發(fā)布時(shí)間：2017-08-22 07:33

  本文關(guān)鍵詞：功率模塊的三維封裝垂直互連可靠性有限元分析

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【摘要】：功率模塊是電力電子系統(tǒng)中最重要的構(gòu)成組件之一。近年來(lái)隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)、新型電子材料技術(shù)和封裝互連技術(shù)的快速發(fā)展,特別是隨著系統(tǒng)級(jí)封裝概念的提出,人們對(duì)功率模塊的封裝技術(shù)提出了更高的要求。與平面封裝相比,在采用基板間垂直互連技術(shù)的三維系統(tǒng)級(jí)封裝的功率模塊中,互連焊點(diǎn)不僅起到電氣互連的作用,而且還對(duì)疊層結(jié)構(gòu)提供足夠的機(jī)械支撐,需要承受機(jī)械沖擊、振動(dòng)等情況產(chǎn)生的可靠性問(wèn)題。此外由于封裝密度的提高,電路產(chǎn)熱更加難以耗散,互連焊點(diǎn)還要承受較大的熱失配應(yīng)力。這些都對(duì)互連焊點(diǎn)的可靠性提出了更高的要求。小尺寸、高性能、高可靠性的功率模塊封裝技術(shù),無(wú)論在民用用途還是在航空航天等軍用用途中都有著舉足輕重的作用。特別是對(duì)于可靠性要求更高、環(huán)境更加苛刻的航天電子領(lǐng)域,功率模塊的三維系統(tǒng)級(jí)封裝的垂直互連可靠性至關(guān)重要。本文利用有限元模擬的方法,基于ANSYS 15.0有限元仿真平臺(tái)對(duì)功率模塊的三維系統(tǒng)級(jí)封裝垂直互連環(huán)節(jié)的熱循環(huán)和恒定加速度試驗(yàn)可靠性進(jìn)行了研究。首先研究了釬料的粘塑性特性,之后基于APDL(ANSYS Parameter Design Language)參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化建模,研究了封裝結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)試驗(yàn)中的溫度分布、變形規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律及焊點(diǎn)壽命預(yù)測(cè),同時(shí)分析了該結(jié)構(gòu)在恒定加速度試驗(yàn)中的變形規(guī)律及應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律,最后對(duì)三維封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化并給出了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究結(jié)果表明:在熱循環(huán)過(guò)程中封裝結(jié)構(gòu)發(fā)生周期性變形,上層焊球主要受到轉(zhuǎn)接板傾斜變形以及上層基板的彎曲變形的作用,中部位置的應(yīng)力值高于邊角位置;下層焊球主要受到轉(zhuǎn)接板傾斜變形以及轉(zhuǎn)接板與DBC(Direct Bonded Copper)基板間熱膨脹系數(shù)差異的作用,邊角位置的應(yīng)力值高于中部位置。封裝互連危險(xiǎn)焊點(diǎn)在下層焊球的邊角處,應(yīng)力集中在焊球與DBC基板之間的界面處。雙層焊球在每個(gè)循環(huán)內(nèi)的最大等效應(yīng)力值在逐漸提高,高溫階段的應(yīng)力松弛明顯大于低溫階段,高溫階段的塑性應(yīng)變升高幅度大于低溫階段。恒定加速度試驗(yàn)中封裝互連危險(xiǎn)焊點(diǎn)在上層焊球的邊角處,應(yīng)力集中在焊球與上層基板之間的界面處。最大等效應(yīng)力發(fā)生在加速階段結(jié)束后,最大等效塑性應(yīng)變發(fā)生在勻速階段結(jié)束后,等效塑性應(yīng)變能密度在減速階段結(jié)束后達(dá)到最高。封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中發(fā)現(xiàn),形狀“瘦高”(焊球直徑較小、高度較高、焊盤直徑較大)的焊球的熱循環(huán)壽命更高,尺寸較大(焊球直徑、焊球高度、焊盤直徑均較大)的焊球在恒定加速度試驗(yàn)中的可靠性更好。依此選擇了最優(yōu)化的模型參數(shù),計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化的模型的熱循環(huán)和恒定加速度可靠性得到明顯提高。
【關(guān)鍵詞】：功率模塊 三維封裝 垂直互連 可靠性 有限元模擬
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN405.97
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 課題來(lái)源及研究的背景和意義10-12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析12-18
• 1.2.1 系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)12-14
• 1.2.2 基板間垂直互連技術(shù)14-15
• 1.2.3 封裝互連的可靠性問(wèn)題15-16
• 1.2.4 封裝互連可靠性研究方法16-18
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容18-20
• 第2章 有限元理論與模型研究20-31
• 2.1 有限元模擬方法簡(jiǎn)介20-21
• 2.2 釬料粘塑性模型研究與驗(yàn)證21-24
• 2.3 有限元模型的建立24-29
• 2.3.1 模型中材料的單元類型及參數(shù)24-25
• 2.3.2 模型簡(jiǎn)化與模型尺寸25-26
• 2.3.3 APDL參數(shù)化建模方法26-27
• 2.3.4 網(wǎng)格劃分27-29
• 2.4 本章小結(jié)29-31
• 第3章 三維封裝結(jié)構(gòu)熱循環(huán)可靠性有限元模擬31-51
• 3.1 熱結(jié)構(gòu)分析數(shù)值模擬方法與流程31-33
• 3.2 溫度場(chǎng)理論33-36
• 3.2.1 本文涉及到的基本傳熱方式34
• 3.2.2 單值性條件34-35
• 3.2.3 穩(wěn)態(tài)問(wèn)題和瞬態(tài)問(wèn)題35-36
• 3.3 熱應(yīng)力的概念36-37
• 3.4 三維封裝在熱循環(huán)下的有限元分析37-49
• 3.4.1 熱分析37-39
• 3.4.2 結(jié)構(gòu)變形分析39-41
• 3.4.3 上層焊球熱應(yīng)力分析41-45
• 3.4.4 下層焊球熱應(yīng)力分析45-47
• 3.4.5 焊點(diǎn)壽命預(yù)測(cè)47-49
• 3.5 本章小結(jié)49-51
• 第4章 三維封裝結(jié)構(gòu)恒定加速度可靠性有限元模擬51-61
• 4.1 恒定加速度試驗(yàn)方法51-52
• 4.2 恒定加速度試驗(yàn)影響因素52-53
• 4.3 三維封裝在恒定加速度條件下的有限元分析53-59
• 4.3.1 恒定加速度有限元模擬條件簡(jiǎn)化53
• 4.3.2 加速度載荷的施加53-55
• 4.3.3 恒定加速度試驗(yàn)可靠性55-59
• 4.4 本章小結(jié)59-61
• 第5章 三維封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化61-76
• 5.1 封裝模型參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍及優(yōu)化方式61-63
• 5.2 封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化63-73
• 5.2.1 焊球直徑的影響63-65
• 5.2.2 焊球高度的影響65-67
• 5.2.3 焊盤直徑的影響67-69
• 5.2.4 上層基板長(zhǎng)度的影響69-71
• 5.2.5 等比例改變焊球尺寸的影響71-73
• 5.3 最終優(yōu)化結(jié)果73-74
• 5.4 本章小結(jié)74-76
• 結(jié)論76-78
• 參考文獻(xiàn)78-84
• 致謝84

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 David Foggie;Jens Katschke;;晶圓級(jí)焊球成功放置的因素[J];集成電路應(yīng)用;2008年Z1期

2 王國(guó)欣;張宗偉;郭曉曉;周小亮;閆焉服;;焊球直徑對(duì)釬焊球質(zhì)量影響[J];電子工藝技術(shù);2010年02期

3 張e，

本文編號(hào)：717860