1、什么是微電子封裝技術(shù)？

通過一定的連接技術(shù)將芯片、半導體元件、板卡和電路板等進行布置，粘結(jié)固定來組裝完成整電子產(chǎn)品的過程，包含了從開始制作硅晶圓片到電子產(chǎn)品組裝完成的整個過程。

2、微電子封裝技術(shù)發(fā)展歷史

1947年，世界上第一只晶體管在美國貝爾實驗室誕生，微電子封裝技術(shù)發(fā)展不斷進步，主要經(jīng)歷了四次重大技術(shù)變革，第一次發(fā)生在20世紀60年代，以雙列直插式封裝為代表的插裝技術(shù)的出現(xiàn)，代表集成電路進入通孔插裝時代，通過釬焊的方法實現(xiàn)IC芯片的組裝。（IC功能不強、引腳數(shù)少、封裝密度不高）第二次發(fā)生在20世紀七八十年代，出現(xiàn)了表面貼裝技術(shù)，用引線代替針腳，將引線設計為翼型或丁形，從封裝體兩邊或四邊引出（多尺寸、多引腳）。第三次在二十世紀末，隨著IC集成度不斷提高，業(yè)界推出以焊球代替引線，按面積陣列的分布的SMT技術(shù)。典型的有BGA封裝（I/O引腳通過球狀或柱狀金屬焊點陣列分布在基板底部，實現(xiàn)芯片與外部PCB板等的連接，可提供更多的引腳，實現(xiàn)高密度封裝）。為了解決芯片尺寸和封裝面積的不匹配問題，提出芯片級封裝CSP，即封裝尺寸和芯片具有相同或稍大的尺寸，還有晶圓級封裝WLP。進入本世紀，電子封裝開始在之前二維封裝的基礎上向垂直方向發(fā)展，形成了以堆疊PoP和硅通孔TSV為代表的三維封裝技術(shù)，由此進入三維高密度封裝時代（上下層采用互連方式，有效縮短引線長度，減少傳輸延遲，降低功耗，提高可靠性）。

△圖1：微電子封裝技術(shù)發(fā)展史

備注：

DIP：雙列直插式

PGA：插針網(wǎng)格陣列式

QFP：方形扁平式（四邊有腳向外延）

TSOP：薄型小尺寸

BGA：球柵陣列式

CSP：芯片級

WLP：晶圓級封裝

Stacked Die：堆疊式

3、什么是焊點失效性分析？

由于互連焊點為微電子封裝提供了關(guān)鍵的機械支撐和電氣互連，同時，微電子封裝失效大部分是由焊點的失效引起的。所以，對于微電子封裝可靠性的研究主要是分析焊點的失效性。目前，這方面大多側(cè)重于由于溫度引起的熱疲勞失效，而對振動下的熱振耦合疲勞分析較少。當今電子器件廣泛使用在汽車、船舶、航空航天等更為嚴苛的環(huán)境中，往往受到溫度、濕熱、振動和沖擊等載荷作用而導致失效。所以，封裝可靠性對于電子產(chǎn)品的設計意義非常重大。

△圖2：影響微電子封裝可靠性的主要因素

4、 焊點失效的四種模式：

4.2 疲勞破壞失效

?由振動載荷引起的高周疲勞失效

4.4 動態(tài)機械載荷破壞失效

? 跌落、沖擊和振動

? 開裂、脆裂等損傷

   

研究內(nèi)容      

   

△圖3：焊點熱耦合疲勞仿真分析內(nèi)容

1、基本力學參數(shù)的獲取

? 調(diào)研焊點、焊腳的材料屬性

? 試驗獲取引腳、錫焊、錫焊界面（金屬化合物）的力學性能參數(shù)

? 擬合界面相（金屬化合物）材料的本構(gòu)關(guān)系

2、疲勞數(shù)據(jù)庫的建立

? 通過疲勞試驗建立材料、界面相的疲勞特性曲線

? 建立單個焊點的有限元分析模型

? 加載循環(huán)載荷預測焊點的疲勞壽命與失效位置

? 通過與實驗比較，對有限元分析模型進行驗證

△圖4：不同封裝結(jié)構(gòu)下無鉛SAC305焊點的S-N曲線

3、整機仿真模型

一般而言，在有限元模態(tài)分析中，系統(tǒng)的固有頻率會隨著網(wǎng)格密度的增加而降低至一個穩(wěn)定的收斂值，為了找到合適的網(wǎng)格劃分密度，需要對其進行網(wǎng)格收斂性檢查。振動試驗載荷一般有正弦、窄帶隨機和寬帶隨機三種，PCB邊界條件有四角四點固支，端部四點固支，六點固支，中間四點固支以及中間兩點固支。

3.1 有限元模型建模

△圖5：焊點有限元建模

3.2 組件中各層材料參數(shù)設置

考慮到振動過程中焊點發(fā)生的一般是彈性形變，無需考慮材料的蠕變參數(shù)，各組分材料從上往下依次按照模塑料、封裝基板、Cu焊盤(Cu)、焊球(SAC305)、PCB板(FR-4)賦予。

3.3 有限元模型網(wǎng)格劃分

? 非重要部位網(wǎng)格劃分較粗，對焊點等關(guān)心部位嚴格采用高質(zhì)量網(wǎng)格劃分方法；

? 網(wǎng)格收斂性檢查。

3.4 模型驗證

通過模態(tài)試驗和有限元模態(tài)分析，將整體固有頻率和固有振型進行對比，從而驗證有限元模型的正確性。

3.5 邊界條件設置

不同輸入及PCB邊界條件對焊點振動疲勞可靠性將會產(chǎn)生影響——外因

3.6 測試與建立仿真模型

? 測試確定產(chǎn)品仿真等效阻尼

? 測試確定產(chǎn)品等效材料模型

? 建立整體振動響應分析仿真模型

△圖6：關(guān)鍵焊點有限元分析

4、振動實驗與數(shù)值模擬方法研究（模型驗證）

? 測算PCB中心撓度值

? 隨機振動試驗

? 實驗與仿真結(jié)果的對比

5、熱振耦合條件下焊點失效機理研究

5.1 板級熱振耦合實驗設計（將PCB板組裝到振動臺）

5.2 熱振耦合條件下溫度載荷設定

5.3 板級熱振耦合實驗結(jié)果與數(shù)值仿真

△圖7：不同PCB板不同溫度循環(huán)之后的功率譜密度

△圖8：五個循環(huán)后計算功率譜密度與測試功率譜密度比較

△圖9：熱振耦合后的焊點開裂行為

6、焊點損傷機理研究

? 基于疲勞實驗與SEM研究損傷起源與擴展

? 觀察裂紋早期位置研究裂紋萌生規(guī)律

? 通過觀察焊點完全失效路徑研究裂紋擴展路徑

? 分析裂紋在層間擴展路徑研究焊點破壞模式

△圖10：熱振耦合后的焊點開裂行為

備注：

IMC是Intermetallic compound之縮寫，筆者將之譯為"介面合金共化物"。廣義上說是指某些金屬相互緊密接觸之介面間，會產(chǎn)生一種原子遷移互動的行為，組成一層類似合金的"化合物"，并可寫出分子式。在焊接領域的狹義上是指銅錫、金錫、鎳錫及銀錫之間的共化物。其中尤以銅錫間之良性Cu6Sn5(Eta Phase)及惡性Cu3Sn(Epsilon Phase)最為常見，對焊錫性及焊點可靠度(即焊點強度)兩者影響最大。

7、焊點微結(jié)構(gòu)演化機理

7.1 焊球老化與時間的關(guān)系

△圖11：SAC焊球隨老化時間變化剪切力變化

7.2 SAC焊料與時間的關(guān)系

△圖12：不同老化時間SAC焊料IMC演化規(guī)律