8 Case4封装背面沿对角线翘曲曲线（单位：mm）

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2.2 室温下封装应力

（1）Case1 封装芯片等效应力分布见下图：

图 2-2-1 Case1 封装芯片等效应力分布

（单位：横轴mm，纵轴MPa）

图 2-2-2 Case1封装芯片上表面沿对角线路径上等效应力曲线

（2）Case2 封装芯片等效应力分布见下图：

, }* x( K4 Y' b1 o图 2-2-3 Case2 封装芯片等效应力分布
  r, \0 e0 J) Q" A% X

（单位：横轴mm，纵轴MPa）

图 2-2-4 Case2封装芯片上表面沿对角线路径上等效应力曲线

（3）Case3 封装芯片等效应力分布见下图：

图 2-2-5 Case3 封装芯片等效应力分布

（单位：横轴mm，纵轴MPa）

图 2-2-6 Case3封装芯片上表面沿对角线路径上等效应力曲线

（4）Case4 封装芯片等效应力分布见下图：

图 2-2-7 Case4 封装芯片等效应力分布

（单位：横轴mm，纵轴MPa）

图 2-2-8 Case4封装芯片上表面沿对角线路径上等效应力曲线

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3.结论

室温下封装翘曲与芯片等效应力曲线：

表 3-1-1 封装背面沿对角线翘曲曲线（单位：mm）

表 3-2 封装芯片上表面沿对角线路径上等效应力曲线

表 3-3-3 封装翘曲与芯片等效应力

由以上可知，室温下塑封体厚度与塑封体长宽对封装翘曲有明显影响，塑封体厚度越薄、长宽越大对应封装翘曲越严重，其中Case2（塑封体尺寸：23*23*0.70）翘曲最小；塑封体厚度对芯片应力有明显影响，塑封体厚度越厚，对应芯片等效应力越小，其中Case1（塑封体尺寸：23*23*0.50）芯片等效应力最小；封装长宽对芯片等效应力无明显影响。

建议：封装方案优先选取Case2；若芯片强度较弱，建议优先选择Case1；Case3 翘曲严重，不建议选取；除非对封装长宽有明确限制建议选择Case4，否则建议Case2。

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跑江湖

结构仿真，可做材料选择的依据。
; m  p& k! {  J4 ]但仿真的具体结果，跟实际还是有相当大的差别的。

啤酒花

学习学习，灌水灌水，涨知识

taiishan88

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