為了提高芯片級(jí)封裝發(fā)光二極管（CSP-LED）焊點(diǎn)疲勞壽命,利用有限元仿真軟件ABAQUS模擬計(jì)算了CSP-LED芯片在跌落沖擊載荷下焊點(diǎn)的塑性應(yīng)變,并研究了裂紋拓展趨勢(shì)。以焊點(diǎn)失效前跌落次數(shù)為指標(biāo),利用Coffin-Manson經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算焊點(diǎn)壽命,研究了底部填充物對(duì)CSP-LED芯片在不同沖擊載荷下焊點(diǎn)壽命的影響。結(jié)果表明,隨著沖擊載荷增大,焊點(diǎn)疲勞壽命減少,使用填充物能使芯片焊點(diǎn)壽命提高4～6倍,其影響通過(guò)跌落實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果的對(duì)比得到了驗(yàn)證。 

【文章來(lái)源】：微電子學(xué). 2020,50(05)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：5 頁(yè)

【部分圖文】：

仿真模型封裝結(jié)構(gòu)剖視圖

碰撞過(guò)程中地面產(chǎn)生的形變相對(duì)于PCB基板的形變來(lái)說(shuō)十分微小,對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小,所以進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),將地面視為剛體,限制其六個(gè)方向的自由度。數(shù)值模擬的研究重點(diǎn)在于受沖擊載荷后焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變變化,所以在仿真過(guò)程中焊點(diǎn)使用的是彈塑性模型,其他部分均視為彈性體。為了模擬焊點(diǎn)裂紋的產(chǎn)生和拓展,在焊點(diǎn)與基板和焊點(diǎn)與藍(lán)光芯片接觸的兩個(gè)面上分別設(shè)置一層厚度為0.01 mm的Cohesive粘性單元。Cohesive單元由ABAQUS軟件提供,是基于損傷力學(xué)模型的用于分析裂紋拓展的單元。應(yīng)用該單元模擬材料失效的原理基于Traction-separation描述方法[10],基于該描述方法的常用本構(gòu)模型是雙線性本構(gòu)模型,如圖3所示�？梢钥闯�,在材料達(dá)到強(qiáng)度極限之前,Cohesive單元經(jīng)歷線彈性階段,此時(shí)單元應(yīng)力與兩端的分離位移成正比;在材料達(dá)到強(qiáng)度極限后,單元開(kāi)始剛度退化。使用Cohesive單元時(shí),ABAQUS軟件使用剛度下降率(SDEG)參數(shù)來(lái)表征單元破壞情況。當(dāng)SDEG值從0到1逐漸增大時(shí),表示單元?jiǎng)偠戎饾u退化;當(dāng)SDEG值大于等于1時(shí),表示單元完全破壞失效,即產(chǎn)生裂紋。圖中,t表示損傷起始應(yīng)力,di表示損傷起始位移,df表示損傷失效位移。

封裝時(shí),通過(guò)控制錫膏點(diǎn)涂的量來(lái)控制焊點(diǎn)的高度,封裝后通過(guò)千分尺測(cè)量燈珠高度來(lái)間接測(cè)量焊點(diǎn)高度。數(shù)值模擬時(shí)焊點(diǎn)設(shè)置的高度是0.05 mm,所以取焊點(diǎn)高度為0.05 mm的燈珠模組,根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行自由跌落。底部填充物的填充方法是在LED燈珠周圍涂抹填充物。根據(jù)毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)的原理[12],液態(tài)主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂的聚合物會(huì)沿著燈珠與PCB基板的縫隙前進(jìn),逐漸填滿整個(gè)縫隙。以燈珠失效不亮之前的跌落次數(shù)作為評(píng)價(jià)焊點(diǎn)壽命的指標(biāo),自由跌落結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的實(shí)測(cè)焊點(diǎn)壽命如圖6所示。對(duì)比圖6和圖5可知,實(shí)測(cè)的焊點(diǎn)壽命與仿真結(jié)果趨勢(shì)基本一致,均隨著跌落高度增加即沖擊載荷增加,疲勞壽命減少;使用了底部填充物后,焊點(diǎn)壽命都顯著提高。但是,仿真結(jié)果的焊點(diǎn)壽命會(huì)比實(shí)際測(cè)量的略高。以130 cm的跌落高度為例,無(wú)底部填充物時(shí),實(shí)測(cè)壽命為14次,仿真結(jié)果為16次,兩者相差2次,誤差為12.5%;有填充物時(shí),實(shí)測(cè)壽命為87次,仿真結(jié)果為99次,誤差為12.1%。仿真結(jié)果比實(shí)測(cè)壽命高,可能的原因是,焊點(diǎn)由錫膏經(jīng)過(guò)加熱固化后,在與PCB板和藍(lán)光芯片的接觸面上殘留氣泡、雜質(zhì)或者錫膏與焊盤(pán)的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生初試裂紋,造成應(yīng)力集中。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于表面能理論的倒裝芯片封裝下填充流動(dòng)研究[J]. 楊家輝,姚興軍,章文俊,方俊杰.  半導(dǎo)體技術(shù). 2018(01)
[2]大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)和封裝基板[J]. 方軍,花剛,傅仁利,顧席光,趙維維,錢鳳嬌,錢斐.  半導(dǎo)體技術(shù). 2013(02)
[3]倒裝芯片封裝中非牛頓流體下填充的數(shù)值仿真[J]. 姚興軍,張關(guān)華,王正東,章文俊,周鑫延.  半導(dǎo)體技術(shù). 2013(01)
[4]無(wú)鉛焊點(diǎn)在跌落沖擊載荷下動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 周新,劉芳,周海亭,趙玫,趙峻峰.  噪聲與振動(dòng)控制. 2007(04)
[5]沖擊載荷下BGA焊點(diǎn)應(yīng)有限元模擬[J]. 張杰,楊平.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2006(05)
[6]電子封裝焊點(diǎn)可靠性及壽命預(yù)測(cè)方法[J]. 李曉延,嚴(yán)永長(zhǎng).  機(jī)械強(qiáng)度. 2005(04)



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